Impressão 3D de titânio: benefícios, tecnologias e aplicações

Quando o titânio encontra a impressão 3D, força, resistência à corrosão e liberdade de design se unem - tornando foguetes, implantes, peças de corrida e eletrônicos mais leves, mais fortes e mais personalizados.

Este guia explica por que o titânio se encaixa na impressão 3D, destaca as principais tecnologias e mostra onde ele é usado, ajudando você a ver se ele se adapta ao seu próximo projeto de alto desempenho.

Por que o titânio se encaixa na impressão 3D

A usinagem tradicional é desafiadora

• A baixa condutividade térmica do titânio leva ao rápido desgaste da ferramenta e baixa eficiência na usinagem CNC.
• Os métodos convencionais desperdiçam muito material e o titânio é caro, aumentando os custos de produção.

A impressão 3D reduz o desperdício de material e aumenta a eficiência, tornando-a uma maneira mais inteligente de produzir peças de titânio.

Excelentes propriedades do material

• Sua alta relação resistência-peso o torna ideal para componentes leves e de alta resistência.
• A excelente biocompatibilidade suporta seu uso em implantes e dispositivos médicos.
• A resistência superior à corrosão garante estabilidade a longo prazo na água do mar e em ambientes químicos.
• O titânio resiste à fadiga e rachaduras, mesmo sob uso intenso.
• Permanece estruturalmente estável em altas temperaturas, oferecendo forte desempenho térmico.

Ideal para geometrias complexas

A ductilidade do titânio permite a impressão 3D de formas complexas difíceis de fazer pelos métodos tradicionais. Ele também permite canais internos e redes por meio da otimização da topologia, aumentando o desempenho.

Benefícios da impressão 3D de titânio

Na indústria aeroespacial, a impressão 3D de titânio ajuda a reduzir a proporção de compra para voar - um termo que descreve o peso da matéria-prima comprada versus o peso da peça final.

Com os métodos tradicionais, as peças de titânio podem ter uma proporção de compra para voar de 12:1 a 25:1. Isso significa que até 90% do material caro é cortado e desperdiçado.

A impressão 3D de titânio reduz essa proporção para cerca de 3:1 a 12:1, usando apenas o material necessário para a peça e gerando o mínimo de desperdício das estruturas de suporte.

Para materiais caros como o titânio, essa redução leva a economias significativas e maior eficiência.

Aplicações de impressão 3D de titânio

Aeroespaço

Para empresas aeroespaciais, a impressão 3D de titânio ajuda a reduzir o peso de estruturas de alta carga. É ideal para motores a jato, turbinas a gás e vários componentes de fuselagem.

A Liebherr-Aeroespaço & Transportation SAS, uma grande fornecedora aeroespacial, começou a produzir em massa suportes de trem de pouso de titânio impressos em 3D para o Airbus A350 XWB no início deste ano.

Ao usar a impressão 3D de titânio, a Liebherr reduziu o peso do bráquete em 29% e aumentou sua rigidez.

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A Boeing também fez uma grande aposta na impressão 3D de titânio. Desde 2015, faz parceria com a empresa norueguesa de impressão 3D de metal Norsk Titanium para produzir grandes peças estruturais de titânio para o 787 Dreamliner.

Em 2017, a Boeing usou a tecnologia proprietária de Deposição Rápida de Plasma (RPD) da Norsk para criar uma peça de titânio sem nome, que foi certificada pela Administração Federal de Aviação dos EUA (FAA).

Peças impressas e usinadas em 3D pela Norsk Titanium

A Boeing usa a tecnologia de Deposição Rápida de Plasma (RPD) proprietária da Norsk para produzir componentes de titânio.

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Médico

Na área médica, os implantes de titânio impressos em 3D são amplamente utilizados em cirurgias de coluna, quadril, joelho e membros. Eles permitem personalização personalizada em larga escala e melhoram significativamente os resultados dos pacientes.

A Osseus Fusion Systems, uma empresa com sede nos EUA, desenvolve esses dispositivos. Seu implante espinhal de titânio impresso em 3D, o dispositivo de fusão intersomática Aries-L, apresenta uma grade multiplanar proprietária e topologia de microsuperfície otimizada que promove uma integração óssea mais rápida.

Implantes espinhais de titânio da Osseus

A Osseus usa impressão 3D de titânio para fabricar seus dispositivos de fusão intersomática.

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À medida que mais fabricantes médicos adotam a manufatura aditiva na produção, o número de implantes cirúrgicos impressos em 3D à base de titânio aprovados pela FDA continua a crescer.

Em 2023, a ChoiceSpine recebeu a aprovação da FDA para seu Blackhawk Ti, um sistema espaçador intersomático cervical de titânio impresso em 3D.

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Automóvel e desportos motorizados

Embora a impressão 3D ofereça vantagens claras, o mercado automotivo de consumo é altamente sensível ao custo, limitando o uso desse material caro na maioria dos veículos.

Um dos usos mais notáveis da impressão 3D de titânio no mundo automotivo é o desenvolvimento de pinças de freio da Bugatti para seu supercarro Chiron.

Pinça de freio de titânio da Bugatti

Pinça de freio de titânio da Bugatti

Medindo 41 x 21 x 13,6 cm, o paquímetro foi impresso em 3D usando a tecnologia SLM em apenas 45 horas.

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No ano passado, a empresa testou com sucesso a pinça, provando que ela poderia atender às demandas extremas de resistência, rigidez e temperatura.

A fabricante de rodas norte-americana HRE é outra empresa que se beneficia da impressão 3D de titânio.

Roda de titânio impressa em 3D da HRE

A HRE usou a tecnologia Laser Powder Bed Fusion (LPBF) para imprimir em 3D um cubo de roda de formato complexo, obtendo uma redução de peso de 19% no processo.

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Bicicletas e produtos de consumo

O titânio impresso em 3D é amplamente utilizado em bicicletas de alto desempenho - para quadros, manivelas e alavancas de freio - oferecendo a resistência do alumínio, a leveza da fibra de carbono e melhor sustentabilidade.

A fabricante de bicicletas Ribble lançou o Allroad Ti, com uma estrutura de titânio impressa em 3D.

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No início deste ano, a Silca lançou sua mais recente linha de produtos impressos em 3D, incluindo uma linha de suportes de câmbio de titânio.

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A Verve Cycling fez parceria com a Metron Additive Engineering para redesenhar seu pedivela usando impressão 3D, reduzindo o peso e aprimorando a personalização.

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Futai Technology Cabeça de taco de golfe impressa em 3D

Oferece aos jogadores de golfe maior distância, melhor estabilidade de tacada e maior perdão.

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Fabricação

A fabricante de semicondutores ASML recorreu à impressão 3D de titânio por razões totalmente diferentes. Suas bandejas transportadoras de wafer de titânio agora são impressas em 3D em vez de forjadas, economizando 64% em matéria-prima e acelerando a entrega.

A empresa de manufatura aditiva de metal Norsk Titanium usou uma plataforma de Deposição de Energia Direcionada (DED) para imprimir uma pré-forma Ti64 de 80 kg (cerca de 176 lbs) quase em forma de rede para a produção de wafer semicondutor.

Produtos de precisão e eletrônicos

A impressão 3D permite a criação de peças de titânio ultrafinas, complexas e altamente precisas, tornando-a ideal para caixas de relógios, como as da Panerai e Holthinrichs.

Em 2023, a marca de smartphones Honor lançou o telefone dobrável Magic V2, com uma tampa de dobradiça de titânio impressa em 3D que é mais leve que sua versão anterior de alumínio, mas 150% mais forte.

Tampa da dobradiça de titânio impressa em 3D

De acordo com Honor, é a chave para o desempenho de dobragem suave e durável do produto.

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Quais são as principais tecnologias de impressão 3D de titânio?

Fusão em leito de pó a laser (LPBF / SLM / DMLS)

A fusão em leito de pó a laser (SLM/DMLS/LPBF) usa um laser de alta potência em um ambiente de gás inerte para derreter seletivamente camadas de pó de titânio esférico, que se solidificam rapidamente.

É ideal para peças complexas de pequeno a médio porte com tolerâncias apertadas, como implantes ortopédicos e componentes aeroespaciais.

SLM, DMLS e LPBF são termos específicos da marca para essencialmente a mesma tecnologia de fusão em leito de pó baseada em laser.

Fusão em leito de pó de feixe de elétrons (EBM / EB PBF)

A fusão em leito de pó por feixe de elétrons (EBM) derrete pó de titânio camada por camada usando um feixe de elétrons em um ambiente de vácuo. O processo mantém uma plataforma de construção de alta temperatura para reduzir a tensão residual e evitar a oxidação.

É adequado para implantes grandes e peças aeroespaciais que requerem baixa tensão interna e excelente qualidade do material.

Deposição de energia direcionada (DED)

A deposição de energia direcionada (DED) usa um laser, feixe de elétrons ou arco como fonte de calor para derreter pó ou fio de titânio diretamente em uma poça de fusão, depositando material trilha por trilha.

Oferece altas taxas de deposição e é ideal para produzir ou reparar peças grandes de até um metro de tamanho. A matéria-prima de arame pode ser usada para reduzir os custos de material.

As principais variantes do DED incluem Manufatura Aditiva por Feixe de Elétrons (EBAM), Deposição de Metal a Laser (LMD/LENS) e Manufatura Aditiva por Arco de Fio (WAAM).

Jateamento de aglutinante

O jato de aglutinante pulveriza um aglutinante líquido em camadas de pó de titânio para formar uma "parte verde", que é posteriormente sinterizada para atingir a densidade total.

Este método permite impressão rápida e produção em lote de peças geométricas mais simples, tornando-o adequado para fabricação de médio volume.

Fabricação de metais baseada em litografia (LMM)

A LMM constrói peças verdes curando resina fotossensível misturada com pó de titânio camada por camada usando luz.

A resina é então removida por meio de sinterização, densificando a peça final. O LMM permite resolução em nível de mícron e é ideal para produzir peças altamente detalhadas e de pequena escala, como microcanais e dispositivos MEMS.

Processos de alta taxa de deposição (RPD, Cold Spray, etc.)

A deposição rápida de plasma (RPD) e o spray frio são técnicas de manufatura aditiva de alta taxa de deposição para grandes peças de titânio. O RPD usa um feixe de plasma para derreter o fio de titânio para um acúmulo eficiente - perfeito para peças aeroespaciais estruturais, como vigas e trem de pouso.

O Cold Spray, por outro lado, impulsiona partículas de metal sólido em velocidades supersônicas para se ligarem à temperatura ambiente, praticamente sem zona afetada pelo calor. É frequentemente usado para reparos em campo ou construções de paredes espessas.

Esses processos são altamente eficientes para a produção de peças com mais de um metro de tamanho, embora geralmente exijam pós-usinagem para precisão da superfície.

Técnicas de pós-processamento para ligas de titânio impressas em 3D

Após a impressão, o pós-processamento é essencial para obter as propriedades mecânicas e o acabamento superficial necessários. Abaixo estão os métodos de pós-processamento mais comuns para ligas de titânio.

Tratamento térmico

O tratamento térmico melhora significativamente as propriedades mecânicas, como resistência, tenacidade e resistência à fadiga. É frequentemente aplicado a componentes estruturais de alta tensão.

Por exemplo, o Ti-6Al-4V (Ti64) pode atingir um limite de escoamento superior a 950 MPa após o tratamento térmico e até mesmo acima de 1000 MPa com HIP, mantendo um alongamento de 9 a 15% e excelente estabilidade estrutural.

Prensagem isostática a quente (HIP)

O HIP combina alta temperatura e pressão para eliminar a porosidade interna do processo de impressão 3D, melhorando a densidade e a resistência interna.

O processo normalmente é executado a cerca de 1000 ° C em uma atmosfera de vácuo ou argônio por cerca de uma hora.

As peças de titânio tratadas com HIP podem atingir uma densidade de quase forjamento (cerca de 99,5%) com alongamento e tenacidade significativamente melhorados.

Usinagem de precisão CNC

Embora a impressão 3D ofereça liberdade de design, recursos de alta precisão, como superfícies de contato, furos rosqueados e ranhuras de vedação, ainda exigem usinagem CNC para atender a tolerâncias rígidas.

Técnicas de acabamento de superfície

• Polimento: Cria um acabamento espelhado, comum em dispositivos médicos e peças decorativas premium.
• Tombamento: Remove rebarbas na produção em lote, deixando uma superfície fosca uniforme.
• Jateamento e brunimento: Melhore a adesão do revestimento ou obtenha texturas finas.

Esses tratamentos aumentam a sensação, a resistência à corrosão e a adaptabilidade funcional das peças de titânio.

Visão geral das ligas de titânio para impressão 3D

Ao selecionar uma liga, é importante considerar fatores como carga, temperatura, ambiente de corrosão e biocompatibilidade. Isso garante que você maximize a liberdade de design e as vantagens de material que a manufatura aditiva oferece.

Impressora 3D para titânio

Fusão em leito de pó a laser (LPBF / SLM / DMLS)

• EOS: M 290, M 400-4
• Aditivo GE / Aditivo Colibrium: Série M2 5, Linha M
• Soluções Nikon SLM: NXG X12, NXG 600
• Sistemas 3D: DMP Flex 350, Fábrica 500
• Velo3D: Safira, Safira XC
• TRUMPF:TruPrint 2000,3000,5000
• Renishaw:Série RenAM 500
• Adicionar:FormUp 350

Fusão em leito de pó de feixe de elétrons (EBM / EB PBF)

Aditivo GE Arcam: Q10 Plus, Q20 Plus, Spectra H

Deposição de energia direcionada (DED)

• Sciaky: EBAM 110, EBAM 300 (feixe de elétrons + fio de titânio)
• Fabricação MELD: MELD L-Series (deposição de fricção em estado sólido usando hastes ou barras de titânio)

Jateamento de aglutinante

• Metal de mesa: Sistema de produção P-50, série X
• Metal de mesa P-1: Requer "Kit de segurança reativa" para suportar materiais reativos como titânio e alumínio
• Forjado com marca: PX100

Fabricação de filamentos fundidos metálicos (Metal FFF / BMD)

Desktop Metal: Studio System 2 (tecnologia BMD com filamento Ti-6Al-4V dedicado)

Pulverização a frio – tecnologia de deposição de alta velocidade em estado sólido

Spee3D:WarpSPEE3D

Custo da impressora 3D de titânio

O custo é um fator chave que muitas empresas devem avaliar antes de adotar a impressão 3D de titânio.

Alto investimento inicial

• As impressoras 3D de titânio de nível industrial geralmente variam de US$ 250.000 a US$ 1.000.000.
• O pó de liga de titânio esférico de alta pureza custa cerca de US$ 300 a US$ 600 por quilo.
• Muitas empresas optam por trabalhar com provedores de serviços de impressão 3D. O custo final de impressão geralmente é várias vezes o custo do material, dependendo da complexidade da peça e das necessidades de pós-processamento.

Por que ainda vale a pena o investimento

• Materiais leves e de alta resistência reduzem o peso da aeronave, economizando combustível e estendendo o alcance, resultando em economia de custos operacionais de longo prazo.
• A biocompatibilidade do titânio e a flexibilidade de design da impressão 3D permitem implantes que se adaptam melhor a pacientes individuais, melhorando os resultados cirúrgicos e reduzindo a necessidade de cirurgias de revisão.
• As ligas de titânio oferecem excelente resistência à fadiga em altas temperaturas, tornando-as ideais para peças críticas em motores a jato, estruturas de mísseis e componentes de corrida.

A impressão 3D de titânio não é apenas um método de fabricação - é uma força motriz para ganhos de desempenho e liberdade de design.

Para indústrias com ambientes exigentes, requisitos personalizados ou metas rígidas de leveza, o valor entregue em desempenho de material, otimização estrutural e eficiência operacional supera em muito o custo inicial.

Desafios da impressão 3D: as barreiras técnicas por trás do alto desempenho

Falta de padrões e certificação unificados

Atualmente, os padrões para combinar titânio com manufatura aditiva ainda são subdesenvolvidos. Isso representa uma barreira em indústrias de alto risco, como aeroespacial e médica.

Por exemplo, a Boeing fez parceria com a Oerlikon já em 2018 para trabalhar na padronização da impressão 3D de titânio, com o objetivo de atender aos requisitos de segurança de voo da FAA (Federal Aviation Administration) e do DoD (Departamento de Defesa).

Alto custo do pó de titânio

O pó de titânio para impressão 3D deve ter alta pureza, excelente esfericidade e distribuição uniforme do tamanho das partículas. Produzi-lo requer alta energia e controle rigoroso, mantendo os preços altos - normalmente em torno de US $ 300-600 por quilo.

Controle complexo de temperatura e gerenciamento de calor

Com um ponto de fusão de 1668 °C, o titânio exige um controle térmico preciso durante a impressão.

A entrada inadequada de calor pode causar tensão interna, empenamento ou rachaduras, o que pode comprometer gravemente a integridade estrutural e a vida útil - especialmente crítico para aplicações aeroespaciais e de implantes.

Dificuldades em obter sinterização e densidade uniformes

O desempenho mecânico das peças de titânio depende muito da uniformidade e densidade alcançadas durante a sinterização ou fusão.

Porosidade, inclusões ou inconsistências microestruturais podem levar a concentrações de tensão e possíveis pontos de falha, principalmente ao imprimir geometrias complexas.

Desafios no projeto e remoção de estruturas de suporte

A impressão 3D de titânio geralmente requer estruturas de suporte fortes e intrincadas para evitar colapso ou distorção sob altas temperaturas.

Após a impressão, esses suportes devem ser removidos com precisão, sem danificar a peça - uma complexidade adicional no processo geral.

Visão geral dos fornecedores de pó de titânio e liga de titânio

Chalco Titânio

Um fornecedor líder de titânio na China, a Chalco Titânio está expandindo ativamente seu negócio de pó de liga de titânio para manufatura aditiva.

Ela oferece materiais de titânio de nível industrial e aeroespacial, oferece suporte ao desenvolvimento de ligas personalizadas e fornece fornecimento a granel econômico, atendendo aos mercados aeroespacial, médico e automotivo em todo o mundo. Citação rápida

Tecnologia de carpinteiro

Oferece pós de liga Ti-6Al-4V ELI (Grau 23) de grau médico e aeroespacial com um sistema de certificação bem estabelecido. Atende amplamente fabricantes de implantes médicos, dispositivos ortopédicos e odontológicos.

IperionX

Um fornecedor com sede nos EUA focado na reciclagem sustentável de titânio. Desenvolve pós de titânio ecológicos para impressão 3D, promovendo soluções de manufatura aditiva de baixo carbono.

Sandvik / Osprey

Fornece pós certificados Osprey Ti-6Al-4V Grau 5 e Grau 23 com controle de lote consistente. Amplamente utilizado em aplicações aeroespaciais e médicas.

AP&C (Aditivo Colibrium, parte do Aditivo GE)

Um líder mundialmente reconhecido em atomização de pó de titânio. Seus produtos suportam processos de manufatura aditiva a laser e feixe de elétrons.

Serviço de impressão 3D de titânio

Para a maioria das empresas ou usuários individuais, comprar uma impressora 3D de metal de alto custo para produzir peças de titânio não é prático. Felizmente, agora existem muitos serviços de impressão 3D de titânio de terceiros maduros disponíveis para fornecer peças de metal de alta qualidade de forma rápida e eficiente.

Ao escolher um serviço de impressão, é importante confirmar o tipo de liga de titânio oferecida (como Ti-6Al-4V ou titânio comercialmente puro). Algumas classes especializadas, como as versões CP-Ti ou ELI, podem exigir pedidos personalizados ou prazo de entrega adicional.

Por exemplo, na plataforma de fabricação sob demanda mundialmente reconhecida Craftcloud, os usuários podem simplesmente fazer upload de um arquivo CAD, selecionar titânio como material e receber cotações instantâneas de vários parceiros de fabricação. Os usuários podem escolher um provedor com base no preço, prazo de entrega ou localização.

Hoje, os principais fabricantes de equipamentos, como 3D Systems, EOS e SLM Solutions, bem como fornecedores de pó, como Sandvik e Carpenter Additive, também oferecem serviços personalizados de impressão de titânio. Esses serviços são amplamente utilizados em indústrias de alta demanda, como médica, aeroespacial, automotiva e ferramentas.

Perguntas frequentes sobre impressão 3D de titânio

Quão forte é o titânio impresso em 3D?

Sua resistência pode combinar com peças forjadas, tornando-o adequado para componentes estruturais de alta carga.

Quais materiais não podem ser impressos em 3D?

Alguns metais altamente reativos e materiais compósitos ainda são desafiadores para a impressão 3D comercial e ainda não são amplamente utilizados.

O que é filamento de impressora 3D de titânio?

É um filamento de polímero infundido com pó de titânio, usado em impressoras do tipo FDM de metal.

Como funciona a impressão 3D de titânio?

Ele usa um laser ou feixe de elétrons para derreter pó de titânio ou fio camada por camada para formar uma peça.

O que é pó de titânio para impressão 3D?

É um pó de liga de titânio esférico de alta pureza feito especialmente para manufatura aditiva.