Títańsálið hefur löngu verið ójafnaður grunnsteinn í framúrskarandi framleiðslu, og er dýrt fyrir sjaldséð eiginleikakombínun sem aðgreinir það frá öðrum málmetal: Þyngdarmætti þess er 40% betri en stál en er samt 45% léttara, það er motstandsefnt við rot á ströngum sjávar- eða efnaumhverfum, og biósamhæfni þess gerir kleift að sameina það við mannlega vefja án þess að kalla fram ónæmishvöt. Áratugum saman hafa þessir eiginleikar gert sálið ómunandi í mikilvægum sviðum: Loftslagsverkfræðingar treysta títańsálum eins og Ti-6Al-4V til herða í jetvélbarðum sem standast hita yfir 500°C og mjög há mekaníska álag, en beinlæknar nota óvirku eiginleika sálsins í knékengi- og höftuvatnsímplanta sem geta haldið 20 ár eða lengur í líkamanum. En fjölbreytt útbreiðsla sálsins hefur verið hindruð af varanlegum, skyggjandi vandamálum: hefðbundnar úrvinnsluaðferðir—eins og smíði, casting og CNC-vinnsla—framleiða ótrúlega mikið, 70–80%, rusl af efni. Hrátt títañor, sem kallast rútil, krefst orkuþungrar hreiningar til að framleiða hreint títañsúkk, og er venjulega mest efnið skorið burt í gegnum útformun á lokahlutum. Þessi ónýjun, ásamt alþjóðlegri títañvandamálum vegna aukinnar eftersöfnunar í loftslagsgreininni, hefur haldið kostnaði upp á 30 dollara á pund, og bundið málmið til sérstaklegra sviða, svo að iðjusvæði eins og neytendavélbúnaður, rafhlaða bílar (EV) og endurnýjanleg orka séu ekki fær um að nýta sér kosti hans.
Nýjustu framförum á sviði viðbótargerðar (AM) hafa hins vegar rifið upp þessa langvarandi hugsun. 3D prenttækni – aðallega Valin Lásersmeltun (SLM) og Binder Jetting (BJ) – hefur komið fram sem umbreytandi lausn með því að gera kleift að framleiða flókna titankhluta, nánast fullri formi, með lágmarks matgöngu, oft minna en 10%. SLM, sem er íþvottur í dúklausu smeltingu, notar háhraða fiberlasar (venjulega 200–400 vatt) til að valfrjálsanlega smelta titankorn í gegnum hverja lag fyrir sig og búa til hluti með mælt nákvæmni innan ±0,1 mm. Aðferðin er mjög góð til að búa til efnisdreifða (allt að 99,9%) hluti með flóknum innra uppbyggingu, eins og netlagðar inngræðingar sem endurspegla grófleika manneskju beins (30–70% grófleiki) til að styðja beinvefirbrigðingu, eða sprungur í loftfarasprautum með innri kælingarrása sem eru of flóknar fyrir venjulega málmvinnslu. Binder Jetting, í samanburði, býður upp á stærri kvarða: hún setur vökvavíddu (polymer) á dúku af titankorn til að mynda „græna“ hluti, sem síðan eru losaðir við vídduna og sinteraðir í háhitastóru til að ná fullri efnisþéttleika. Ferlið er 3–5 sinnum hraðara en SLM og betra hentugt fyrir mikla framleiðslu, sem gerir það ideal til bifreiðahluta eins og festingar fyrir rafhleðslubúnað í EV ökutækjum eða hluta í loftfarasamsetningum eins og vængribbur.
Þessi eiginleiki er sérstaklega endurnýjandi fyrir iðnaðargreinar sem krefjast sérbreiðinga, minni vægi eða hagræðingar á hönnun. Á sviði heilbrigðisvættavara notar stórslóðin Zimmer Biomet nú SLM-gerð til að framleiða hliðarímsur sem passa við einstaklings CT-myndavaf og eru aðlagð ítarlega. Ímsurnar hafa persónulega aðlaganlega yfirborðsmynd sem styður á vaxvöxt beins, sem gekk til þess að minnka rekstrarfjárhæð um 25% og lækka á eftirfarandi vandræðum um næstum 40% miðað við venjulegar ímsur. Á loftfarasviðinu hefur Boeing sameinað yfir 600 3D prentaðar titankrossur í 787 Dreamliner-flugvélinni sinni, hver um sig 30% léttari en saumaðar stálhlutarnir sem þær tóku við staðnum. Þessi vægildisminnkun varðar 1,5% batning á brennisteinfilegningu – marktækur ávinningur fyrir flugfélög sem standa frammi fyrir auknum brennisteinsverði. Jafnvel í neytendateknologi eru vörumerki að taka á móti breytingunni: bjóðir Casio nú upp á G-Shock úr AM-titaníumsem eru 20% léttari en útgáfur úr rustfrjálsu stáli og eru jafnframt 30% skrámvarnarbetri, og notaði kínverska tæknifyrirtækið Xiaomi BJ-prentað titaníum í rammanum fyrir Mix Fold 3 snjallsímann sinn, til að ná jafnvægi milli varðhalds og mjótt snitts. Fyrir þessa iðgreinar gerir AM ekki bara titaníum að áskotanlegri kostnaði – heldur opnar hún fyrir hönnunarmöguleikum sem voru áður ómögulegir.
Lykilþáttur í þessu skipti er orkunnar á titáníum dúkagerð – lífsefni viðbótargerðarinnar. Fyrstu titáníum dúkagerðir höfðu reglulega lögun og óstöðugt dæmi um stærð deilna, sem leiddi til slæmra flæðiseiginleika og ójafnvelja prentunaraðila. Í dag hafa nýjungar eins og plösumu- og gasaatomunun breytt myndun kúluformaðra deilna, sem framleiða sléttar, kúluformar deilnur sem flæða jafnvægt í gegnum viðbótargerðarvélar. Nákvæmar flokkunartækni leyfa nú mjög nákvæma stjórn á stærðar dreifingu deilna (venjulega 15–45 μm fyrir SLM), tryggja samræmda pökkunarþéttleika og minnka galla í prentun eins og porósa. Auk þess hefur endurnýjun á titáníum dúkagerð – sótt frá CNC-vinnsluskrap, rusli frá loftslags- og rúmskipavinnslu, og jafnvel bortfellt meðferðarbúnaði – leyst bæði kostnaðar- og sjálfbærni áhyggjur. Fyrirtæki eins og Kyhe Technology hafa þróað aðferðir til að hreinsa endurnýjað skrap og umbreyta því í gæða AM-dúkagerð, sem lækkar efnaframleiðslukostnað um 40–60% og felur tonn af málm frá rusli, í samræmi við alþjóðlegar hringhagkerfis áform.
Til eru enn erfiðleikar sem koma í veg fyrir almennt tilefni AM titans. Mikil endurhverfni titans við súrefni þýðir að prentun verður að vera framkvæmd í óvirku argon- eða stiklstofu, sem krefst sérstakrar dýrar útbúnaðar til að halda súrefnismagninu á mjög lágu máli (undir 0,1%). Afturfram vinnsla er einnig áfram bottleneck: flest AM titanhurð krefjast hitabeitrunar til að losna við aukalega spennu, og síðan vélvinnslu eða pólímingar til að ná lokasta áferð – skref sem geta tekið 30–50% af heildartíma og kostnaði framleiðslu. Auk þess er gæðastjórnun flókin, þar sem smá bil slík eins og mikrokrakkir geta veikið virkni hlutanna, sem krefst háþróaðra inspektíonartækja eins og töluðu ljósmyndatöku (CT).
Atvinna í iðninni er nú beinuð að þróun á samvirku lausnum til að einfalda allan AM-vinnuferilinn. Efnafræðingar eru að búa til titansamsetningar með breytt efnafræði til að minnka viðkvæmni fyrir súrefni, á meðan vinnslustjórnunarkerfi, sem styðst við gervigreind, nota rauntíma mæligögn til að greina og leiðrétta galla á meðan prentun stendur yfir. Fyrirtæki eins og EOS eru að fara í fyrir raka lausnir sem sameina AM- vélar við sjálfvirk eftirvinnsluliði, og þannig búa til samfellt framleiðslulínur. Á sama tíma eru staðaltengingar eins og ASTM International að vinna að því að koma á fastar reglur fyrir AM-titansúrefni og hluti, til að myndast traust hjá framleiðendum.
Spáræðið er skýrt: þegar þessar tæknið eru orðin fullþroska, munu titank núllnæringar aukið koma inn á massamarkaðinn. Í rafhliðum gæti AM-titan minnkað vigt akkúhylisins og lengt rekstrið án þess að missa af öryggi. Í endurnýjanlegri orku gætu myndast átvarnarefni gegn rot fyrir sjávarsveifutólur. Það sem einu sinni var dýrmætt efni takmarkað til frumspekiðra iðgreina er á leið til að verða helstu byggingareiningar nútímans framleiðslu – lýðrækt með bættri virkni viðbótargerðar og endurnýtanleika ruslsins. Næsta kafla titans fjallar ekki bara um betri hluti, heldur um að byggja upp öruggri, endurnýtanlega iðlungsfrumkerfi.
EN