Guide d'impression 3D en titane
Le titane est l'un des métaux les plus couramment utilisés dans la fabrication additive et est largement utilisé dans l'aérospatiale, les outils d'arthroplastie et chirurgicaux, les cadres de course et de vélo, l'électronique et d'autres produits haute performance.
Le titane et les alliages à base de titane offrent une résistance mécanique élevée, un rapport résistance/poids élevé et une meilleure résistance à la corrosion que l'acier inoxydable. Ce matériau pourrait rendre les fusées et les avions plus légers, économisant ainsi du carburant et augmentant la capacité de charge utile. Il peut également alléger les produits électroniques tels que les smartphones et les lunettes VR. Il en va de même pour les implants médicaux. De plus, si l’on combine les qualités inhérentes du titane avec les capacités uniques de l’impression 3D, les avantages sont multipliés.
Pièces en titane imprimées en 3D : articulations de la hanche de GE Additive, pales de ventilateur de Sciaky, pointes de fusée d'Arcam Darker, composants de treillis en titane de 3D Systems, stents en titane d'EOS, implants rachidiens chirurgicaux de Zenith Tecnica.
La technologie d’impression 3D peut rendre ce métal coûteux plus efficace avec une consommation moindre de matières premières et moins de déchets. En tant que technologie de prototypage rapide, l’impression 3D métal utilise généralement uniquement la quantité de matériau nécessaire à la fabrication de la pièce, et relativement peu de structure de support.
L'impression 3D permet également de réduire le poids de conceptions complexes telles que des canaux internes, des pièces creuses ou remplies de treillis, ce qui n'est possible avec aucune autre méthode de fabrication. Puisqu’aucun moule ni outil n’est requis, la technologie d’impression 3D en titane peut créer de manière rentable des pièces uniques telles que des implants spécifiques au patient, des prototypes et des outils de recherche.
Le titane imprimé en 3D a de nombreuses applications dans les domaines de la fabrication, de la santé, de l'exploration spatiale et dans d'autres domaines. Voyons pourquoi le titane est si adapté à la fabrication additive et ses applications actuelles.
1. Application de l'alliage de titane pour impression 3D
L'impression 3D peut créer des pièces en titane complexes et à parois très fines, c'est pourquoi elle est utilisée pour fabriquer des boîtiers de montres, comme les montres Panerai et Holthinrichs illustrées ici, qui, selon les rumeurs, feraient partie de l'Apple Watch Ultra.
En 2023, le fabricant de smartphones Honor a lancé un nouveau téléphone pliable Magic V2, qui utilise un cache de charnière en alliage de titane imprimé en 3D, plus léger et 150 % plus résistant que la version précédente en alliage d'aluminium. La société affirme que ce petit morceau de métal en titane peut être imprimé en dizaines de milliers de feuilles de métal en titane grâce à la technologie d'impression 3D, qui est également la clé du pliage et du dépliage durables et en douceur du produit.
Implants médicaux et dentaires
Dans l'industrie médicale, les implants en titane imprimés en 3D ont été utilisés avec succès dans les articulations de la colonne vertébrale, de la hanche, du genou et des membres en raison de la biocompatibilité et des bonnes propriétés mécaniques du métal lui-même, associées à la capacité de l'impression 3D à personnaliser la structure poreuse (obtenir une ostéointégration ) et la personnalisation de masse, apportant ainsi de meilleurs résultats de traitement aux patients.
Les implants en titane imprimés en 3D obtiennent de plus en plus d’approbations et de demandes réglementaires. Étant donné que la plupart des implants médicaux sont destinés à un grand groupe de personnes souffrant de la même maladie, ils ne conviennent pas à tout le monde. Les personnes atteintes de maladies rares sont souvent exclues. Désormais, grâce à la technologie d’impression 3D, il est possible de produire des implants conçus spécifiquement pour des patients individuels.
En 2023, un chirurgien du Royaume-Uni a réalisé quatre opérations du poignet le même jour, en utilisant des plaques de titane imprimées en 3D spécifiques au patient pour corriger une déformation osseuse du poignet précédemment cassée. "Une fois ce processus de planification terminé", a déclaré le Dr Akshay Malhotra, chirurgien orthopédiste consultant et responsable clinique de la chirurgie de la main et du poignet aux hôpitaux universitaires des North Midlands. Les plaques sur mesure sont imprimées à l'aide de poudre de titane, puis testées, expédiées au Royaume-Uni et stérilisé à l'hôpital du comté en vue d'une intervention chirurgicale.
En 2022, les médecins des hôpitaux Manipal en Inde ont rencontré un patient atteint d'un cancer dont la tumeur détruisait ses côtes. Ils se sont donc tournés vers le titane imprimé en 3D. D’une manière générale, les implants de ce niveau sont trop lourds à supporter pour le corps humain, mais comme le titane est léger et solide, il est possible d’imprimer en 3D des remplacements spécifiques au patient pesant moins de 250 grammes. Grâce au succès de l’implant imprimé en 3D, le patient s’est complètement rétabli et a repris sa vie normale sans recourir à des machines externes pour l’aider à respirer.
Dans un essai de chirurgie de remplacement de l’os de la cheville utilisant des os Talas en titane imprimés en 3D sur mesure, les patients ont rapporté des résultats positifs. Le remplacement osseux signifie que les patients n’ont pas besoin d’une arthroplastie totale de la cheville. Le talus est une caractéristique anatomique très spécifique du patient, nécessitant une pièce 3D unique conçue à partir des données tomodensitométriques du patient.
La Food and Drug Administration des États-Unis a approuvé un grand nombre d’implants en titane imprimés en 3D en 2023, impliquant principalement des implants rachidiens.
Le premier dispositif spécifique au patient pour arthroplastie de cheville imprimé en 3D entièrement en métal (titane) de Restor3d sera approuvé en 2023.
Le système de fusion d'articulations sacro-iliaques postérieures en titane imprimé en 3D de SurGenTec, Tilink-P, sera approuvé en 2023.
L'implant imprimé en 3D de FloSpine pour soutenir la colonne vertébrale, le Tri-Largo Cervical Spine System, devrait recevoir l'approbation de la FDA en 2023.
Le système de fusion intersomatique cervicale 3D d'Eminent Spine (configuration en titane imprimé en 3D) recevra l'approbation de la FDA en 2023.
Le système d'espacement cervical imprimé en 3D Blackhawk Ti en titane de ChoiceSpine recevra l'approbation de la FDA en 2023.
Le système de fusion d’articulations sacro-iliaques Siber Ti de Corelink (implant en titane poreux, nanosurface, imprimé en 3D) recevra l’approbation de la FDA en 2023.
vélo
Le titane imprimé en 3D est presque courant dans les vélos de performance d'aujourd'hui, où chaque once de poids compte et où une résistance élevée est cruciale. Utilisé dans les manivelles, les leviers de frein, les potences, les pattes de dérailleur et même les cadres complets, le titane s'est avéré aussi solide que l'aluminium et aussi léger que la fibre de carbone sans les défis de durabilité de la fibre de carbone.
Récemment, le fabricant de vélos Carbon Wasp a expliqué pourquoi il abandonnait l'aluminium et la fibre de carbone au profit de l'impression 3D du titane pour créer ses derniers bras de manivelle de rechange.
En parlant de cadres complets, le fabricant de vélos Angel Cycle Works affirme avoir imprimé en 3D un cadre entièrement en titane dans un seul composant léger, ce qui permet de gagner des secondes cruciales sur les temps de course et de permettre de nouvelles géométries de conception. Sa nouvelle superbike, baptisée Heaven, est 400 grammes plus légère que la version précédente. Un autre cadre en alliage entièrement en titane lancé par Pilot cette année s'appelle Pilot Seiren. Le cadre du vélo de route est entièrement imprimé en 3D en titane (divisé en trois parties). La société affirme que l'impression 3D du titane lui permet de personnaliser le vélo selon les préférences du cycliste et que le cadre ne nécessite aucune peinture ni revêtement.
Dans l'industrie aérospatiale, il existe actuellement plusieurs pièces de prototypage rapide à base de titane à usage commercial et militaire, et de nombreux autres prototypes sont en cours de certification par la FAA. Le titane imprimé en 3D est apprécié pour son faible « rapport achat-vol », un terme aérospatial qui fait référence à la corrélation entre le poids du matériau de départ et le poids de la pièce imprimée.
Plusieurs sous-traitants spécialisés dans les marchés de l'aérospatiale, de la défense et de l'espace, comme Primus Aerospace, StarHagen Aerospace et Zeda, ont investi dans des imprimantes 3D capables de produire des prototypes de pièces en titane et des pièces finales.
En 2023, GKN Aerospace a annoncé son intention de construire une immense cellule d'impression 3D pour l'impression 3D de structures d'avions en titane dans le cadre de son nouveau centre technologique mondial au Texas. L'imprimante, appelée Cell 3, peut fabriquer des pièces en titane de cinq mètres de long.
fabrication
Le fabricant de semi-conducteurs ASML s’est tourné vers l’impression 3D du titane pour des raisons complètement différentes. Désormais, ses préformes de plateaux de support en titane (utilisées dans la production de plaquettes) sont imprimées en 3D plutôt que forgées, ce qui permet d'économiser 64 % de matières premières. Et c'est livré plus rapidement. Norsk Titanium, une entreprise de fabrication additive métallique utilisant une plate-forme de dépôt par énergie dirigée (DED), imprime 80 kilogrammes (environ 176 livres) de préformes de forme presque nette (utilisées dans la production de plaquettes semi-conductrices) avec du Ti64.
Norsk a développé la préforme avec son partenaire néerlandais Hittech Group et, selon Norsk, elle est utilisée dans les systèmes de lithographie d'ASML. ASML, également basée aux Pays-Bas, a été l'une des sociétés les plus discutées au monde en raison de la pénurie de puces ces dernières années. Plus précisément, ASML est connue pour produire la seule machine de lithographie ultraviolette extrême (EUV) au monde.
Même la marine américaine a commencé à adopter le titane imprimé en 3D pour économiser du temps et de l’argent et éliminer sa dépendance à l’égard des chaînes d’approvisionnement étrangères. Sans capacités nationales pour fabriquer les grandes pièces moulées en titane nécessaires aux pompes centrifuges hautes performances, la Marine a souffert de longs délais de livraison et d'une chaîne d'approvisionnement qui utilisait des matières premières en titane coûteuses et à forte intensité de carbone. Mais bientôt, en coopérant avec de nouveaux partenaires nationaux, IperionX Company pour produire de la poudre de titane recyclée et Carver Pump Company pour la fabrication de prototypage rapide, la Marine sera en mesure de raccourcir considérablement le cycle de livraison des pièces clés, d'améliorer la disponibilité des équipements et de recycler de manière durable les éléments essentiels de Building America. chaîne d'approvisionnement en titane.
