Dotychczasowa rewolucja w postaci druku 3D koncentrowała się głównie na wykorzystaniu polimerowych tworzyw sztucznych – łatwo dostępnych i tanich materiałów . Alternatywny sposób wytwarzania tytanowego proszku może zwiastować nową erę w produkcji metalowych elementów 3D oraz częstsze zastosowanie tytanowych komponentów w branżach motoryzacyjnej, lotniczej i obronnej.
Drukowanie 3D metalowych detali odbywa się często z zastosowaniem sproszkowanego tytanu. Koszt jednego kilograma materiału to obecnie kwota balansująca w zakresie pomiędzy 200 a 400 dolarów. Cena maszyn i oprogramowania również nie jest niska, lecz to koszt tytanu w postaci proszku stanowi jedną z największych przeszkód w upowszechnianiu metod druku komponentów metalowych. Technologie druku 3D – SLS (z ang. Selective Laser Sintering) oraz DMLS (z ang. Digital Metal Laser Sintering) opisywaliśmy dokładniej kilka tygodni temu podczas prezentacji pierwszego metalowego pistoletu wykonanego w tej technice. W odpowiedzi na coraz większe zainteresowanie drukiem elementów metalowych, inżynierowie z firmy Metalysis zademonstrowali niedrogą, odmienną metodę produkcji materiału wejściowego – tytanowego proszku.
Proces zaproponowany przez Metalysis jest znacznie tańszy i bardziej przyjazny środowisku niż tradycyjne otrzymywanie tytanu m.in. za pomocą metody Krolla. W uproszczeniu, produkcja tytanu na skalę przemysłową w technice Krolla polega na działaniu par TiCl4 (czterochlorku tytanu) na stopiony magnez w atmosferze gazu obojętnego (argonu) w temperaturze około 1000-1100°C. Metodę opisuje równianie 2Mg(ciecz)+ TiCl4(gaz) -> 2MgCl2(ciecz) + Ti(stały). Następnie w celu uzyskania proszku, metal przetapiany jest w piecach elektrycznych w ochronnej atmosferze argonu i transportowany do ogrzanej rurki o kalibrowanej średnicy. Płynny materiał wewnątrz dyszy poddawany jest atomizacji (rozpylaniu) za pomocą gazu lub wody pod wysokim ciśnieniem. Podczas opadania cząsteczki zespalają się tworząc ziarna proszku. Wymagający wielu etapów tradycyjny proces wytwarzania sproszkowanego tytanu jest dodatkowo bardzo energochłonny i toksyczny (Kroll).
Metoda opracowana przez Metalysis polega na wykorzystaniu dwutlenku tytanu w procesie elektrolizy i bezpośrednim, jednoetapowym przekształceniu go na metaliczny proszek. Badacze wpadli na pomysł przypadkowo, podczas próby oczyszczania tytanu. Elementy tytanowe zawierają zazwyczaj niewielką warstwę dwutlenku tytanu na powierzchni, która tworzy się, gdy metal wystawiony jest na działanie powietrza. Próba usunięcia powłoki za pomocą elektrolizy okazała się udana, ponieważ jony tlenu zostały oddzielone od powierzchni. Proces Metalysis sprawia, że produkcja sproszkowanego metalu jest prostsza i znacznie tańsza. Proszek tytanu powstaje bezpośrednio w reakcji redukcji sproszkowanego ditlenku tytanu w temperaturze od 800°C do 1000°C. Sposób jest przyjazny dla środowiska, a produktem ubocznym są tylko niewielkie ilości CO2. Dodatkowo, chlorek wapnia (CaCl2) stosowany w elektrolizie, który posiada toksyczność na poziomie soli kuchennej może być zawracany do ponownego użycia.
Druk 3D jest korzystny finansowo ze względu na zmniejszenie ilości odpadów w porównaniu do tradycyjnych metod produkcji i obróbki elementów metalowych, gdzie traci się ogromną część materiału wejściowego. Zastosowanie ekonomicznej i ciągłej technologii wytwarzania proszków może wpłynąć na bardziej dynamiczny rozwój rynku drukowanych, metalowych komponentów. Przedstawiciele firmy są zdania, że możliwe jest obniżenie wartości tytanu nawet o 75%, co sprawi że będzie w podobnej cenie jak stale specjalne. Obecnie prowadzone są badania nad bezpośrednim wykorzystaniem rutylu, tlenkowego minerału, który jest rudą tytanu. Ma to jeszcze bardziej zredukować koszty i uprościć proces. W przyszłości inżynierowie chcą zastosować metodę do produkcji proszków tantalu oraz metali ziem rzadkich o określonych rozmiarach cząsteczek, czystości i dodatków stopowych.
Proszek tytanu wytworzony w procesie Metalysis został już wykorzystany do stworzenia części samochodowych oraz elementów silnika odrzutowego w technologii druku 3D. Poniższy film prezentuje ten proces na University of Sheffield.
Źródło:
[1] http://www.metalysis.com/files/pdf/The%20Technology%20Partnership%20Journal.pdf [14.12.2013]
[2] http://www.sheffield.ac.uk/news/nr/3d-printing-titanium-1.332731 [14.12.2013]
[3] http://www.metalysis.com/titanium [14.12.2013]
[4] Titanzylinder by Alchemist-hp (pse-mendelejew.de), Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0