Tutto quello che c’è da sapere sulla stampa 3D del titanio

Il titanio è uno dei metalli più utilizzati nella stampa 3D. Si tratta di un metallo che non si trova mai allo stato puro in natura. Per estrarlo, si utilizzano minerali come il rutilo (TiO2) e l’ilmenite (FeTiO3) in un processo complesso.
Sebbene questo processo consenta di ottenere titanio puro, rimane energeticamente costoso. Il metallo prodotto è generalmente puro al 99,9% e viene spesso legato ad altri metalli per creare leghe più performanti. Grazie alle sue caratteristiche, il titanio è diventato un materiale apprezzato per la produzione additiva in settori come la medicina, l’aerospaziale e l’industria automobilistica. Quali sono i suoi vantaggi e le sue caratteristiche? Quali tecnologie di stampa 3D si possono utilizzare? Per saperne di più, leggi la nostra guida!

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Quali sono le caratteristiche del titanio?
Il titanio (Ti), con numero atomico 22, è un materiale apprezzato per le sue proprietà e per la versatilità. È leggero, resistente, poco tossico e resiste alla corrosione, il che lo rende adatto a un’ampia gamma di applicazioni. Inoltre, con una resistenza vicina a quella dell’acciaio ma con un peso ridotto di circa il 40%, è particolarmente utile per la realizzazione di parti leggere e durevoli. Il titanio è anche resistente all’acqua salata, agli agenti chimici e all’usura, il che lo rende ideale per gli ambienti estremi. Oltre alle sue proprietà meccaniche, possiede buone qualità termiche, essendo in grado di resistere a temperature elevate, fino a 600°C. Rimane, inoltre, stabile anche a temperature molto basse.
Ciò detto, questo materiale è difficile da lavorare, anche a causa della sua bassa conducibilità termica. Durante la lavorazione, come nel caso delle macchine CNC, la maggior parte del calore generato viene trattenuto dalla macchina, il che può portare a una rapida usura. Inoltre, la lavorazione genera spesso molti scarti dovuti all’asportazione di materiale. Di fronte a questi problemi, molte aziende si stanno rivolgendo a metodi più efficienti per produrre parti in titanio. La stampa 3D dei metalli è emersa come una soluzione promettente.

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Le diverse leghe di titanio per la stampa 3D
Come spiegato in precedenza, il titanio è spesso utilizzato sotto forma di lega nella stampa 3D, anche se può essere estratto puro per applicazioni specifiche, come nel settore medico, grazie alla sua biocompatibilità. Nella stampa 3D vengono utilizzate diverse leghe di titanio, la più comune delle quali è il Ti6Al4V grado 5 (Ti64), una miscela di titanio, alluminio e vanadio, apprezzata per la sua resistenza al calore e alla corrosione. Tra le altre leghe troviamo il Ti6Al4V grado 23, adatto per protesi e impianti medici, e il titanio Beta 21S, più forte e più resistente all’ossidazione, utilizzato per impianti ortopedici e motori aerospaziali. Anche il Cp-Ti (titanio puro) è utilizzato in campo medico per la sua compatibilità con il corpo umano. Infine, la lega TA15, composta da titanio, alluminio e zirconio, è utilizzata per produrre parti resistenti alle alte temperature nell’aeronautica e nei motori.
Le leghe di titanio sono preferite al titanio puro nella stampa 3D per la loro adattabilità ad applicazioni complesse. Sebbene il titanio puro sia rinomato per la sua leggerezza, resistenza alla corrosione e biocompatibilità, presenta alcune limitazioni che talvolta lo rendono meno efficace. Infatti, la sua tenacità, durezza e resistenza alla fatica sono relativamente basse, il che può rappresentare un problema per le applicazioni che richiedono materiali in grado di sopportare carichi elevati e sollecitazioni ripetute.

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Quali sono le tecnologie di stampa 3D utilizzate?
Nella stampa 3D, il titanio viene generalmente utilizzato sotto forma di polvere o filo metallico, a seconda della tecnica scelta. Per stampare il titanio si possono utilizzare diverse tecnologie, che offrono varie soluzioni per la produzione di parti. Una delle più comuni è la DED. In questo processo, la polvere o il filo di titanio vengono depositati e poi fusi utilizzando una fonte di energia, come il laser. Un altro metodo molto diffuso è la fusione laser a letto di polvere (L-PBF), nota anche come DMLS o SLM. Questa tecnica utilizza un laser per fondere le particelle di polvere metallica, strato per strato, creando parti in titanio di alta precisione, come quelle realizzate in lega Ti6Al4V.
Per stampare il titanio si utilizza anche la fusione a fascio di elettroni (EBM). Funziona in modo diverso dalla stampa laser, utilizzando un fascio di elettroni in un ambiente sotto vuoto, ed è particolarmente adatta alla produzione di parti in titanio che richiedono un’elevata resistenza, come quelle utilizzate nell’industria aerospaziale. Infine, la stampa 3D Binder Jetting è un altro processo utilizzato.
La stampa 3D del titanio, sebbene molto promettente, presenta una serie di sfide che vale la pena menzionare. In primo luogo, il costo di produzione è elevato a causa del prezzo delle leghe di titanio, che sono più costose di altri materiali utilizzati per la manifattura additiva. Questo costo è dovuto anche alla complessità del processo di stampa e alla necessità di post-processing dei pezzi. Inoltre, le leghe di titanio disponibili per la stampa 3D sono meno numerose rispetto ad altri metalli, il che può complicare l’approvvigionamento e aumentare i costi. Infine, dopo la stampa, le parti in titanio richiedono spesso un’accurata post-lavorazione, come la rimozione dei supporti, il trattamento termico e la lucidatura, per ottenere la qualità desiderata. Queste fasi aggiuntive non solo aumentano i tempi di produzione, ma anche i costi.
Le applicazioni della stampa 3D in titanio
Nel settore aerospaziale, la stampa 3D del titanio si è affermata per la produzione di componenti chiave, tra cui pale di turbine, supporti e parti strutturali. Questo metallo è apprezzato per la sua combinazione unica di leggerezza, forza e resistenza a temperature estreme. Nel settore medico, il titanio è da tempo utilizzato per le sue proprietà biocompatibili e la sua resistenza alla corrosione. Dalle protesi agli impianti personalizzati, questa tecnologia ha trasformato il settore medico fornendo risultati migliori e riducendo i tempi chirurgici, come dimostrano gli esempi di impianti prodotti da Amnovis.

Impianti in titanio prodotti dall’azienda Amnovis (Foto: Amnovis)
Anche l’industria automobilistica sta adottando sempre più spesso la stampa 3D del titanio per ridurre il peso dei veicoli e migliorare l’efficienza dei consumi. La tecnologia viene utilizzata per produrre componenti del motore, sistemi di scarico, parti delle sospensioni e persino parti del telaio. Infine, si estende anche ad altri settori industriali, come quello degli utensili, delle maschere e delle attrezzature. Infatti, può essere utilizzata per produrre utensili e strutture complesse su misura per esigenze specifiche.
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