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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？〈下〉
上一集，為你說明了為何鈦材如此適合用於增材製造，以及其應用領域，來到這一集，繼續為你介紹鈦的列印原理和列印機款吧！
怎麼列印鈦？
用於加工鈦基合金的金屬3D列印技術有好幾種，但使用粉末鈦的粉床熔融工藝卻是最常用的，如︰雷射粉床熔融、電子束粉床熔融。根據諮詢公司AMPower的一份報告稱，大多數的鈦AM零件都採用粉床技術製造，粉床融合用於生產航太和賽車的輕質部件，而黏合劑噴射通常用於以鈦生產的小型醫療儀器。
雷射粉床熔融(LPBF)是一種基於材料沉積的製造技術，該材料沉積是通過高功率雷射進行局部熔化，LPBF通過在前一個材料上添加一層材料來製造零件，這是同時創建材料和零件的過程。根據要處理的鈦基合金的特性，必須對LPBF加工參數進行優化和調整，以控制孔隙率、微觀結構和最終材料特性。電子束粉床熔融是相似的過程，只是使用電子束而非雷射，據AMPower介紹，電子豆的加工溫度較高，導致單層冷卻速度較慢，因此與LPBF相比，其微觀結構更為粗糙。
在粉床熔合的過程中，金屬3D列印機從金屬粉床開始工作，並對其進行選擇性的掃描，所有的幾何信息都由之前在3D建模軟體中所定義的CAD模型，提供給列印系統。粉末材料的特點主要是顆粒形態(不規則或球形)和粒度分佈等特徵，球形形態是為了讓粉末在列印過程進行時具有良好的流動性，因為粉末的製造過程決定了它的最終特徵。金屬粉末可通過氣體霧化、旋轉霧化、等離子旋轉電極工藝和水霧化來製造，但最重要的是，優質的粉末才能生產出優質的零件。
其他適合鈦的增材製造方法，還包括直接能量沉積(DED)、快速等離子體沉積(RPD)和黏合劑噴射。
雷射粉床熔融
鈦合金3D列印機
目前的3D列印系統市場提供了多種金屬3D列印機，用於處理不同的鈦基合金。
- Digital Metal在它的黏合劑噴射3D列印機上提供一種鈦合金。
- 3D Systems提供了一種鈦材料，可與其兩台SLS 3D列印機兼容。
- EOS提供了5種鈦合金材料選擇，可在其4款金屬SLS 3D列印機上使用。
- ExOne有多款金屬列印機與第三方供應商的鈦材兼容。
- GE Additive為其SLM 3D列印機的Concept Laser系列提供鈦和鈦合金。
- SLM Solutions為其選擇性雷射熔化3D列印機系列提供3種鈦合金。
- VELO3D為其SLM/DMLS 3D列印機提供了鈦合金解決方案。
- Trumpf雷射金屬熔融3D列印機是專為鈦部件生產而設計的。
- Renishaw金屬3D列印機是生產醫療和牙科領域鈦合金零件的熱門設備。
Arcam EBM Spectra L 和 the Renishaw RenAM 500Q 均採用鈦金屬列印
3D列印鈦的特性
粉床工藝中的一個主要問題，是材料微觀結構在列印的過程中如何演變，以及能量密度和傳遞的熱量，將如何與材料的晶格相互作用。這種相互作用反映在雷射束或電子束傳遞到原料的溫度曲線中。因為複雜的熱加工循環會影響材料的機械性能，也因為每台列印機都是不同的，材料亦不同，並且需要調整一系列的範圍，因此3D列印使鈦材受到多方面的考驗。最近，在這領域進行了不少研究，而大部分都指出3D列印鈦部件有出色的結構完整性。
今年3月，金屬3D列印機製造商MELD Manufacturing發布數據，確認其工藝生產的鈦符合ASTM和AMS標準。
專門從事鈦金屬3D列印的合同製造商Zenith Tecnica所定製的鈦部件
這些數據是通過與美國國家製造科學中心(NCMS)、陸軍研究實驗室(ARL)以及高級製造、材料和工藝(AMMP)程序，使用Ti-6Al-4V（Ti64）材料生成的，也就是以ASTM 5級進行測試。數據顯示，列印後的材料在所有軸線上都超過了ASTM標準規定的屈服強度、極限抗拉強度和伸長率的最低要求，包括貫穿列印層的Z方向。
隨著愈來愈多的醫療製造商採用增材製造，美國FDA批准的鈦基3D列印外科植入物的數量，也正在持續增長。
專注於鈦金屬3D列印的合同製造商Zenith Tecnica，所定製的醫療植入物
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