3D tisk titanového prášku

Přehled o 3D tisk titanového prášku

Titan je pevný, lehký kov odolný proti korozi, který je ideální pro 3D tisk složitých geometrií pro letecký, automobilový, lékařský a další náročné aplikace. Titanový prášek lze použít k tisku kovových dílů s plnou hustotou s vynikajícími mechanickými vlastnostmi pomocí technologií fúze práškového lože, jako je selektivní laserové tavení (SLM) a tavení elektronovým paprskem (EBM).

Tento článek poskytuje komplexního průvodce 3D tiskem titanového prášku, který pokrývá složení, vlastnosti, specifikace, aplikace, pro/proti, dodavatele, náklady a další.

Složení 3D tisk titanového prášku

Titanový prášek pro aditivní výrobu se téměř výhradně skládá z prvku titanu. Mohou se však vyskytovat malá množství dalších prvků, jako je hliník, vanad, železo, kyslík, dusík a uhlík.

Titanové třídy pro fúzi práškového lože

Třída	Složení
Ti 6Al-4V	90% titan, 6% hliník, 4% vanad
Ti 6Al-4V ELI	Stejné jako Ti 6Al-4V, ale s nižšími limity pro intersticiální kyslík, železo a dusík
Komerčně čistý titan Grade 1	99,2 % Minimální titan
Komerčně čistý titan Grade 2	99,5 % Minimální titan
Komerčně čistý titan Grade 3	99,8 % Minimální titan
Komerčně čistý titan Grade 4	99,9 % Minimální titan

Ti 6Al-4V je dnes nejběžnější třída používaná v aditivní výrobě díky svému vynikajícímu poměru pevnosti k hmotnosti, svařitelnosti a odolnosti proti korozi. Varianta ELI má zlepšenou tažnost a houževnatost při lomu.

Komerčně čisté titanové třídy mají nižší pevnost, ale lepší biokompatibilitu pro lékařské implantáty. Titan třídy 5 s vyšším obsahem kyslíku se obecně nepoužívá pro fúzi práškového lože.

Vlastnosti 3D tisk titanového prášku Díly

3D tištěné titanové díly mohou dosáhnout vlastností podobných nebo překračujících tradičně vyráběný titan s přidanou výhodou svobody designu.

Mechanické vlastnosti

Vlastnictví	Ti 6Al-4V	Ti 6Al-4V ELI	CP Ti stupeň 2
Pevnost v tahu	930 – 1050 MPa	860 - 965 MPa	345 – 485 MPa
Mez kluzu	825 – 890 MPa	795 – 875 Mpa	≥ 275 MPa
Prodloužení po přetržení	8 – 15%	≥10 %	20%
Únavová pevnost	≥ 400 MPa	≥ 550 MPa	275 – 550 MPa
Lomová houževnatost	55 – 115 MPa√m	≥ 100 MPa√m	N/A

3D tištěný titan má tuhost, tvrdost a odolnost proti opotřebení srovnatelnou s tradičními metodami výroby titanu. Následné zpracování, jako je horké izostatické lisování (HIP), může dále zlepšit vlastnosti materiálu.

Výhody

• Vysoký poměr pevnosti a hmotnosti
• Odolnost proti korozi
• Biokompatibilita a osseointegrace
• Svoboda designu pro optimalizaci topologie
• Snížení odpadu ve srovnání se subtraktivními metodami
• Konformní chladicí kanály umožňují zvýšení výkonu

Omezení

• Vysoká reaktivita s kyslíkem ztěžuje manipulaci
• Vady tisku, jako je pórovitost, mohou snížit únavovou životnost
• Drahý práškový materiál a problémy s recyklací
• Následné zpracování může být vyžadováno k dosažení specifikací materiálu

Specifikace 3D tisk titanového prášku

Titanový prášek používaný pro aditivní výrobu musí splňovat přísné normy pro distribuci velikosti částic, morfologii, chemické složení a další atributy.

Distribuce velikosti

Parametr	Typická hodnota	Role
Rozsah velikosti částic	15 - 45 mikronů	Určuje minimální rozlišení prvků, rozprostíratelnost prášku
D10	20 mikronů	Označuje jemnější frakci prášku
D50	30 mikronů	Střední velikost částic
D90	40 mikronů	Označuje větší částice
Zdánlivá hustota	2,7 g/cc	Sléhavost práškového lože, ovlivňuje reprodukovatelnost

Prášek by měl mít téměř sférickou morfologii s malým množstvím satelitů pro hladké rozprostření prášku. Chemické složení se musí shodovat se specifikacemi jakosti s nízkým obsahem nečistot.

Další kritické atributy

• Tekutost
• Obsah zbytkového kyslíku a dusíku
• Konzistence zdánlivé a sypné hustoty
• Recyklovatelnost
• Chemická kompatibilita s procesem
• Manipulační vlastnosti

Splnění přísných požadavků na kvalitu pro každý parametr je zásadní pro bezvadnou výrobu.

Aplikace z 3D tisk titanového prášku

Průmysl	aplikace	Výhody 3D tisku titanu
Letectví a kosmonautika	– Součásti letadel (části křídel, součásti podvozku) – Součásti raketových motorů – Konstrukce satelitů	– Odlehčení: Snížená hmotnost se promítá do vyšší palivové účinnosti a delšího doletu. – Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti: Díly z titanu mohou být pevné a zároveň lehké, což je zásadní pro výkon letadel. – Svoboda designu: Pro optimalizovaný výkon a rozložení hmotnosti lze tisknout složité vnitřní struktury.
Lékařské a zubní služby	– Implantáty (náhrady kyčlí, kolen, zubní implantáty, lebeční implantáty) – Chirurgické nástroje – Zakázkové protetické pomůcky	– Biokompatibilita: Titan je lidským tělem dobře snášen, což minimalizuje riziko odmítnutí. – Přizpůsobení: 3D tisk umožňuje implantáty specifické pro pacienta, které dokonale odpovídají jejich anatomii pro lepší padnutí a funkci. – Porézní struktury: Implantáty lze tisknout s porézní strukturou, která podporuje zarůstání kostí pro lepší dlouhodobou stabilitu.
Automobilový průmysl	– Vysoce výkonné součásti motoru (ojnice, písty) – Lehké díly automobilů – Závodní komponenty	– Pevnost a odolnost: Titan odolává vysokým teplotám a tlaku, které jsou v motorech běžné. – Snížení hmotnosti: Lehčí díly přispívají ke zlepšení spotřeby paliva a ovladatelnosti. – Složité geometrie: 3D tisk umožňuje složité vnitřní kanály pro chlazení nebo průtok oleje.
Spotřební zboží a sport	– Rám kola špičkové kvality – Sportovní protetika – Šperky a brýle	– Jedinečný design a přizpůsobení: 3D tisk umožňuje personalizované návrhy a funkce. – Pevnost a lehkost: Ideální pro aplikace vyžadující jak odolnost, tak minimální hmotnost. – Biokompatibilita: Vhodné pro protetiku a některé aplikace šperků, které přicházejí do kontaktu s pokožkou.
Ropa a plyn	– Nástroje a zařízení pro vrtání – Potrubí a ventily odolné proti korozi	– Odolnost proti korozi: Titan vyniká v drsných prostředích s expozicí chemikáliím a slané vodě. – Vysoká pevnost: Odolává vysokému tlaku a namáhání, se kterým se setkává při těžbě ropy a plynu. – Snížení hmotnosti: Lehčí nástroje se mohou snadněji ovládat v hlubokých vrtech.
Výzkum a vývoj	– Prototypování složitých dílů – Testování nových návrhů a materiálů	– Rychlá iterace: 3D tisk umožňuje rychlé vytváření a testování nových návrhů. – Svoboda designu: Pro výzkumné účely lze tisknout složité geometrie. – Průzkum materiálů: Umožňuje tisk s různými titanovými slitinami nebo kompozity pro hodnocení vlastností.

Dodavatelé 3D tiskového titanového prášku

Většina dodavatelů titanového prášku nabízí jakost Ti 6Al-4V přizpůsobenou pro aditivní výrobu. Někteří také poskytují služby návrhu vlastních slitin.

Hlavní společnosti vyrábějící titanový prášek

Společnost	Nabízené třídy	Služby
AP&C	Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI	Vývoj slitin na zakázku
Tekna	Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI	Pokročilá plazmová sféroidizace
Přísada pro tesaře	Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI	Rozsáhlé testování QA
Praxair	Ti 6Al-4V	Atomizace dusíkem
Epoch	Komerčně čistý titan	Malé množství objednávek

Mnoho výrobců OEM 3D tiskáren, jako jsou EOS a SLM Solutions, také nabízí související titanové prášky. Recyklované prášky jsou levnější, ale mají vyšší úroveň nečistot.

Náklady na titanový prášek

Třída	Morfologie	Cenové rozpětí
Ti 6Al-4V	Sférické	350–1000 USD za kg
Ti 6Al-4V ELI	Sférické	500–2000 USD za kg
Jakost CP Ti 1–4	Nepravidelné	100–500 USD za kg

Náklady významně závisí na objemu objednávky, kvalitě, maržích dodavatele a recyklaci.

Výhody a nevýhody 3D tisk titanového prášku

Vlastnosti	Klady	Nevýhody
Vlastnosti materiálu	* Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti: Titan se může pochlubit výjimečnou pevností a zároveň zůstává lehký, což je ideální pro aplikace vyžadující snížení hmotnosti v leteckém a automobilovém průmyslu. * Odolnost proti korozi: Přirozená odolnost titanu proti korozi je ideální pro součásti vystavené drsným prostředím, jako jsou námořní nebo chemické prostředí. * Biokompatibilita: Biokompatibilní povaha titanu umožňuje jeho bezpečné použití v lékařských implantátech, podporuje osseointegraci (splynutí s kostí) pro dlouhodobou funkčnost.	* Omezený výběr materiálů: Ve srovnání s tradiční výrobou s širší škálou materiálů je 3D tisk s titanovým práškem v současnosti omezen na specifickou řadu titanových slitin.
Design a výroba	* Svoboda designu: 3D tisk odemyká vytváření složitých geometrií, které byly dříve nemožné tradičními subtraktivními výrobními metodami. To umožňuje složité návrhy, které optimalizují výkon a snižují hmotnost. * Rychlé prototypování: Schopnost rychle tisknout prototypy z digitálních modelů usnadňuje rychlejší iterace návrhu a cykly vývoje produktů. * Snížení množství materiálového odpadu: Na rozdíl od subtraktivní výroby, která generuje značný odpad, 3D tisk s titanovým práškem používá pouze materiál nezbytný pro návrh, což minimalizuje odpad a výrobní náklady.	* Vysoká počáteční investice: Náklady na 3D tiskárny speciálně navržené pro titanový prášek mohou být značné, což z něj činí investici vhodnou především pro vysoce hodnotné aplikace nebo velké výrobní závody. * Požadavky na následné zpracování: 3D tištěné titanové díly často vyžadují další kroky následného zpracování, jako je tepelné zpracování, odstranění podpěr a povrchová úprava, aby se dosáhlo požadovaných mechanických vlastností a estetiky.
Aplikace	* Letectví: Schopnost vytvářet lehké, vysoce pevné součásti pro konstrukce letadel, draky letadel a části motorů činí z 3D tisku titanu cenný nástroj v leteckém průmyslu. * Lékařský: Biokompatibilní titanové implantáty, jako jsou protetické pomůcky, zubní implantáty a lebeční implantáty, těží ze schopnosti 3D tisku vytvářet přizpůsobené díly pro potřeby specifické pro pacienta. * Motorsport: Snížení hmotnosti je v motoristickém sportu zásadní. 3D tištěné titanové komponenty, jako jsou písty, ojnice a části zavěšení, přispívají ke zlepšení výkonu a ovladatelnosti.	* Omezená dostupnost a odbornost: Specializované vybavení a odbornost potřebná pro 3D tisk titanového prášku může omezit jeho rozšířené přijetí, zejména pro menší výrobce nebo aplikace s nižšími objemy výroby. * Obavy o bezpečnost: Proces manipulace s titanovým práškem může představovat zdravotní rizika kvůli jeho hořlavosti a potenciálu pro respirační problémy. Pro bezpečné pracovní prostředí jsou nezbytné správné bezpečnostní protokoly a vybavení.

Srovnání procesů tisku titanu

Proces	Technologie	Vstupní materiál	Stavební obálka (v³)	Výhody	Nevýhody	Aplikace
Tavení elektronovým paprskem (EBM)	Vysokoenergetický elektronový paprsek taví titanový prášek vrstvu po vrstvě ve vakuové komoře.	Titanový prášek	Až 50 x 50 x 50	– Vynikající povrchová úprava a rozměrová přesnost – Pevné díly téměř čistého tvaru s vysokým poměrem pevnosti a hmotnosti – Minimální zbytkové napětí	– Vysoké náklady na zařízení a provoz – Omezená stavební obálka ve srovnání s jinými metodami – Hrubá povrchová textura na nepodpůrných plochách	– Letecké komponenty (lopatky turbín, podvozky) – Lékařské implantáty (kyčelní jamky, zubní implantáty)
Tavení laserovým paprskem (LBM)	Vysokoenergetický laserový paprsek taví titanový prášek vrstvu po vrstvě v prostředí inertního plynu.	Titanový prášek	Až 120 x 120 x 120	– Vysoká přesnost a rozlišení – Široká škála kompatibilních titanových slitin – Dobré mechanické vlastnosti	– Vyžaduje uzavřenou komoru s inertním plynem – Vyšší spotřeba energie laseru ve srovnání s EBM	– Lékařské a zubní implantáty – Automobilové díly (lehké komponenty) – Letecké komponenty (konstrukční díly)
Usměrněná depozice energie (DED)	Zaostřený zdroj energie (laser nebo elektronový paprsek) taví titanový drát nebo prášek a ukládá jej na substrát vrstvu po vrstvě.	Titanový drát nebo prášek	Až 1000 x 1000 x 1000	– Velká stavební obálka pro tisk velkoobjemových dílů – Rychlejší rychlosti tisku ve srovnání s fúzí práškového lože – Lze použít pro opravy a opláštění	– Nižší rozlišení a povrchová úprava ve srovnání s LBM/EBM – Vyšší riziko deformace a zkreslení – Omezená podpora pro složité geometrie	– Velkoobjemové konstrukční komponenty (mosty, tlakové nádoby) – Oprava stávajících dílů – Funkční prototypy
Binder Jetting (BJ)	Tryska s tekutým pojivem selektivně nanáší pojivo na lože titanového prášku a vytváří pevný zelený díl. Díl se poté zbaví pojiva a slinuje.	Titanový prášek a tekuté pojivo	Až 700 x 500 x 500	– Nižší náklady na díl ve srovnání s jinými metodami – Vhodné pro tisk složitých geometrií s vnitřními kanály – Široká škála materiálů (neomezuje se pouze na titan)	– Relativně slabé díly po odstranění pojiva, vyžadující slinování – Nižší mechanické vlastnosti ve srovnání s metodami fúze – Kroky následného zpracování mohou být časově náročné	– Nekritické automobilové komponenty (vnitřní díly) – Lékařské prototypy – Funkční díly s nízkým namáháním

Normy pro titanový prášek a tištěné díly

Aspekt	Standardizační organizace	Klíčové úvahy	Typické normy
Vstupní materiál prášku	ASTM International (ASTM), ISO	– Chemické složení – Velikost a distribuce částic – Tekutost – Morfologie prášku	– ASTM B348: Standardní specifikace pro titan a titanové slitiny, pásy, plechy a desky – ASTM F3056: Standardní specifikace pro aditivní výrobu (AM) titanového prášku – ISO 5832-2: Letecká řada – Kovové materiály – Tyče, pásy a plechy z titanové slitiny – Část 2: Technické specifikace – UNS R56400 (Ti-6Al-4V)
Mechanické vlastnosti	ASTM International (ASTM)	– Pevnost v tahu – Mez kluzu – Prodloužení – Pevnost v únavě – Tvrdost	– ASTM F136: Standardní specifikace pro plechy a desky pro konstrukční aplikace – ASTM F3001: Standardní specifikace pro aditivní výrobu (AM) prášků pro tavení laserovým paprskem – ASTM F3302: Standardní specifikace pro zhutňování titanových prášků a prášků ze slitin titanu tavením laserovým paprskem (LBM)
Mikrostruktura a pórovitost	ASTM International (ASTM)	– Velikost zrna – Úroveň a rozložení pórovitosti – Drsnosť povrchu	– ASTM E112: Standardní zkušební metody pro stanovení průměrné velikosti zrna kovových materiálů – ASTM B924: Standardní zkušební metody pro zkoumání a klasifikaci oxidového zabarvení titanu – ASTM F2904: Standardní praxe pro mikrostrukturní charakterizaci aditivně vyráběných kovových slitin
Návrh dílů pro aditivní výrobu (AM)	ASTM International (ASTM), Wohlers Report	– Minimální tloušťka stěny – Návrh pro podpůrné konstrukce – Vnitřní prvky a mřížkové struktury – Úvahy o drsnosti povrchu	– ASTM F4269: Standardní praxe pro aditivní výrobu s tavením práškové vrstvy kovů – Zpráva Wohlers [Zpráva Wohlers o stavu aditivní výroby v průmyslu] – Směrnice pro návrh od výrobců strojů
Nedestruktivní zkoušení (NDT)	ASTM International (ASTM)	– Rentgenová radiografie – Počítačová tomografie (CT) – Ultrazvukové zkoušení – Zkoušení vířivými proudy	– ASTM E1742: Standardní praxe pro radiografické zkoušení kovových materiálů na poréznost a inkluze – ASTM F2789: Standardní zkušební metoda pro počítačovou tomografii (CT) zobrazování procesů aditivní výroby (AM) – ASTM E114: Standardní praxe pro ultrazvukové zkoušení kovových materiálů – ASTM E2194: Standardní návod pro elektromagnetické (vířivé proudy) zkoušení kovových výrobků
Následné zpracování	ASTM International (ASTM)	– Tepelné zpracování – Horké izostatické lisování (HIP) – Obrábění a dokončování	– ASTM F67: Standardní zkušební metoda pro stanovení pevnosti ve smyku titanových šroubů a kolíků – ASTM B967: Standardní specifikace pro chemické odstraňování okují, elektročištění a pasivaci titanu a titanových slitin – Směrnice pro obrábění a dokončování od výrobců strojů

FAQ

Jaká je nejlepší titanová slitina pro 3D tisk?

Ti 6Al-4V je v současnosti nejběžnější titanová slitina používaná pro aditivní výrobu díky svým vynikajícím mechanickým vlastnostem a odolnosti proti korozi v kombinaci s komerční dostupností. Ti 6Al-4V ELI poskytuje zlepšenou houževnatost v lomu.

Jaké metody lze použít pro 3D tisk titanových dílů?

Selektivní laserové tavení (SLM) a tavení elektronovým paprskem (EBM) jsou hlavní technologie spékání práškové vrstvy používané pro tisk titanu. Metody usměrněného nanášení energie (DED) jsou také použitelné, ale mají větší pórovitost.

Potřebuje titan podpěry při 3D tisku?

Ano, titan vyžaduje podpěry během tisku, protože rychle tuhne. Pečlivě optimalizované podpěry jsou nezbytné, aby se zabránilo povrchovým vadám a plýtvání materiálem a zároveň bylo zajištěno dostatečné ukotvení.

Je levnější 3D tisk nebo obrábění titanu?

U jednorázových zakázkových dílů je 3D tisk titanu často levnější, protože nejsou zapotřebí žádné nástroje. U sériové výroby může mít CNC obrábění titanu nižší náklady na díl, ale má vyšší počáteční náklady na nastavení a plýtvání materiálem.

Která odvětví používají 3D tištěné titanové díly?

Letecký průmysl je dnes největším uživatelem titanového tisku díky zlepšení poměru buy-to-fly u složitých součástí. Lékařský, automobilový, ropný a plynárenský, sportovní zboží a spotřebitelský sektor také využívají 3D tištěný titan.

Kolik stojí titanový prášek pro 3D tisk?

Titanový prášek se může pohybovat od 100 do 2000 dolarů za kilogram v závislosti na složení, kvalitě, množství objednávky a dalších faktorech. Kulovité prášky Ti 6Al-4V a Ti 6Al-4V ELI pro kritické aplikace vyžadují prémiové ceny nad 500 USD/kg.

Jaké jsou některé příklady 3D tištěných titanových dílů?

3D tisk umožňuje inovativní titanové díly, jako jsou konzoly draku letadla, turbíny, komponenty pro motorsport, přizpůsobené protézy, konformně chlazené vstřikovací formy a dokonce i brýle nebo šperky využívající složité mřížkové návrhy.

znát více procesů 3D tisku