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2021/04/21
金屬3D列印中的王者之最——鈦！如何把鈦列印出來？〈上〉
鈦是一種複雜的金屬，它堅固的程度與鋼一樣，但重量卻只有鋼的一半！本文分成上下集，詳盡解說鈦材3D列印的方法、應用、列印機，以及未來發展的前景！
為何說鈦是金屬3D列印的王者？
鈦已成為增材製造中最常用的金屬，廣泛應用於航太工程、人體的關節置換和手術工具、賽車和腳踏車車架、電子產品、以及其他高性能產品。鈦和鈦基合金比不鏽鋼具有更高的機械強度及強度重量比，並具有更好的耐腐蝕性。它使火箭和飛機更輕盈，從而節省了燃料並增加了有效的負載力。在航太工程中，美國聯邦航空局(FAA)批准的幾種鈦基增材製造零件，目前正用於商業和軍事上，許多其他項目也在進行認證。3D列印的鈦因為低微的”buy-to-fly”比率而倍受讚譽，而該”buy-to-fly”是航太工程的術語，意謂用於製造零件的原材料重量與最終零件重量的比值。
在醫療行業中，由於金屬固有的生物相容性和良好的機械性能，再加上3D列印對多孔結構的定製能力，因此3D列印鈦植入物在脊柱、髋關節、膝關節和四肢的應用中取得成功，在骨頭整合和質量定製方面，能夠為患者帶來更好的效果，所以3D列印鈦植入物在監管機構的批准和需求方面，都在不斷增加。過去，因為大多數醫療植入物的製造都是為了滿足大批患者的需求，患有罕見疾病的人們往往被排除在外，幸好，現在借助3D列印的客製技術，可專門為個別患者生產合適他們的植入物。
美國Orthofix醫療公司的3D列印鈦植入物Construx Mimi Ti Spacer系統於2021年3月獲得美國FDA批准
優勢
鈦的鑄造和機械加工會製造出更高的生產成本，包括更多的材料浪費、更高的模具和工具採購量、以及更高的能源消耗。此外，這兩種傳統的製造工藝限制了產品的設計，而且通用性不強，因此透過3D列印的技術，可更高效地製造這種昂貴的金屬，降低原材料的消耗，減少浪費。而作為一種增材製造技術，金屬3D列印通常只使用製造零件所需的材料，也使用相對較少量的支撐結構。
3D列印還可以實現複雜的設計，例如物件內部的通道和晶格填充物，以減輕重量，這是任何其他製造方法都無法實現的技術。某些幾何特徵，如孔洞、懸垂表面，都需要支撐結構以避免幾何變形，但在總體上，原材料的使用量仍很低，而這些支撐結構在最後也必須移除。
Bugatti 3D列印鈦合金剎車卡鉗
鈦是什麼？
純鈦通常不用於工程應用，而是用於生物醫學上——純鈦常見於膝關節和髋關節等部件。鈦基合金提供特定機械性能的金屬成分，一種受控混合物被廣泛用於非常特定的零件性能行業，而長期向製造商提供鈦鑄件的金屬材料供應商，現正提供專門為增材製造而配製的鈦粉。
包括Virtual Foundry在內的一些公司，可提供用於熱熔堆疊(FDM)建模的鈦絲，該材料包含嵌入PLA中的金屬粉末，可用在溫度高於205°C的FDM列印機進行列印。一旦經過後處理和燒結，這些金屬絲就可以生產出金屬含量超過90%的金屬零件，而你要找金屬絲的話，請注意那些被稱為鈦的灰色金屬絲。
腳踏車的3D列印鈦合金吊耳
用於增材製造的鈦合金
- Titanium 6Al-4V, grade 5 – 是增材製造中最常使用的鈦合金，適用於航太工程和汽車領域、以及軍事應用的功能部件上，對於製造具複雜幾何形狀、精密度或生產工具零件上，表現優秀。
- Titanium 6Al-4V, grade 23 - 是一種生物相容性合金，常用於醫療植入物和假體。
- Titanium Beta 21S - 比傳統的鈦合金，如Ti-6Al-4V，具有更高的強度，與傳統的鈦合金，如Ti-15V-3Cr相比，具有更高的抗氧化性和抗蠕變性。Grade 21鈦是所有鈦合金中吸氫效率最低的合金之一，它是骨科植入物和航太發動機應用的理想之選，而β鈦被廣泛用於正畸領域。
- Cp-Ti (Pure Titanium), grade 1, 2 - 廣泛應用於醫療領域。
- TA15 - 是一種添加了鋁和鋯的近α鈦合金，由此製成的部件具有較高的比強度，結合其高承重能力和耐熱性，可用於飛機和發動機結構中的重型部件。
鈦的供應商
以下列舉專門為3D列印而配製各種鈦和鈦合金的供應商︰
- Carpenter Technology: TI 6AL-4V ELI
- Heraeus: Ti6Al4V Gr.5 & Gr.23
- Sandvik: Osprey TI-6AL-4V Gr.5 & Gr.23
- GKN: CPTi – Gr.1 & Gr.2, Ti64 – Gr. 5 & Gr. 23, Ti6242, Ti5553, Beta 21S
- AP&C: CPTi – Gr.1 & Gr.2, Ti-6AI-4V Gr.5 & Gr.23, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr
- AstroAlloys: TruForm Ti-6Al-4V Gr.5 & Gr.23, Ti-48Al-2Nb-2Cr, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
鈦粉
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