Titanija sakausējums jau ilgu laiku ir bijis neatvairāms līdzstrādnieks attīstītā ražošanā, tiek atzīmēts ar retu īpašību kombināciju, kas to atšķir no citiem metāliem: tā izturības un svara attiecība pārsniedz tēraudu par 40%, vienlaikus paliekot par 45% vieglāku, tai ir korozijizturība pat rūgtos jūras vai ķīmiskos vidēs, un tās bioloģiskā savietojamība ļauj tai saistīties ar cilvēka audiem, neizraisot imūnreakcijas. Jau vairākus desmitgades šie atribūti to padara neaizvietojamu uzdevumos, kuros ir būtiska nozīme: aviācijas inženieri paļaujas uz titanija sakausējumiem, piemēram, Ti-6Al-4V, reaktīvo dzinēju ventilatora lāpstiņām, kas iztur temperatūras virs 500°C un ekstrēmas mehāniskās slodzes, savukārt ortopēdi paļaujas uz tās inertumu ceļa un gurna implantiem, kas var pastāvēt vairāk nekā 20 gadus cilvēka organismā. Tomēr tā plaša izmantošana ir apgrūtināta ar pastāvīgiem, savstarpēji saistītiem šķēršļiem: tradicionālās apstrādes metodes — piemēram, karsēšana, liešana un CNC apstrāde — rada neticami augstu 70–80% materiāla zudumu. Svaigs titanija rūds, ko pazīst kā rūtilu, prasa enerģijietilpīgu attīrīšanu, lai iegūtu tīru titanija sūkli, un šī materiāla veidošana pabeigtos izstrādājumos bieži noved pie lielas daļas materiāla noņemšanas. Šī neefektivitāte, kopā ar globālu titanija trūkumu, ko rada pieaugošais pieprasījums aviācijas nozarē, ir noturējusi izmaksas līmenī līdz pat 30 ASV dolāriem par mārciņu, ierobežojot metāla izmantošanu tikai ar nišas nozarēm un atstājot citas rūpniecības nozares, piemēram, patēriņa elektroniku, elektromobīļus (EV) un atjaunojamo enerģiju, bez iespējas izmantot tā priekšrocības.
Tomēr nesenie sasniegumi pievienojošajā ražošanā (AM) apgāž šo ilggadējo paradigmu. 3D drukas tehnoloģijas — galvenokārt Selektīvā lāzera izkausēšana (SLM) un Saistvielas strūklas tehnoloģija (BJ) — ir kļuvušas par pārveidojošiem risinājumiem, ļaujot ražot sarežģītas, gandrīz gala formas titāna detaļas ar minimāliem materiāla zudumiem, bieži vien mazāk nekā 10%. SLM, kas ir pulvera gultnes fūzijas metode, izmanto jaudīgu šķiedras lāzeri (parasti 200–400 vatus), lai selektīvi izkausētu titāna pulvera daļiņas slānis pēc slāņa, izveidojot detaļas ar dimensiju precizitāti ±0,1 mm robežās. Šī metode lieliski piemērota augstas blīvuma (līdz pat 99,9%) komponentu ražošanai ar sarežģītām iekšējām struktūrām, piemēram, režģveida implantiem, kas imitē cilvēka kaulu porainību (30–70% porainība), veicinot osteointegrāciju, vai aviācijas degvielas dozatoriem ar iekšējiem dzesēšanas kanāliem, kas pārāk sarežģīti konvencionālai apstrādei. Savukārt Saistvielas strūklas tehnoloģija piedāvā mērogojamāku pieeju: tā uz titāna pulvera gultnes uzklāj šķidru polimēra saistvielu, veidojot „zaļās” detaļas, kuras pēc tam attīra no saistvielas un sakausē augstas temperatūras krāsnī, lai sasniegtu pilnu blīvumu. Šis process ir 3–5 reizes ātrāks nekā SLM un labāk piemērots lielapjomu ražošanai, padarot to par ideālu automašīnu sastāvdaļām, piemēram, EV akumulatoru korpusa stiprinājumiem, vai aviācijas apakšvienībām, piemēram, spārnu ribām.
Šī spēja ir īpaši revolūcionāra nozarēm, kurās nepieciešama pielāgošana, svara samazināšana vai dizaina optimizācija. Biomedicīnā pasaules medicīnas ierīču gigants Zimmer Biomet tagad izmanto SLM, lai ražotu pacientam specifisku audu implantus, kas pielāgoti atsevišķiem CT skāņa datiem. Šajos implantātos ir personālas virsmas tekstūras, kas veicina kaulu augšanu, samazinot operācijas laiku par 25% un pēcoperācijas komplikāciju gadījumu skaitu par gandrīz 40% salīdzinājumā ar standarta implantātiem. Aerokosmosā Boeing ir integrējis vairāk nekā 600 3D drukātas titāna stūres savā 787 Dreamliner, kuras katra sver 30% mazāk nekā sveces tērauda sastāvdaļas, ko tās aizstāja. Šis svara samazinājums nozīmē 1,5% lielāku degvielas patēriņu, kas ir nozīmīgs ieguvums aviosabiedrībām, kuras saskaras ar augšāmcēlām degvielas cenām. Pat patērētāju tehnoloģijās zīmoli ir pieņēmuši pārmaiņu: Casio G-Shock līnijas pulksteņi tagad piedāvā pulksteņus ar AM titāna kārtu, kas ir par 20% vieglāki nekā nerūsējošā tērauda versijas, vienlaikus 30% izturīgāki pret izskārumiem, un Ķīnas tehnoloģijas firma Xiaomi izmantoja B Šajām rūpniecībām AM ne tikai padara titānu pieejamāku, bet arī atver dizaina iespējas, kas agrāk bija neiespējamas.
Svarīgs šīs pārejas dzinējspēks ir titāna pulvera apstrādes nobriešana — AM dzīvības elpa. Agrīnie titāna pulveri cieša no neregulāras formas un nevienmērīga daļiņu izmēra, kas izraisīja sliktu plūstamību un nevienmērīgus drukāšanas rezultātus. Šodien inovācijas, piemēram, plazmas atomizācija un gāzes atomizācija, ir revolucionizējušas pulvera sfēroidizāciju, radot gludas, sfēriskas daļiņas, kas vienmērīgi plūst caur AM iekārtām. Precīzas klasifikācijas tehnoloģijas tagad ļauj stingri kontrolēt daļiņu izmēru sadalījumu (parasti 15–45 μm SLM), nodrošinot pastāvīgu iepakošanas blīvumu un samazinot defektus drukāšanā, piemēram, porozitāti. Turklāt parādījušies atkārtoti izmantoti titāna pulveri — iegūti no CNC apstrādes atkritumiem, aviācijas rūpniecības atgriezumiem un pat no izmestiem medicīniskajiem ierīcēm —, kas risina gan izmaksu, gan ilgtspējas jautājumus. Uzņēmumi, piemēram, Kyhe Technology, ir izstrādājuši procesus, lai pārstrādātu atkārtoti izmantotos atgriezumus augstas kvalitātes AM pulverī, samazinot materiāla izmaksas par 40–60% un novirzot tonnas metāla no poligoniem, atbilstoši globālajām cirkulārās ekonomikas iniciatīvām.
Tomēr paliek izaicinājumi, kas traucē plašai Ti izmantošanai pievienošanas ražošanā. Titanīda ārkārtējā reaktivitāte ar skābekli nozīmē, ka drukāšana jāveic inertā argona vai slāpekļa atmosfērā, kas prasa specializētu, dārgu aprīkojumu ultra zemu skābekļa līmeņu (zem 0,1%) uzturēšanai. Arī pēcdrukāšanas apstrāde joprojām ir sašaurinājums: lielākajai daļai AM titanīda detaļām nepieciešama termoapstrāde, lai novērstu atlikušos sasprindzinājumus, kam seko apstrāde ar griešanas instrumentiem vai pulēšana, lai sasniegtu galīgo virsmas kvalitāti — šie soļi var aizņemt 30–50% no kopējās ražošanas laika un izmaksām. Turklāt kvalitātes kontrole joprojām ir sarežģīta, jo mikro plaisas un citi sīki defekti var kompromitēt detaļas veiktspēju, tādējādi prasot sarežģītas inspekcijas ierīces, piemēram, datorvienības (CT) skenēšanu.
Industrijas pūles tagad vēršas uz integrētu risinājumu izstrādi, lai optimizētu visu AM darbplūsmu. Materiālu zinātnieki izstrādā titāna sakausējumus ar modificētām ķīmiskajām īpašībām, lai samazinātu skābekļa jutīgumu, savukārt mākslīgās intelekta vadīti procesu uzraudzības sistēmas reāllaikā izmanto sensoru datus, lai atklātu un novērstu defektus drukāšanas procesā. Uzņēmumi, piemēram, EOS, ir pionieri risinājumos „print-to-part”, kas apvieno AM mašīnas ar automatizētiem pēcapstrādes moduļiem, radot vienotu ražošanas līniju. Tuo pašu laiku standartizācijas organizācijas, piemēram, ASTM International, strādā pie vienotiem kritērijiem AM titāna pulverim un daļām, veicinot ražotāju uzticību.
Trajektorija ir skaidra: attīstoties šīm tehnoloģijām, titāna sakausējumi aizvien vairāk iekļausies masu tirgus lietojumprogrammās. Elektromobiļos AM titāns varētu samazināt baterijas korpusa svaru, pagarinot nobraukumu, neupeldot drošību. Atjaunojamajā enerģētikā tas varētu radīt korozijizturīgas sastāvdaļas jūras vēja enerģijas turbīnām. Tas, kas kādreiz bija premium materiāls, ierobežots ar elitas nozarēm, ir ceļā, lai kļūtu par mūsdienu ražošanas galveno celtniecības elementu — demokratizēts ar aditīvās ražošanas efektivitāti un atkārtoti izmantojamu pulveru ilgtspēju. Titāna nākamā nodaļa nav tikai par labākām detaļām, bet par efektīvākas, cirkulāras rūpnieciskās ekosistēmas veidošanu.
EN