銅、沙子、鋁化物……我們已經(jīng)討論過(guò)許多用于3D打印的材料。今天，我們將重點(diǎn)介紹鈦。鈦是一種過(guò)渡金屬，在自然界中從未以純凈形式存在。為了提取鈦，需要使用金紅石（TiO2）和鈦鐵礦（FeTiO3）等礦物，并經(jīng)過(guò)復(fù)雜的工藝流程。

盡管該工藝可以生產(chǎn)純鈦，但仍然非常耗能。所得金屬純度通?？蛇_(dá)99.9%，常與其他金屬合金化以制成高性能合金。憑借其優(yōu)異的特性，鈦已成為醫(yī)療、航空航天和汽車等領(lǐng)域增材制造的首選材料。它有哪些優(yōu)勢(shì)和特性？可以使用哪些3D打印技術(shù)？

圖片來(lái)源：Freepik

鈦有哪些特性？

鈦，符號(hào)為Ti，原子序數(shù)為22，是一種因其實(shí)用性和多功能性而備受推崇的材料。它以輕質(zhì)、高強(qiáng)度、低毒性和高耐腐蝕性而著稱，使其適用于眾多應(yīng)用領(lǐng)域。此外，鈦的強(qiáng)度接近鋼材，但重量卻輕約40%，因此特別適合制造輕質(zhì)耐用的零件。鈦還具有耐鹽水、耐化學(xué)腐蝕和耐磨損的特性，使其成為極端環(huán)境的理想材料。除了優(yōu)異的機(jī)械性能外，鈦還具有卓越的熱性能，能夠承受高達(dá)600°C的高溫。相反，即使在極低的溫度下，鈦也能保持穩(wěn)定。

這種材料難以加工，主要原因是其導(dǎo)熱性低。加工過(guò)程中，與數(shù)控機(jī)床一樣，大部分熱量會(huì)被機(jī)床吸收，導(dǎo)致快速磨損。此外，加工過(guò)程中材料去除會(huì)產(chǎn)生大量廢料。面對(duì)這些挑戰(zhàn)，許多公司正在尋求更高效的鈦零件生產(chǎn)方法。金屬3D打印因此成為一種很有前景的解決方案。

圖片來(lái)源：AM Material

用于3D打印的不同鈦合金

如前所述，鈦在3D打印中通常以合金形式使用，但由于其良好的生物相容性，純鈦也可提取用于特定應(yīng)用，例如醫(yī)療領(lǐng)域。多種鈦合金可用于3D打印，其中最常見(jiàn)的是Ti6Al-4V 5級(jí)（Ti64），這是一種鈦、鋁和釩的混合物，因其耐熱性和耐腐蝕性而備受青睞。其他合金包括適用于醫(yī)療假體和植入物的Ti6Al-4V 23級(jí)，以及強(qiáng)度更高、抗氧化性更強(qiáng)的鈦β21S，后者用于骨科植入物和航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)。純鈦（Cp-Ti）也因其良好的生物相容性而應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。最后，由鈦、鋁和鋯組成的TA15合金因其在航空航天和發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)制造耐高溫部件方面的應(yīng)用價(jià)值而備受青睞。

在3D打印領(lǐng)域，鈦合金比純鈦更受歡迎，因?yàn)樗鼈兏m合復(fù)雜的應(yīng)用。雖然純鈦以其輕質(zhì)、耐腐蝕和生物相容性而聞名，但它也存在一些局限性，有時(shí)會(huì)降低其效率。事實(shí)上，純鈦的韌性、硬度和抗疲勞性相對(duì)較低，這對(duì)于需要能夠承受高載荷和反復(fù)應(yīng)力的應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)問(wèn)題。

圖片來(lái)源：Materialise

使用了哪些3D打印技術(shù)？

在3D打印中，鈦通常以金屬粉末或線材的形式使用，具體取決于所選技術(shù)。多種技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鈦打印，為零件制造提供多種解決方案。其中最常見(jiàn)的技術(shù)之一是能量集中沉積（DED）。在該工藝中，粉末或線材形式的鈦被沉積下來(lái)，然后使用激光等能量源將其熔化。另一種常用的方法是激光粉末床熔融（L-PBF），也稱為直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）或選擇性激光熔化（SLM）。該技術(shù)使用激光逐層熔化金屬粉末顆粒，從而制造出高精度鈦零件，例如由Ti6Al4V合金制成的零件。

電子束熔化(EBM)打印也用于打印鈦合金。它與激光打印不同，是在真空環(huán)境下使用電子束，特別適合制造高強(qiáng)度鈦合金零件，例如航空航天工業(yè)中使用的零件。此外，粘結(jié)劑噴射(BJ)3D打印是另一種方法，它將鈦粉與粘結(jié)劑粘合，然后通過(guò)燒結(jié)工藝固化。

盡管鈦合金3D打印前景廣闊，但仍存在一些值得關(guān)注的挑戰(zhàn)。首先，由于鈦合金價(jià)格昂貴，生產(chǎn)成本較高，鈦合金比其他增材制造材料更貴。此外，打印工藝的復(fù)雜性和零件的后處理要求也增加了成本。而且，可用于3D打印的鈦合金種類少于其他金屬，這會(huì)增加采購(gòu)難度并提高成本。最后，鈦合金零件打印完成后通常需要精細(xì)的后處理，例如去除支撐結(jié)構(gòu)、熱處理和拋光，才能達(dá)到所需的質(zhì)量。這些額外的步驟不僅會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間，還會(huì)增加成本。

鈦合金3D打印有哪些應(yīng)用？

在航空航天領(lǐng)域，鈦的3D打印已成為制造關(guān)鍵部件（包括渦輪葉片、支架和結(jié)構(gòu)件）的必要手段。這種金屬因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度和耐極端溫度的獨(dú)特組合而備受青睞。在醫(yī)療領(lǐng)域，鈦因其生物相容性和耐腐蝕性而長(zhǎng)期被廣泛應(yīng)用。從假體到個(gè)性化植入物，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)提供更好的治療效果和縮短手術(shù)時(shí)間，徹底改變了醫(yī)療行業(yè)，Amnovis公司生產(chǎn)的植入物便是最好的例證。

Amnovis公司生產(chǎn)的鈦合金植入體（圖片來(lái)源：Amnovis公司）

汽車行業(yè)也越來(lái)越多地采用鈦合金3D打印技術(shù)來(lái)減輕車輛重量并提高燃油效率。這項(xiàng)技術(shù)被用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)部件、排氣系統(tǒng)、懸架部件，甚至底盤(pán)部件。此外，它還在不斷拓展到其他工業(yè)領(lǐng)域，例如模具、夾具和緊固件。事實(shí)上，它能夠生產(chǎn)出滿足特定需求的復(fù)雜工具和結(jié)構(gòu)。

編譯整理：3dnatives