دليل الطباعة ثلاثية الأبعاد من التيتانيوم

يعد التيتانيوم أحد المعادن الأكثر استخدامًا في التصنيع الإضافي ويستخدم على نطاق واسع في مجال الطيران واستبدال المفاصل والأدوات الجراحية وإطارات السباق والدراجات والإلكترونيات وغيرها من المنتجات عالية الأداء.
توفر سبائك التيتانيوم والسبائك القائمة على التيتانيوم قوة ميكانيكية عالية، ونسبة قوة إلى وزن عالية، ومقاومة أفضل للتآكل من الفولاذ المقاوم للصدأ. ويمكن لهذه المادة أن تجعل الصواريخ والطائرات أخف وزنا، مما يوفر الوقود ويزيد من سعة الحمولة. ويمكنه أيضًا جعل المنتجات الإلكترونية مثل الهواتف الذكية ونظارات الواقع الافتراضي أخف وزنًا. وينطبق الشيء نفسه على الغرسات الطبية. علاوة على ذلك، إذا قمت بدمج الصفات المتأصلة للتيتانيوم مع القدرات الفريدة للطباعة ثلاثية الأبعاد، فإن المزايا تتضاعف.
أجزاء من التيتانيوم مطبوعة ثلاثية الأبعاد: مفاصل الورك من GE Additive، وشفرات المروحة من Sciaky، ورؤوس الصواريخ من Arcam Darker، ومكونات شبكة التيتانيوم من 3D Systems، ودعامات التيتانيوم من EOS، وزرع العمود الفقري الجراحي من Zenith Tecnica.
يمكن لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد أن تجعل هذا المعدن الباهظ الثمن أكثر كفاءة مع انخفاض استهلاك المواد الخام وتقليل الخردة. باعتبارها تقنية نماذج أولية سريعة، تستخدم الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد عادةً فقط كمية المواد اللازمة لصنع الجزء، وهيكل دعم قليل نسبيًا.
تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد أيضًا تصميمات معقدة مثل القنوات الداخلية والأجزاء المجوفة أو المملوءة بالشبكات لتقليل الوزن، وهو أمر غير ممكن بأي طريقة تصنيع أخرى. نظرًا لعدم الحاجة إلى قوالب أو أدوات، يمكن لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد المصنوعة من التيتانيوم إنشاء أجزاء فريدة من نوعها مثل الغرسات الخاصة بالمريض والنماذج الأولية وأدوات البحث بشكل فعال من حيث التكلفة.
يحتوي التيتانيوم المطبوع ثلاثي الأبعاد على العديد من التطبيقات في التصنيع والرعاية الصحية واستكشاف الفضاء وغيرها من المجالات. دعونا نلقي نظرة على سبب كون التيتانيوم مناسبًا جدًا للتصنيع الإضافي وتطبيقاته الحالية.
1. تطبيق سبائك التيتانيوم الطباعة ثلاثية الأبعاد
يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد إنشاء أجزاء معقدة للغاية من التيتانيوم، ولهذا السبب يتم استخدامها لصنع علب الساعات، مثل ساعات Panerai وHolthinrichs الموضحة هنا، والتي يُشاع أنها جزء من Apple Watch Ultra.
في عام 2023، أطلقت الشركة المصنعة للهواتف الذكية Honor هاتفًا جديدًا قابلاً للطي Magic V2، والذي يستخدم غطاء مفصلي مصنوع من سبائك التيتانيوم مطبوعًا ثلاثي الأبعاد، وهو أخف وزنًا وأقوى بنسبة 150٪ من الإصدار السابق المصنوع من سبائك الألومنيوم. تدعي الشركة أنه يمكن طباعة هذه القطعة الصغيرة من معدن التيتانيوم على عشرات الآلاف من صفائح معدن التيتانيوم من خلال تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، والتي تعد أيضًا مفتاح طي المنتج وفتحه بسلاسة وطويلة الأمد.
زراعة الأسنان والطبية

في الصناعة الطبية، تم استخدام غرسات التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد بنجاح في مفاصل العمود الفقري والورك والركبة والأطراف بسبب التوافق الحيوي والخصائص الميكانيكية الجيدة للمعدن نفسه، إلى جانب قدرة الطباعة ثلاثية الأبعاد على تخصيص البنية المسامية (تحقيق الاندماج العظمي). ) والتخصيص الشامل، وبالتالي تحقيق نتائج علاجية أفضل للمرضى.
تكتسب غرسات التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد موافقة وطلبًا متزايدًا من الجهات التنظيمية. وبما أن معظم الغرسات الطبية يتم إجراؤها لمجموعة كبيرة من الأشخاص الذين يعانون من نفس الحالة، فهي ليست مناسبة للجميع. غالبًا ما يتم استبعاد الأشخاص المصابين بأمراض نادرة. الآن، مع تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، أصبح من الممكن إنتاج غرسات مصممة خصيصًا للمرضى الأفراد.
في عام 2023، أجرى جراح في المملكة المتحدة أربع عمليات جراحية للرسغ في نفس اليوم، باستخدام ألواح التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد الخاصة بالمريض لتصحيح تشوه عظم الرسغ المكسور سابقًا. وقال الدكتور أكشاي مالهوترا، استشاري جراحة العظام والقائد السريري لجراحة اليد والمعصم في المستشفيات الجامعية في شمال ميدلاندز: "بمجرد اكتمال عملية التخطيط هذه، تتم طباعة اللوحات المصنوعة حسب الطلب باستخدام مسحوق التيتانيوم، ثم يتم اختبارها وشحنها إلى المملكة المتحدة و وتم تعقيمها في مستشفى المقاطعة استعدادًا لإجراء الجراحة.
في عام 2022، واجه الأطباء في مستشفيات مانيبال في الهند مريضًا بالسرطان كان ورمه يدمر أضلاعه، فلجأوا إلى التيتانيوم المطبوع ثلاثي الأبعاد. بشكل عام، تكون الغرسات من هذا المستوى ثقيلة جدًا بحيث لا يستطيع جسم الإنسان تحملها، ولكن نظرًا لأن التيتانيوم خفيف الوزن وقوي، فمن الممكن طباعة بدائل خاصة بالمريض ثلاثية الأبعاد تزن أقل من 250 جرامًا. وبفضل نجاح عملية الزرع المطبوعة ثلاثية الأبعاد، تعافى المريض تماما وعاد إلى حياته الطبيعية دون الاعتماد على آلات خارجية لمساعدته على التنفس.
في تجربة جراحة استبدال عظم الكاحل باستخدام عظام تالاس المصنوعة من التيتانيوم والمطبوعة ثلاثية الأبعاد والمصممة خصيصًا للمريض، أبلغ المرضى عن نتائج إيجابية. استبدال العظام يعني أن المرضى لا يحتاجون إلى استبدال كامل للكاحل. يعتبر الكاحل سمة تشريحية محددة جدًا للمريض، وتتطلب جزءًا ثلاثي الأبعاد فريدًا مصممًا بناءً على بيانات الأشعة المقطعية للمريض.
وافقت إدارة الغذاء والدواء الأمريكية على عدد كبير من غرسات التيتانيوم المطبوعة ثلاثية الأبعاد في عام 2023، والتي تتضمن بشكل أساسي زراعة العمود الفقري.
ستتم الموافقة على أول جهاز خاص بمريض تقويم مفاصل الكاحل مصنوع من المعدن بالكامل (التيتانيوم) من Restor3d في عام 2023.
ستتم الموافقة على نظام دمج المفصل العجزي الحرقفي الخلفي المطبوع ثلاثي الأبعاد من SurGenTec Tilink-P في عام 2023.
من المقرر أن تحصل غرسة FloSpine المطبوعة ثلاثية الأبعاد لدعم العمود الفقري، نظام Tri-Largo Cervical Spine System، على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) في عام 2023.
سيحصل نظام الدمج بين أجسام عنق الرحم ثلاثي الأبعاد (تكوين التيتانيوم المطبوع ثلاثي الأبعاد) من Eminent Spine على موافقة إدارة الغذاء والدواء (FDA) في عام 2023.
سيحصل نظام فاصل عنق الرحم المطبوع ثلاثي الأبعاد من التيتانيوم Blackhawk Ti من ChoiceSpine على موافقة إدارة الغذاء والدواء في عام 2023.
سيحصل نظام دمج المفاصل العجزي الحرقفي Siber Ti من Corelink (المسامي، سطح النانو، زرع التيتانيوم المطبوع ثلاثي الأبعاد) على موافقة إدارة الغذاء والدواء في عام 2023.
دراجة هوائية
يعد التيتانيوم المطبوع ثلاثي الأبعاد أمرًا شائعًا تقريبًا في دراجات الأداء اليوم، حيث يعد كل أونصة من الوزن والقوة العالية أمرًا بالغ الأهمية. عند استخدامه في السواعد، وأذرع المكابح، والسيقان، وشماعات التروس، وحتى الإطارات الكاملة، أثبت التيتانيوم أنه قوي مثل الألومنيوم وخفيف مثل ألياف الكربون دون تحديات الاستدامة التي تفرضها ألياف الكربون.
في الآونة الأخيرة، قامت شركة تصنيع الدراجات Carbon Wasp بتفصيل سبب تخليها عن الألومنيوم وألياف الكربون لصالح طباعة التيتانيوم ثلاثية الأبعاد لإنشاء أحدث أذرع الكرنك لما بعد البيع.
عند الحديث عن الإطارات الكاملة، تقول الشركة المصنعة للدراجات Angel Cycle Works إنها قامت بطباعة إطار ثلاثي الأبعاد بالكامل من التيتانيوم في مكون واحد خفيف الوزن، مما يقلل الثواني الحاسمة من أوقات السباق ويتيح تصميمًا هندسيًا جديدًا. دراجتها الخارقة الجديدة، والتي تسمى Heaven، أخف وزنًا بمقدار 400 جرام من الإصدار السابق. إطار آخر مصنوع بالكامل من سبائك التيتانيوم أطلقته شركة Pilot هذا العام يسمى Pilot Seiren. إطار دراجة الطريق مطبوع بالكامل بتقنية ثلاثية الأبعاد من التيتانيوم (مقسم إلى ثلاثة أجزاء). وتقول الشركة إن طباعة التيتانيوم ثلاثية الأبعاد تسمح لها بتخصيص الدراجة حسب تفضيلات الراكب، ولا يتطلب الإطار أي طلاء أو طلاء.
في صناعة الطيران، يوجد حاليًا العديد من أجزاء النماذج الأولية السريعة القائمة على التيتانيوم للاستخدام التجاري والعسكري، والعديد من النماذج الأولية الأخرى في طور التصديق من قبل إدارة الطيران الفيدرالية. يتم تقدير قيمة التيتانيوم في الطباعة ثلاثية الأبعاد بسبب "نسبة الشراء إلى الطيران" المنخفضة، وهو مصطلح فضائي يشير إلى العلاقة بين وزن المادة الأولية ووزن الجزء المطبوع.
العديد من الشركات المصنعة للعقود المتخصصة في أسواق الطيران والدفاع والفضاء، مثل Primus Aerospace وStarHagen Aerospace وZeda، استثمرت في طابعات ثلاثية الأبعاد قادرة على إنتاج نماذج أولية لأجزاء التيتانيوم والأجزاء النهائية.

في عام 2023، أعلنت شركة GKN Aerospace عن خطط لبناء خلية طباعة ثلاثية الأبعاد ضخمة لطباعة هياكل طائرات التيتانيوم ثلاثية الأبعاد كجزء من مركزها التكنولوجي العالمي الجديد في تكساس. ويمكن للطابعة، التي تسمى الخلية 3، أن تصنع أجزاء من التيتانيوم يبلغ طولها خمسة أمتار.
تصنيع
تحولت الشركة المصنعة لأشباه الموصلات ASML إلى طباعة التيتانيوم ثلاثية الأبعاد لأسباب مختلفة تمامًا. والآن تتم طباعة قوالب صينية حامل التيتانيوم (المستخدمة في إنتاج الرقاقات) بتقنية ثلاثية الأبعاد بدلاً من تزويرها، مما يوفر 64% من المواد الخام. ويتم تسليمها بشكل أسرع. تقوم شركة Norsk Titanium، وهي شركة تصنيع إضافات معدنية تستخدم منصة ترسيب الطاقة الموجهة (DED)، بطباعة 80 كيلوجرامًا (حوالي 176 رطلاً) من القوالب شبه الشبكية (المستخدمة في إنتاج رقائق أشباه الموصلات) باستخدام Ti64.
طورت نورسك النموذج مع الشريك الهولندي Hittech Group، ووفقًا لنورسك، يتم استخدامه في أنظمة الطباعة الحجرية الخاصة بـ ASML. كانت ASML، ومقرها أيضًا في هولندا، واحدة من أكثر الشركات التي تمت مناقشتها في العالم وسط نقص الرقائق في السنوات القليلة الماضية. وعلى وجه التحديد، تشتهر ASML بإنتاج آلة الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUV) الوحيدة في العالم.
وحتى البحرية الأمريكية بدأت في اعتماد التيتانيوم المطبوع ثلاثي الأبعاد لتوفير الوقت والمال والقضاء على الاعتماد على سلاسل التوريد الأجنبية. وبدون القدرات المحلية لتصنيع مصبوبات التيتانيوم الكبيرة اللازمة لمضخات الطرد المركزي عالية الأداء، عانت البحرية من فترات انتظار طويلة وسلسلة توريد تستخدم مواد خام التيتانيوم عالية التكلفة وكثيفة الكربون. ولكن قريبًا، من خلال التعاون مع شركاء محليين جدد مثل شركة IperionX لإنتاج مسحوق التيتانيوم المعاد تدويره وشركة Carver Pump Company لتصنيع النماذج الأولية السريعة، ستتمكن البحرية من تقصير دورة تسليم الأجزاء الرئيسية بشكل كبير، وتحسين توافر المعدات، وإعادة تدوير بناء أمريكا الحيوية بشكل مستدام. سلسلة توريد التيتانيوم.