Titan 3D-Druck-Pulver

Übersicht

Titan ist ein starkes, leichtes Konstruktionsmetall, das in der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der Industrie in großem Umfang eingesetzt wird. Pulver aus Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V ermöglichen den 3D-Druck komplexer Teile, die eine hohe Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität aufweisen.

Selektives Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) können feines Titanpulver zu vollständig dichten Bauteilen mit komplizierten Designs verarbeiten, die durch maschinelle Bearbeitung oder Gießen nicht machbar sind. Dieser Leitfaden behandelt die Zusammensetzung von Titanlegierungen, Eigenschaftsdaten, Anwendungen, Druckerparameter und Lieferanten, um die Vorteile des 3D-Drucks von Metallen zu nutzen.

Zusammensetzung von Titandruckpulvern

Titanlegierungen bestehen in erster Linie aus Titan mit anderen Legierungselementen wie Aluminium, Vanadium, Eisen, Molybdän und anderen, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern. Zu den gängigsten Titansorten für AM gehören:

• Ti-6Al-4V (Grad 5) ist die am weitesten verbreitete Titanlegierung, deren Festigkeit auf der Stabilisierung durch +Al und der Ausscheidungshärtung durch +V beruht. Eine ELI-Variante (Extra Low Interstitial) weist eine hohe Duktilität auf.
• Die Legierung Ti 6242 ersetzt einen Teil des Vanadiums, um sie für biokompatible orthopädische Implantate, die eine Osseointegration erfordern, besser geeignet zu machen.
• Spurenelemente wie Eisen, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff werden auf ein Minimum reduziert, da sie sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften auswirken, wenn sie über die festgelegten Grenzwerte hinaus vorhanden sind.

Eigenschaften von Metall-Titan-Druckpulvern

Zu den wichtigsten Materialeigenschaften, die Titanlegierungen für Flugzeuge und medizinische Produkte attraktiv machen, gehören:

• Die hohe Festigkeit im Verhältnis zur geringen Dichte (die Hälfte von Stahl) macht Titanbauteile leichter. Die Festigkeit übertrifft gängige Aluminiumlegierungen und vermeidet Korrosionsprobleme.
• Duktil genug für die Kaltumformung. Varianten mit besonders geringen Zwischengitteranteilen wie Ti64 ELI erhöhen die Dehnung zusätzlich.
• Schmelzen bei über 1600°C. Behält seine Eigenschaften auch bei 400-500°C bei.
• Die thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten sind recht niedrig, um Funken zu vermeiden und die Wärme zu isolieren.

Anwendungen von 3D-gedruckten Metallteilen aus Titan

Luft- und Raumfahrt

• Strukturelle Zellenträger, Rippen, Laufräder und Armaturen
• Leichtgewichtige Turboladergehäuse und Wärmetauscher
• In die Turbinenteile von Düsentriebwerken integrierte konforme Kühlkanäle
• Maßgeschneiderte UAV/Drohnen-Rahmen entsprechend den Komponenten

Medizin und Zahnmedizin

• Orthopädische Knie-, Hüft-, Wirbelsäulen- und Kieferimplantate wie Hüftpfannen
• Zahnabutments für Kronen und Brücken
• Speziell auf die Anatomie des Patienten zugeschnittene Schädelrekonstruktionsplatten

Automobilindustrie

• Motorgehäusehalterungen und Aufhängungselemente
• Konforme konturnahe Kühlung in Spritzgussformen integriert
• Leichte Bremsscheiben mit ausgeklügelten Luftstromgeometrien

Prozessparameter für den 3D-Druck von Titan

Schlüsselparameter bei der Verwendung von Titanpulver in Pulverbettschmelzverfahren:

LPBF-Einstellungen

EBM-Einstellungen

LPBF erfordert Stützstrukturen, während EBM das Metall ohne Unterstützung aufbaut. Die Dichte ≥99% wird nach Spannungsabbau und heißem isostatischem Pressen erreicht. Die Mindestwandstärken erreichen typischerweise 100-150 Mikrometer.

Lieferanten von Titandruckpulvern

Führende Metallverarbeitungsunternehmen haben Titanpulver für additive Verfahren zertifiziert:

Kosten von Titandruckpulvern

Als fortschrittliche Leichtmetalllegierung für Hochleistungsanwendungen ist Titanpulver sehr begehrt:

• Die Materialpreise reichen von $200 bis $500 pro kg
• Kundenspezifische Legierungen mit engeren Korngrößen und hoher Reinheit erhöhen die Kosten weiter
• Recyceltes Pulver ist billiger, sofern es gut fließfähig ist.

Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Teilen aus Titan

Nach dem Druck werden die Titanbauteile bearbeitet:

Entfernen der Stütze - Vorsichtiges Trennen der Stützen durch EDM-Schneiden, wo es möglich ist, Abknicken kleinerer Teile

Stressabbau - Schonende Wärmebehandlung der gesamten Bauplatte bei 650°C für 2 Stunden in Argon zum Abbau von Restspannungen

Heiß-Isostatisches Pressen - HIP-Prozess bei 920°C und 100 MPa für 3 Stunden zum Schließen der inneren Hohlräume >99% Dichte

Lösung Behandlung - Eintauchen bei 705°C für 1 Stunde, dann Abschrecken an Luft/Wasser zur Entwicklung der gewünschten Mikrostruktur

Bearbeitung - CNC-Fräsen von kritischen Passflächen zur Einhaltung der erforderlichen Maßtoleranzen

Strahlen + Ätzen - Kugelstrahlen von Aluminiumoxid und anschließendes Säureätzen zur Reinigung der Oberflächen

Qualitätsprüfung - Bestätigen Sie, dass Chemie, Mikrostruktur, Schicht für Schicht Qualität und mechanische Eigenschaften den Spezifikationen entsprechen

Normen für den 3D-Druck von Titan

Zukunftsaussichten für den Pulverbettdruck mit Titan

Während die Luft- und Raumfahrt aufgrund der erheblichen Vorteile der Bauteilkonsolidierung und der Gewichtseinsparung derzeit die Nachfrage nach 70% ankurbelt, wird sich der Einsatz von Titan-AM in der Automobilindustrie, bei Sportartikeln und in weiteren Konsumsektoren aufgrund der sinkenden Kosten beschleunigen. Weitere Anwendungen für gedrucktes Titan sind:

Luft- und Raumfahrt - Größere und vollständig gedruckte Primärstrukturen wie Turbinenschaufeln und künftige Passagierkabinenteile, die ihre Stärken in Bezug auf Designkomplexität, Konsolidierung der Teilemontage und Korrosionsbeständigkeit ausspielen.