Anleitung zum Titan-3D-Druck

Titan ist eines der am häufigsten verwendeten Metalle in der additiven Fertigung und wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, bei Gelenkersatz- und chirurgischen Werkzeugen, Renn- und Fahrradrahmen, Elektronik und anderen Hochleistungsprodukten verwendet.
Titan und Titanlegierungen bieten eine hohe mechanische Festigkeit, ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Edelstahl. Das Material könnte Raketen und Flugzeuge leichter machen, Treibstoff sparen und die Nutzlastkapazität erhöhen. Es kann auch elektronische Produkte wie Smartphones und VR-Brillen leichter machen. Das Gleiche gilt für medizinische Implantate. Wenn Sie außerdem die inhärenten Eigenschaften von Titan mit den einzigartigen Möglichkeiten des 3D-Drucks kombinieren, vervielfachen sich die Vorteile.
3D-gedruckte Titanteile: Hüftgelenke von GE Additive, Lüfterflügel von Sciaky, Raketenspitzen von Arcam Darker, Titangitterkomponenten von 3D Systems, Titanstents von EOS, chirurgische Wirbelsäulenimplantate von Zenith Tecnica.
Mithilfe der 3D-Drucktechnologie kann dieses teure Metall bei geringerem Rohstoffverbrauch und weniger Ausschuss effizienter hergestellt werden. Als Rapid-Prototyping-Technologie verwendet der 3D-Metalldruck in der Regel nur die Materialmenge, die für die Herstellung des Teils erforderlich ist, und relativ wenig Stützstruktur.
Der 3D-Druck ermöglicht auch komplexe Designs wie interne Kanäle, hohle oder gittergefüllte Teile zur Gewichtsreduzierung, die mit keinem anderen Herstellungsverfahren möglich sind. Da keine Formen oder Werkzeuge erforderlich sind, können mit der 3D-Drucktechnologie aus Titan kostengünstig einzigartige Teile wie patientenspezifische Implantate, Prototypen und Forschungswerkzeuge hergestellt werden.
3D-gedrucktes Titan findet zahlreiche Anwendungen in der Fertigung, im Gesundheitswesen, in der Weltraumforschung und in anderen Bereichen. Werfen wir einen Blick darauf, warum sich Titan so gut für die additive Fertigung eignet und welche aktuellen Anwendungen es gibt.
1. Anwendung einer 3D-Druck-Titanlegierung
Mit dem 3D-Druck können sehr dünnwandige, komplizierte Titanteile hergestellt werden. Aus diesem Grund werden damit Uhrengehäuse wie die hier abgebildeten Panerai- und Holthinrichs-Uhren hergestellt, die angeblich Teil der Apple Watch Ultra sind.
Im Jahr 2023 brachte der Smartphone-Hersteller Honor ein neues Falttelefon Magic V2 auf den Markt, das eine 3D-gedruckte Scharnierabdeckung aus Titanlegierung verwendet, die leichter und 150 % stärker ist als die vorherige Version aus Aluminiumlegierung. Das Unternehmen behauptet, dass dieses kleine Stück Titanmetall mithilfe der 3D-Drucktechnologie in Zehntausende Titanbleche gedruckt werden kann, was auch der Schlüssel für das langlebige und reibungslose Falten und Entfalten des Produkts ist.
Medizinische und Zahnimplantate

In der medizinischen Industrie werden 3D-gedruckte Titanimplantate aufgrund der Biokompatibilität und der guten mechanischen Eigenschaften des Metalls selbst sowie der Fähigkeit des 3D-Drucks, die poröse Struktur individuell anzupassen (Osseointegration) zu erreichen, erfolgreich in Wirbelsäulen-, Hüft-, Knie- und Gliedmaßengelenken eingesetzt ) und Massenanpassung, wodurch bessere Behandlungsergebnisse für die Patienten erzielt werden.
3D-gedruckte Titanimplantate erfreuen sich zunehmender behördlicher Zulassung und Nachfrage. Da die meisten medizinischen Implantate für eine große Gruppe von Menschen mit derselben Erkrankung hergestellt werden, sind sie nicht für jeden geeignet. Menschen mit seltenen Krankheiten werden oft ausgeschlossen. Mit der 3D-Drucktechnologie ist es nun möglich, Implantate herzustellen, die speziell für den einzelnen Patienten entwickelt wurden.
Im Jahr 2023 führte ein Chirurg im Vereinigten Königreich am selben Tag vier Handgelenksoperationen durch und verwendete dabei patientenspezifische 3D-gedruckte Titanplatten, um eine zuvor gebrochene Deformation des Handgelenksknochens zu korrigieren. „Sobald dieser Planungsprozess abgeschlossen ist“, sagte Dr. Akshay Malhotra, beratender orthopädischer Chirurg und klinischer Leiter für Hand- und Handgelenkchirurgie an den Universitätskliniken der North Midlands, werden maßgeschneiderte Platten mit Titanpulver gedruckt, dann getestet, nach Großbritannien verschickt und im Bezirkskrankenhaus zur Vorbereitung auf die Operation sterilisiert.
Im Jahr 2022 stießen Ärzte der Manipal-Krankenhäuser in Indien auf einen Krebspatienten, dessen Tumor seine Rippen zerstörte, und wandten sich daher dem 3D-gedruckten Titan zu. Im Allgemeinen sind Implantate dieser Größenordnung zu schwer für den menschlichen Körper. Da Titan jedoch leicht und stark ist, ist es möglich, patientenspezifische Ersatzteile mit einem Gewicht von weniger als 250 Gramm in 3D zu drucken. Dank des Erfolgs des 3D-gedruckten Implantats erholte sich der Patient vollständig und kehrte zu seinem normalen Leben zurück, ohne auf externe Maschinen zur Atmung angewiesen zu sein.
In einem Versuch mit Knöchelknochenersatzoperationen unter Verwendung maßgeschneiderter, 3D-gedruckter Titan-Talas-Knochen berichteten Patienten über positive Ergebnisse. Knochenersatz bedeutet, dass Patienten keinen vollständigen Sprunggelenkersatz benötigen. Der Talus ist ein sehr spezifisches anatomisches Merkmal des Patienten und erfordert ein einzigartiges 3D-Teil, das auf der Grundlage der CT-Scandaten des Patienten entworfen wurde.
Die US-amerikanische Food and Drug Administration hat im Jahr 2023 eine große Anzahl 3D-gedruckter Titanimplantate zugelassen, bei denen es sich hauptsächlich um Wirbelsäulenimplantate handelt.
Restor3ds erstes ganz aus Metall (Titan) gefertigtes, patientenspezifisches 3D-gedrucktes Knöchelendoprothesengerät wird 2023 zugelassen.
Das posteriore 3D-gedruckte Titan-Iliosakralgelenk-Fusionsystem Tilink-P von SurGenTec wird 2023 zugelassen.
Das 3D-gedruckte Implantat von FloSpine zur Unterstützung der Wirbelsäule, das Tri-Largo Cervical Spine System, soll 2023 die FDA-Zulassung erhalten.
Das 3D-Zervix-Zwischenkörperfusionssystem (3D-gedruckte Titankonfiguration) von Eminent Spine wird 2023 die FDA-Zulassung erhalten.
Das 3D-gedruckte zervikale Abstandhaltersystem Blackhawk Ti aus Titan von ChoiceSpine wird 2023 die FDA-Zulassung erhalten.
Das Siber Ti-System zur Fusion des Iliosakralgelenks von Corelink (poröses 3D-gedrucktes Titanimplantat mit Nanooberfläche) wird 2023 die FDA-Zulassung erhalten.
Fahrrad
3D-gedrucktes Titan ist in heutigen Performance-Bikes fast üblich, wo jedes Gramm Gewicht zählt und eine hohe Festigkeit entscheidend ist. Titan wird in Kurbeln, Bremshebeln, Vorbauten, Schaltaugen und sogar Vollrahmen verwendet und hat sich als so stark wie Aluminium und so leicht wie Kohlefaser erwiesen, ohne die Nachhaltigkeitsherausforderungen von Kohlefaser.
Kürzlich erläuterte der Fahrradhersteller Carbon Wasp, warum er bei der Herstellung seiner neuesten Aftermarket-Kurbelarme auf Aluminium und Kohlefaser zugunsten des 3D-Drucks von Titan verzichtet.
Apropos Vollrahmen: Der Fahrradhersteller Angel Cycle Works gibt an, dass er einen Volltitanrahmen in einer leichten Komponente in 3D gedruckt hat, was entscheidende Sekunden bei den Rennzeiten einspart und neue Designgeometrien ermöglicht. Sein neues Superbike namens Heaven ist 400 Gramm leichter als die Vorgängerversion. Ein weiterer Volltitanlegierungsrahmen, den Pilot dieses Jahr auf den Markt bringt, heißt Pilot Seiren. Der Rahmen des Rennrads besteht vollständig aus 3D-gedrucktem Titan (in drei Teile unterteilt). Das Unternehmen gibt an, dass es durch den 3D-Druck von Titan möglich sei, das Fahrrad an die Vorlieben des Fahrers anzupassen, und dass der Rahmen weder lackiert noch beschichtet werden müsse.
In der Luft- und Raumfahrtindustrie gibt es derzeit mehrere auf Titan basierende Rapid-Prototyping-Teile im kommerziellen und militärischen Einsatz, und viele weitere Prototypen werden derzeit von der FAA zertifiziert. 3D-Druck-Titan wird für sein niedriges „Buy-to-Fly-Verhältnis“ geschätzt, ein Begriff aus der Luft- und Raumfahrt, der sich auf die Korrelation zwischen dem Gewicht des Ausgangsmaterials und dem Gewicht des gedruckten Teils bezieht.
Mehrere auf die Luft- und Raumfahrt-, Verteidigungs- und Raumfahrtmärkte spezialisierte Vertragshersteller wie Primus Aerospace, StarHagen Aerospace und Zeda haben in 3D-Drucker investiert, die Prototypen und Endteile von Titanteilen herstellen können.

Im Jahr 2023 kündigte GKN Aerospace Pläne zum Bau einer riesigen 3D-Druckzelle für den 3D-Druck von Titan-Flugzeugstrukturen als Teil seines neuen globalen Technologiezentrums in Texas an. Der Drucker namens Cell 3 kann Titanteile mit einer Länge von fünf Metern herstellen.
Herstellung
Der Halbleiterhersteller ASML hat sich aus ganz anderen Gründen für den 3D-Druck von Titan entschieden. Jetzt werden seine Titan-Trägerschalen-Vorformen (die bei der Waferproduktion verwendet werden) 3D-gedruckt statt geschmiedet, wodurch 64 % der Rohstoffe eingespart werden. Und es wird schneller geliefert. Norsk Titanium, ein Unternehmen für die additive Fertigung von Metallen, das eine Directed Energy Deposition (DED)-Plattform nutzt, druckt 80 Kilogramm (ca. 176 Pfund) endkonturnahe Vorformen (die in der Halbleiterwaferproduktion verwendet werden) mit Ti64.
Norsk hat die Vorform mit dem niederländischen Partner Hittech Group entwickelt und sie wird laut Norsk in den Lithografiesystemen von ASML verwendet. ASML, ebenfalls mit Sitz in den Niederlanden, war in den letzten Jahren angesichts der Chipknappheit eines der am meisten diskutierten Unternehmen weltweit. ASML ist insbesondere für die Herstellung der weltweit einzigen Lithografiemaschine für extremes Ultraviolett (EUV) bekannt.
Sogar die US-Marine hat damit begonnen, 3D-gedrucktes Titan einzuführen, um Zeit und Geld zu sparen und die Abhängigkeit von ausländischen Lieferketten zu beseitigen. Ohne inländische Kapazitäten zur Herstellung der großen Titangussteile, die für Hochleistungskreiselpumpen benötigt werden, litt die Marine unter langen Vorlaufzeiten und einer Lieferkette, die teure, kohlenstoffintensive Titanrohstoffe verwendete. Durch die Zusammenarbeit mit den neuen inländischen Partnern IperionX Company zur Herstellung von recyceltem Titanpulver und Carver Pump Company für die Rapid-Prototyping-Herstellung wird die Marine jedoch schon bald in der Lage sein, den Lieferzyklus wichtiger Teile deutlich zu verkürzen, die Verfügbarkeit der Ausrüstung zu verbessern und die kritischen Baustoffe von Building America nachhaltig zu recyceln Titan-Lieferkette.