Titan – ett fantastiskt material
”Tonern”, om man får kalla den så, består av titanpulver som framställs av stångmaterial som smälts och sprutas genom ett fint munstycke, en atomisator. Det kommer då ut som fina droppar, kulor, mellan 40 och 100 mikrometer i diameter. Men med så hög temperatur och så stor yta mot luften skulle pulvret brinna upp omedelbart, varför det sprutas ut i en reaktionströg skyddsatmosfär. När pulvret kallnat är luft inget problem. Pulverkornen är så stora och tunga att de inte utgör någon fara för inandning, ingen fara för ”titanlunga” alltså.

När elektronstrålen värmer arbetsstycket i Arcams maskin blir temperaturen väldigt hög igen. Därför har man 10^-3 millibar helium som buffertgas i kammaren, för att jonisera och neutralisera laddningen i elektronstrålen, snarare än luft, som har partialtrycket 10^-5 millibar i kammaren.

Titan är en lättmetall med smått fantastiska egenskaper. Det har utmärkt motståndskraft mot korrosion och har det högsta hållfasthet kontra vikt-förhållandet av alla metaller. Det smälter vid 1 668 grader och har en densitet på 4,5 gram per kubikcentimeter, alltså något tyngre än aluminium på 2,7 gram per kubikcentimeter, som dock smälter redan vid 660 grader. Titan är betydligt lättare än kobolt med 8,9 gram per kubikcentimeter, som dock smälter först vid 1 495 grader.
Det är ju dessa tre metaller som är aktuella för flygplanstillverkning. Flygkroppen framställs normalt av aluminium, men delar med hög termisk belastning framställs av titan – inuti jetmotorerna är det titan och kobolt som gäller. Fläktbladen i turbinen görs nästan alltid av titan. Höljet i efterbrännkammaren gjordes tidigare av kobolt, men görs numera också av titan.

Det första flygplanet av titan var det amerikanska spionplanet Lockheed U2, som byggdes vid Lockheeds Skunk Works-avdelning och blev klart 1956. Vid konstant mach 2-fart fanns det delar av planet som blev så varma att aluminium skulle smälta – det enda material som fungerade var titan. I USA fanns ingen som tillverkade titanplåt vid den tiden, så Skunk Works lyckades lura ut titanplåt från Sovjetunionen!


Ett friformsframställt turbinblad för en lågtrycksturbin i en jetmotor, efter ytbehandling.

Titan i förening med aluminium är ett ännu bättre material. Man brukar blanda i 6 procent aluminium och 4 procent vanadium och få en legering kallad Ti6Al4V eller ”Grade 5” som är mycket starkare än rent titan. Den är mycket vanlig och utgör cirka 70 procent av alla titanlegeringar som används i industrin, och den återfinns i turbinblad, flygkroppar, tryckkärl och olika typer av fästen.

Problemet med att gjuta titan är att det bildas mycket stora korn när materialet långsamt stelnar. Ebm, som kan liknas vid datorstyrd mikrogjutning, ger mycket mindre korn.
Efter framställningen är föremålen dränkta i titanpulver. De placeras då i en särskild sprutbox, ett så kallat powder recovery system, och pulvret blästras bort med en spruta som sprutar mera titanpulver. Allt titanpulver kan därefter återvinnas och användas igen. Några få procent går dock bort i stödstrukturer, tunna bitar som håller ihop de olika framställda föremålen. De klipps bort och kastas.

En printad produkt: Höftledskoppen

Metallen titan har egenskapen att kroppen accepterar den som kroppsegen och benvävnad kan växa fast. Därför är titan vanligt i olika typer av implantat, till exempel tänder, höftleder och skruvar. En av fördelarna med Arcams maskin är att det är mycket enkelt att göra personanpassade kropps-reservdelar.


Acetabulum, eller höftledsgropen, är den koppformade del av bäckenet i vilken lårbenets ledkula glider. Den naturliga gropen i bäckenet ersätts regelmässigt med en konstgjord när man gör en höftledstransplantation. Koppen dras fast med tre skruvar och få sedan växa fast i benstommen.


När koppen cad:as sätter man ihop dem i hundra stycken åt gången med stödstrukturer emellan (de bågformade delarna). Stödstrukturerna klipps senare bort och koppen poleras spegelblank inuti. Koppen på bilderna är 53 millimeter i diameter och väger 51 gram.



Den yttre ytan på implantaten är väldigt grov och skrynklig. Det beror inte på dålig noggrannhet vid framställningen utan på att benvävanden lättare växer på skrovliga ytor, så skrovligheten är medvetet framställd. Det syns ännu tydligare på elektronmikroskopbilden.


Elektronstrålar smälter metallen
Arcams elektronstråle som slår ned mot en metallyta och smälter denna. Men bilden är fusk. I själva verket är kammaren helt mörk och för att strålen ska synas har man släppt in argongas som joniseras av strålen och lyser blått. Arbetsstycket ser ut som ett komplicerat mönster, ungefär som en husritning av svagt glödande metall, liksom en ständigt uppritad radarbild, ständigt bortdöende.

Så snart det rör sig om starka elektronstrålar i vakuum som träffar metall och det finns människor runt omkring blir det besvärligt. För att skydda personalen från joniserande strålning är hela elektronstråledelen av maskinen inbyggd i en vakuumkammare med uppåt centimetertjocka metallväggar, nästan som ett kassaskåp.

Vill man se hur utmatningen fortgår får man titta in genom en liten blyglasruta, efter att första ha fört undan en skyddande lucka. Metalluckan finns där för att förhindra att fönstret metalliseras och blir ogenomskinligt efter ett tag.

En elektronstråle är en elektrisk ström som lämnat ledaren och fortsätter ut i tomma rymden, eller i luften om strålen är tillräckligt stark. När den slår in i en metall, slås den innersta elektronen i metallatomen loss ur sitt elektronskal och när den faller tillbaka till sitt skal avges den upptagna energin som röntgenstrålning. Det är samtidigt principen för röntgenröret.

Elektronstrålar används också i acceleratorer för mät- och avbildningsändamål, som i synkrotronen Max IV i Lund.
Man bestrålar avsiktligt människor med kraftiga elektronstålar vid cancerbehandling, så kallad strålbehandling. Då skjuter man ut strålen i luften, eftersom människan inte kan befinna sig i vakuum.

Den vanligaste tillämpningen för elektronstrålar var dock intill nyligen bildröret som satt i varenda tv och bildskärm, tills lcd-skärmarna tog över.

Fakta

Arcams ebm-teknik:
tinytw.se/arcam
Implantatdesign hos Medical Modeling: www.medicalmodeling.com
Tunna elektronstrålar hos Excillum:
tinytw.se/excillum
Lasersintring i guld:
tinytw.se/goldbbc
Stockholmsmodellen – friformsframställning i plast: tinytw.se/flygcad
Elektronstålar i forskningen – acceleratorn Max IV: tinytw.se/maxiv