钛合金 3D 打印指南
凭借减少材料浪费和创造轻量化设计的能力，钛 3D 打印在许多行业中找到了自己的位置。
钛具有优异的材料特性，但其高昂的成本历来限制了其在航空航天领域的高价值应用。现在金属 3D 打印越来越被认为是一种可行的制造方法，该技术使钛更容易用于医疗、汽车和赛车运动等行业。
今天的帖子着眼于使钛成为 3D 打印的理想选择的原因、支持该材料的技术以及关键的工业应用。
钛的独特性能
高强度重量比
耐高温机身和机翼结构
小型零件，如压气机叶片、转子和其他涡轮发动机部件 医疗强度优良
生物相容性（无毒） , 非过敏性）骨科设备，如脊柱、髋关节和膝关节植入物。汽车和赛车运动耐腐蚀
高强度重量比
耐高温制动卡钳、支架、轮辋、立柱。
考虑到坚固、轻便和防腐蚀，您拥有使钛成为如此受欢迎的材料的本质。钛以其卓越的材料特性而闻名——与钢一样坚固，但密度仅为其 60%。
钛的高强度密度比、良好的耐腐蚀性和耐化学性使其特别适用于航空航天和国防等高性能行业。
在此，钛合金用于需要能够在高温下保持机械性能的轻质部件的应用。
钛也是以其生物相容性而闻名，这使其成为医疗应用（例如植入物）的理想选择。
然而，虽然钛提供了一系列好处，但它仍然是一种相对昂贵的材料。这是因为这种金属的开采量相对较小，而加工原钛仍然是一项复杂的任务，这使得这种材料比钢等替代金属贵得多。
是什么让钛适合3D打印？
钛可能是一种难以加工的金属，尤其是在加工方面。一方面，钛具有低导热性。这意味着在加工时，例如使用 CNC 机床，产生的热量会储存在 CNC 刀具中——这可能会导致刀具快速磨损。
此外，由于机加工涉及材料的切割和去除，因此该过程会导致产生大量材料浪费。因此，许多公司正在寻找更好的替代品来生产钛零件。
金属 3D 打印被证明是可行的替代方案。
对于金属 3D 打印，最常用的钛等级是合金 Ti6Al4V (Ti64)。除了 Ti64，还可以使用纯钛进行 3D 打印。
钛金属 3D 打印的好处
3D 打印钛有很多好处。
对于航空航天应用，将钛用于 3D 打印部件通常有助于降低购买与飞行的比率。该术语来自航空航天工业，是指最初采购的材料重量与成品重量之间的相关性。
例如，在传统制造中，钛飞机部件的购买与飞行比可能在 12:1 到 25:1 之间。这意味着生产 1kg 零件需要 12-25kg 原材料。在这种情况下，多达 90% 的材料被加工掉。
金属 3D 打印可以将钛部件的这一比例降低到 3:1 到 12:1 之间。这是因为金属 3D 打印机通常仅使用制造零件所需的必要材料量，仅从支撑结构中产生少量废物。对于像钛这样的昂贵材料，这种降低的购买与飞行比率所节省的成本可能非常显着。
由于拓扑优化，增材制造还可以增强钛的轻量化特性。使用拓扑优化软件，工程师设置某些要求，例如载荷和刚度约束，然后让软件工具优化初始设计以满足这些要求。通过这种优化，从设计中去除了任何不必要的材料，创造了一个更轻但坚固的组件。
拓扑优化设计通常只能在增材制造技术的帮助下制造。这一优势尤其受到航空航天业的重视，其中轻量级 3D 打印钛部件可以减轻重量并提高飞机性能。
哪些技术支持钛？
最常用于制造钛零件的三种金属 3D 打印方法是直接能量沉积 (DED)、电子束熔化 (EBM) 和选择性激光熔化 (SLM)。
直接能量沉积
3D 打印钛的第一次尝试始于 1997 年的 Aeromet 公司，该公司使用 DED 技术为航空航天业生产零件。
在 DED 中，当钛粉（或线）通过喷嘴沉积到基板上时，使用高强度能源（如激光或光束）熔化钛粉（或线）。这里的主要优势是能够以相对较高的材料沉积速率（高达 320 cc/h）制造大型零件。
如今，DED 技术有多种变体，包括西亚基的电子束增材制造 (EBAM) 和电弧增材制造 (WAAM)。
电子束熔化
瑞典公司 Arcam 一直在开发其 EBM 技术，以实现钛 3D 打印植入物和航空航天部件。在 EBM 中，电子束被施加到一层金属粉末上，使其与前一层熔化并融合。
EBM 被认为比 DED 更准确，适用于更小、更复杂的零件。值得注意的是，EBM 过程在真空和高温下进行。这导致 3D 打印零件的残余应力最小，这也意味着零件不需要后续热处理。
2013年，Arcam发布了两款AM机器Arcam Q10和Arcam Q20，分别针对骨科植入物和航空航天行业。 Arcam Q20 专为与 Ti6Al4V 合金配合使用而设计。
Arcam 还发布了 Arcam Spectra H 3D 打印机，该打印机能够打印铝化钛等新的易开裂钛合金。
选择性激光熔化
与 EBM 一样，SLM 是一种粉末床融合工艺，尽管它使用激光束而不是电子束来熔化和融合金属粉末层。 SLM 工艺中的一层厚度可薄至 20 微米，与 DED 和 EBM 相比，该技术更加准确。
钛金属3D打印的应用
航空航天主导了钛 3D 打印的关键应用。也就是说，医疗、赛车、化工和海洋等其他行业也开始研究生产钛部件的技术。
航空航天
对于航空航天公司而言，3D 打印钛有助于减轻高载荷结构的重量，使其非常适用于喷气发动机、燃气轮机和许多机身部件。
许多最大的航空航天公司正在将 3D 打印的钛部件集成到他们的飞机中。
Liebherr-Aerospace &Transportation SAS
例如，航空航天供应商 Liebherr-Aerospace &Transportation SAS 今年早些时候开始为空客 A350 XWB 批量生产 3D 打印钛前起落架支架。这些支架将成为首批采用 3D 打印钛制造的空中客车零件。
波音和 Norsk Titanium
波音公司也将赌注押在钛 3D 打印上。自 2015 年以来，波音公司一直与挪威金属 3D 打印公司 Norsk Titanium 合作，为 787 梦想飞机生产大型结构钛部件。 2017 年，他们对未命名的钛部件进行了 FAA 认证，该部件是在 Norsk 专有的快速等离子沉积 (RPD) 技术的帮助下制造的。
基于 DED 工艺，RDP 使用钛丝和等离子炬打印大型钛结构部件。据报道，该技术比基于粉末的系统快 50-100 倍，并且使用的钛比锻造工艺少 25-50%。加快交付周期和减少材料浪费可为波音每架飞机节省高达 300 万美元。
目前，钛 3D 打印主要用于较小的飞机部件，如支架和外壳。然而，在未来，由于重量、成本和开发时间的节省，它的使用可能会扩展到更大的结构部件。
医疗
钛的无毒、高强度和耐腐蚀使其成为骨科和牙科植入物的有吸引力的材料。
当与 3D 打印一起使用时，医疗设备制造商可以制造具有复杂多孔结构的植入物。值得注意的是，这些结构模仿了人类骨骼的结构，因此骨细胞将其识别为生长的支架。
Osseus 的钛脊柱植入物
一家开发此类设备的公司是美国的 Osseus Fusion System。它的 3D 打印钛脊柱植入物称为 Aries-L Interbody Fusion Devices，具有专有的多轴网格和优化的微表面拓扑结构，使骨骼能够更快地融合在一起。为了使如此复杂的功能成为可能，Osseus 在 FDA 验证的 SLM 3D 打印机上打印其 Aries 设备。
钛 3D 打印在脊柱、髋关节和膝关节植入物等骨科设备中的应用正在增加。根据 Smartech 最近的一份报告，到 2020 年，3D 打印钛的医疗应用将占到大约 274,000 公斤的钛。这为医疗行业的钛 3D 打印设定了非常积极的前景。
汽车和赛车
布加迪的钛合金刹车卡钳
与航空航天和医疗相比，汽车行业采用钛 3D 打印的速度并不快。尽管有同样的好处，但消费汽车市场非常注重成本，这限制了这种昂贵材料在大多数车辆中的使用。
目前，钛 3D 打印部件可以在赛车和重量和性能是重要因素的豪华车。
在汽车中使用钛 3D 打印的最突出例子之一是布加迪的制动钳，它是为布加迪 Chiron 超级跑车开发的。
制动卡钳是制动系统的重要组成部分，尺寸为 41 x 21 x 13.6 厘米，使用 SLM 技术在 45 小时内进行 3D 打印。据说成品零件比机加工铝替代品轻约 40%。
去年，该公司成功测试了制动钳，证明它可以满足极端强度、刚度和温度要求。
除了刹车卡钳，布加迪还在主动扰流板支架的生产中使用了钛合金3D打印技术。与西门子合作，对该部件进行了优化，以减轻重量，同时仍能提供强度，从而减轻 53% 的重量并提高刚性。
HRE 的 3D 打印钛轮
美国轮辋制造商 HRE 是另一家受益于钛 3D 打印的公司。 HRE 的主要目标是减少生产轮辋时浪费的材料量。
使用EBM技术，HRE 3D打印了一个复杂形状的轮辋，并在此过程中减轻了19%的重量。
对于这种应用，采用传统的生产方法，产生的材料浪费可以达到 80%。 HRE 表示，通过 3D 打印，浪费的材料不会超过 5%。
HRE 认为轮辋更像是一种技术展示而不是商业产品。也就是说，该项目让我们一窥车轮设计和制造的未来。
钛 3D 打印和赛车
在赛车运动中，钛 3D 打印在生产高性能、更轻的车辆（包括赛车）方面发挥着“关键的战略作用”。
一个例子来自牛津布鲁克斯学生方程式队。该团队与英国制造技术中心 (MTC) 合作，重新设计了车辆的立柱，并使用 EBM 技术制造了它们。由于这个过程，该团队实现了 50% 的重量减轻。
钛 3D 打印的挑战
尽管钛 3D 打印具有优势，但仍有一些挑战需要考虑。
首先是需要制定使用钛与添加剂技术的标准。一些公司已经在朝这个方向采取措施。 2018 年，波音和欧瑞康签署了一项为期五年的合作伙伴关系，重点是标准化钛 3D 打印并确保打印的组件满足 FAA 和 DoD 的飞行要求。
第二个挑战在于钛粉的高成本。例如，为 3D 打印优化的钛粉的成本从 300 美元到 600 美元不等。
为了降低每公斤钛的实际材料成本，一些粉末生产商开发了替代的粉末生产方法。例如，加拿大 PyroGenesis 正在使用其 NexGen™ 等离子雾化系统，该系统以超过 25 公斤/小时的速度生产包括钛在内的金属粉末。更高的生产率使该公司能够以具有竞争力的更低价格生产钛。
总部位于英国的 Metalysis 公司开发了另一种可以降低钛价格的粉末生产方法。该方法采用电解的形式将粗氧化钛转化为钛粉。与传统的粉末生产方法相比，该技术的主要优势在于其环保和低成本。
2018 年 9 月，Metalysis 开始了钛粉和其他合金的商业生产，预计每年可交付 10 至 100 吨金属粉末。
如果新的钛粉制造方法能够发挥其潜力，根据 SmarTech Analysis 的数据，到 2024 年，一公斤钛的平均价格可能会降低 17%。
钛 3D 打印：一个成功的组合
钛 3D 打印已成为航空航天、医疗和汽车领域的一项宝贵技术。其关键原因在于钛的卓越性能与 3D 打印减少浪费和创造复杂轻巧设计的能力的完美结合。
展望未来，随着钛成本的降低和更多应用的发现，钛3D打印将成为更广泛行业的绝佳制造替代品。
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