钛合金的3D打印技术在各领域中的应用

时间:2021-07-23 来源:网络

3D打印技术从20世纪90年代开始出现,其发展的基础是高能量热熔覆技术和快速原型技术,与传统制造技术相比,不用经过各种刀具的切割和多种繁用3D打印技术制造的钛合金零部件,强度非常高,尺寸精确,其机械性能优于锻造工艺。钛合金因其良好的生物相容性及优异的机械性能,最主要的应用即为生物医用材料、航空航天、精密仪器等。


钛合金材料在3D打印材料中的具有结构优势

1.比强度高。钛合金的密度仅为钢的60%,纯钛的强度接近普通钢的强度,一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,可制造出单位强度高、刚性好、质量轻的零部件。目前飞机的发动机构件、骨架、蒙皮、紧固件及起落架等都使用钛合金。
2.热强度高。钛合金的使用温度比铝合金高几百度,可在450℃~500℃的温度下长期工作。而铝合金的工作温度则在200℃以下。
3.抗蚀性好。钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢,对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强。
4.低温性能好。钛合金在低温下仍能保持其力学性能。比如TA7,在-253℃下还能保持一定的塑性。因此,钛合金也是一种重要的低温结构材料。
钛合金3D打印技术在医疗器具中的应用
现代医疗中,钛合金技术已经得到应用,如人工关节。随着医疗水平的提高,人们对于人工关节或者其他的复合材料在身体中的应用也提出更高要求,这些应用于人体的材料应有更好的接触性和相容性,同时还应完成相应的功能。钛合金3D打印技术生产的人工关节确保关节具有良好的耐磨界面,同时能够很好地与骨组织进行容和,提高人工关节的质量和医疗水平。
中国“3D打印钛合金组配式人工半骨盆假体”实现成果转化
北京大学人民医院骨肿瘤科郭卫教授团队研发的通用骨盆环重建系统“3D打印钛合金组配式人工半骨盆假体”在2021年2月下旬在北京实现转化,帮助恶性骨盆肿瘤患者术后有尊严地站立行走。
澳科研机构研发出3D打印镍钛合金血管支架
澳大利亚联邦科学与工业研究组织近日发布公报说,该机构科研人员研发出一种自膨型3D打印血管支架,可以根据患者血管特点定制,从而更好地治疗外周动脉狭窄等疾病。研究人员认为,根据患者特点定制的3D打印镍钛合金血管支架,可更好地帮助患者恢复健康。医生可以在医院等现场指导打印出这种血管支架,还可以节约库存支架等方面的费用。
钛合金3D打印技术在航空航天领域的应用
3D打印技术最早于2001年开始应用于美国的舰载歼击机中,通过钛合金3D打印技术生产出飞机的承力结构件并应用于航空生产。2011年英国的南安普顿大学通过3D打印技术生产出包括无人机的机翼、控制面板和舱门的整体框架。2012年之后,钛合金3D打印技术在航空领域的应用取得前所未有的发展,钛合金部件不仅在飞机制造中得到广泛的应用,并且新型的钛合金材料开始在火箭、航天飞机等航天设备中得到应用。
全球最大3D打印钛合金火箭七天就能造出一枚
2019年底,在德国法兰克福举行的全球最大3D打印贸易展上,Titomic展出其制造的一枚5.5米高的钛合金火箭,这是目前全球最大的3D打印钛合金火箭。这枚火箭是昆士兰Gilmour Space技术公司制造的27米火箭的缩小版模型,整体制造完成只用了27.6小时。
TITOMIC开发出“最大”的3D打印钛合金无人机
澳大利亚金属3D打印机制造商Titomic开发了据称最大的3D打印无人机(UAV)。1.8米(直径)钛合金无人机是使用Titomic Kinetic Fusion(TKF)创建的,该公司的专利增材制造工艺符合军用标准。
3D打印3.07米高钛合金材质C919中央翼缘条
在C919的设计验证阶段,中央翼缘条的成功试制贡献巨大,传统工艺6个月才能完成的制造工作,用金属3D打印技术耗时仅仅5天,并且一次成形,一次成功,金属原料钛合金涂层粉末,更是几乎没有半点浪费。金属3D打印出的蜂窝状金属结构体,因良好的力学性能,轻量化、拓扑优化的特点,可以广泛应用于对材料要求极其严苛的航空航天航发领域。比如,替代传统技术所生产的机翼、机身材料,在坚固结实的同时,大大地减轻航空航天器材自重,设计人员就无需再经常为减重而不得不牺牲飞机性能,牺牲武器挂载。目前航空航天航发领域打印的两万余件零部件,在产品结构优化和功能提升的同时,均实现了整体结构减重,最高减重超过60%。
钛合金增材制造技术的分析和未来趋势
随着3D打印技术的发展,钛合金3D打印技术会在工程材料的各个方面得到应用。钛合金3D打印技术生产的钛合金完全可以替换传统钛合金材料。随着科学技术的进步,钛合金材料的应用范围将不仅仅局限于航空航天、国防和医疗卫生方面,钛合金3D打印技术也会不断的完善和发展。钛合金3D打印技术才刚开始,他的发展还需要不断改进和完善,需要科研院校和机构的共同努力。钛合金3D打印技术必向着生产复杂化、高精度化、大型化以及低成本的方向发展。同时,3D打印技术也会在各个领域得到应用,实现生产的快速化,促进我国制造业的快速发展,大力提高我国的经济发展速度。

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