钛3D打印–终极指南

魔猴君知识堂 159天前

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钛合金15.99元/克

钛是增材制造中最常用的金属之一，广泛应用于航空航天、关节置换和手术工具、赛车和自行车车架、电子产品和其他高性能产品。

钛和钛基合金具有高机械强度、高强度重量比以及比不锈钢更好的耐腐蚀性。这种材料能使火箭和飞机更轻，从而节省燃料并提高有效载荷能力。它还能使智能手机和VR眼镜等电子产品重量更轻。医疗植入物也是如此。此外，如果将钛的固有品质与3D打印的独特功能结合起来，优势将成倍增加。

3D打印钛部件：GE Additive的髋关节、Sciaky的风扇叶片、Arcam Darker的火箭尖端、3D Systems的钛晶格组件、EOS的钛支架、Zenith Tecnica的外科脊柱植入物。

3D打印技术能以更低的原材料消耗和更少的废料，更高效地制造这种昂贵的金属。作为一种快速成型技术，金属3D打印通常只使用制造零件所需的材料量，以及相对较少的支撑结构用量。

3D打印还能实现复杂的设计，如内部通道、空心或格子填充部件以减轻重量，这是其他任何制造方法都无法实现的。由于不需要模具或工具，钛合金3D打印技术可以制造出具有成本效益的独一无二的部件，如病人专用植入物、原型和研究工具。

3D打印钛在制造业、医疗保健、太空探索等领域的应用不胜枚举。让我们来看看为什么钛如此适合增材制造，以及它目前的应用领域。

一、3D打印钛合金用途

精密产品和电子产品

3D打印可以制造出非常薄壁、错综复杂的钛金属零件，这也是它被用于制造手表表壳的原因，如图中的沛纳海和Holthinrichs手表，据传即将成为Apple Watch Ultra的一部分。

2023款荣耀Magic V2折叠智能手机使用的3D打印钛合金铰链移位盖（来源：荣耀）

2023年，智能手机制造商Honor推出了新款折叠手机Magic V2，采用了3D打印的钛合金铰链移盖，比之前的铝合金版本更轻，强度也提高了150%。该公司称，这一小块钛金属可以通过3D打印技术打印出数以万计的钛金属片，这也是该产品能够持久、顺畅地折叠和展开的关键所在。

医疗和牙科植入物

美国Orthofix Medical的3D打印钛植入物Construx Mimi Ti Spacer System于2021年获得美国FDA批准

（来源：Orthofix）

在医疗行业，3D打印钛植入物成功应用于脊柱、髋关节、膝关节和四肢，这是因为这种金属本身具有生物兼容性和良好的机械性能，再加上3D打印能够定制多孔结构（实现骨整合）和大规模定制，从而为患者带来更好的治疗效果。

3D打印钛植入物正获得越来越多的监管批准和需求。由于大多数医疗植入物都是为一大批患有相同病症的人制造的，因此并不适合所有人。患有罕见疾病的人往往被排除在外。现在，有了3D打印技术，就有可能生产出专为个别患者设计的植入体。

2023年，英国的一名外科医生在同一天内完成了四次手腕手术，用病人专用的3D打印钛板矫正了先前断裂的腕骨畸形。"北米德兰兹大学医院（University Hospitals of North Midlands）的骨科顾问外科医生兼手部和腕部手术临床负责人阿克谢-马尔霍特拉博士说："一旦完成这一规划过程，就会使用钛粉打印出定制的钢板，然后进行测试，运往英国，并在县医院进行消毒，为手术做好准备。

CoreLink的3D打印钛螺钉具有促进骨骼生长的多孔结构，以及FingerKit Consortium的新型患者专用钛手指关节。

2022年，印度马尼帕尔医院（Manipal Hospitals）的医生遇到了一位肿瘤正在摧毁其肋骨的癌症患者，于是他们求助于3D打印钛。一般来说，这种程度的植入物太重，人体难以承受，但由于钛金属重量轻、强度高，因此可以3D打印出重量不到250克的病人专用替代物。得益于3D打印植入物的成功，患者完全康复并恢复了正常生活，无需依赖外部机器帮助呼吸。

在一项使用为患者量身定制的3D打印钛合金Talas骨进行踝骨置换手术的试验中，患者报告了积极的结果。骨骼置换意味着患者无需进行全踝关节置换。距骨是病人非常特殊的解剖特征，需要根据病人的CT扫描数据设计独特的3D部件。

美国食品和药物管理局已于2023年批准了大量3D打印钛植入物，主要涉及脊柱植入物。

Restor3d的首款全金属（钛）3D打印踝关节成形术患者专用器械将于2023年获得批准。

SurGenTec公司的后路3D打印钛骶髂关节融合系统TiLink-P将于2023年获得批准。

FloSpine用于支撑脊柱的3D打印植入物Tri-Largo颈椎椎间架系统将于2023年获得FDA批准。

Eminent Spine公司的3D颈椎椎间融合系统（3D打印钛配置）将于2023年获得FDA批准。

ChoiceSpine的钛制Blackhawk Ti 3D打印颈椎垫片系统将于2023年获得FDA批准。

CoreLink的Siber Ti骶髂关节融合系统（多孔、纳米表面、3D打印钛植入物）将于2023年获得FDA批准。

自行车

通过钛3D打印，Angel Cycle Works能够大幅减轻新Heaven自行车的重量并优化设计

（来源：Angle Cycle Works）

3D打印钛合金在当今的高性能自行车中几乎很常见，其中每一盎司的重量都很重要，并且高强度至关重要。钛用于曲柄、刹车手柄、把立、拨链器吊架，甚至全车架，事实证明，钛与铝一样坚固，与碳纤维一样轻，而且没有碳纤维的可持续性挑战。

最近，自行车制造商Carbon Wasp详细介绍了其为何放弃铝和碳纤维，转而使用3D打印钛来制造其最新售后曲柄臂。

说到全车架，自行车制造商Angel Cycle Works表示，它在一个轻质部件中3D打印了全钛合金车架，这在比赛时间中占据了关键的几秒，并实现了新的设计几何形状。其新型超级摩托车名为Heaven，比之前的版本轻400克。Pilot今年推出的另一款全钛合金车架名为Pilot Seiren。这款公路自行车的车架完全由钛合金3D打印而成（分为三个部分）。该公司表示，3D打印钛合金使其能够根据骑手的喜好定制自行车，并且车架不需要任何油漆或涂层。

自行车公司Mythos为客户提供一系列3D打印钛零件，包括这些车把，

而Verve Cycling（右）则提供了新的3D打印钛曲柄。

航天

吉凯恩航空航天公司(GKN Aerospace)计划在其德克萨斯州工厂添加一台新型大型钛金属3D打印机

（来源：吉凯恩航空航天公司）

在航空航天业，目前有几种基于钛的快速成型部件已投入商业和军事使用，还有许多其他原型正在通过美国联邦航空局（FAA）的认证。3D打印钛因其较低的"买飞比"而备受推崇，"买飞比"是一个航空术语，指初始材料重量与打印部件重量之间的相关性。

一些专门从事航空、国防和航天市场的合同制造商，如Primus Aerospace、StarHagen Aerospace和Zeda，已经投资了能够生产钛部件原型和最终部件的3D打印机。

2023年，吉凯恩宇航公司（GKN Aerospace）宣布计划建造一个巨大的3D打印单元，作为其位于德克萨斯州的新全球技术中心的一部分，用于3D打印钛飞机结构。该打印机被称为Cell 3，可以制造五米长的钛金属部件。

由于NASA只需要一个，因此3D打印冷操作月球可展开臂的钛合金勺比传统制造更有意义

（来源：NASA喷气推进实验室）

制造业

出于完全不同的原因，半导体制造商ASML转向了3D打印钛，现在其钛载体托盘预型件（用于晶圆生产）是3D打印的，而不是锻造的，这样可以节省64%的原材料，而且交付速度更快。Norsk Titanium是一家使用定向能沉积(DED)平台的金属增材制造公司，该公司正在用Ti64打印80公斤（约176磅）的近净成形预型件（用于半导体晶片生产）。

Norsk与荷兰合作伙伴Hittech集团合作开发了这种预型件，据Norsk称，这种预型件用于ASML的光刻系统。同样位于荷兰的ASML公司，在过去几年芯片短缺的背景下，一直是全球讨论最多的公司之一。具体来说，ASML以生产世界上唯一的极紫外（EUV）光刻机而闻名。

华盛顿大学制造的3D打印钛合金轮毂支架（来源：华盛顿大学）

就连美国海军也开始采用3D打印钛，以节省时间和金钱，并消除对国外供应链的依赖。由于国内没有能力制造高性能离心泵所需的大型钛铸件，海军受到交货时间长和供应链利用高成本、碳密集型钛原材料的困扰。但很快，通过与国内新合作伙伴IperionX公司合作生产回收钛粉，与Carver Pump公司合作进行快速成型制造，海军将有能力大幅缩短关键零部件的交付周期，提高设备可用性，并可持续地重新构建美国关键的钛金属供应链。

二、了解金属钛