Titan-Pulver für die additive Fertigung

Titan-Pulver ist ein wichtiger Werkstoff für den Druck hochfester, leichter Titanbauteile mit additiven Fertigungsverfahren wie dem selektiven Laserschmelzen (SLM) und dem Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Dieser Leitfaden bietet einen umfassenden Überblick über Titanpulver für AM.

Einführung in Titanpulver für AM

Titanpulver ermöglicht den 3D-Druck von Titanteilen mit außergewöhnlichen Eigenschaften:

• Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
• Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
• Gute Eigenschaften bei hohen Temperaturen
• Biokompatibilität für medizinische Zwecke
• Reaktiv und erfordert eine kontrollierte Verarbeitung

Gängige Titanlegierungen für AM:

• Ti-6Al-4V (Ti64)
• Ti-6Al-7Nb (Ti647)
• Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti5553)
• Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6-2-4-2)

Wichtige Eigenschaften des Pulvers:

• Chemie und Mikrostruktur
• Partikelgröße und -verteilung
• Form und Morphologie der Partikel
• Reinheit
• Fließfähigkeit und Rohdichte

Ti-6Al-4V-Pulver

Ti-6Al-4V ist das in der AM am häufigsten verwendete Titanlegierungspulver:

• Bietet eine hervorragende Kombination aus Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit
• Die Festigkeit kann bei AM-Teilen 1300 MPa und mehr erreichen.
• Schmilzt bei 1600°C und erfordert Wärmemanagement während des Drucks
• Empfindlich gegenüber Sauerstoffaufnahme - erfordert kontrollierte Atmosphäre

Anwendungen:

• Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie
• Biomedizinische Implantate wie orthopädische Knie- und Hüftprothesen
• Teile für die Lebensmittel- und Chemieindustrie
• Konsumgüter

Lieferanten: AP&C, Tekna, Carpenter Additive, Arcam AB

Ti-6Al-7Nb-Pulver

Ti-6Al-7Nb-Pulver bietet eine hervorragende Zugfestigkeit und Kriechbeständigkeit:

• Hohe Festigkeit bis zu 1500 MPa durch Ausscheidungshärtung
• Gute Schweißbarkeit
• Wird als Alternative zu toxischen Vanadium-Legierungen verwendet
• Erfordert heißisostatisches Pressen (HIP) zur Minimierung von Hohlräumen

Anwendungen:

• Komponenten für die Luft- und Raumfahrt wie Flugzeugzellen und Turbinen
• Motorsportteile, die hohen Belastungen ausgesetzt sind
• Zahnimplantate und medizinische Prothetik
• Marine Anwendungen wie Schiffe und Propeller

Lieferanten: AP&C, TLS Technik GmbH, Tekna

Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-Pulver

Ti-5-5-5-3-Pulver bietet eine ausgezeichnete Härtbarkeit und Tiefenhärtung:

• Festigkeitswerte über 1400 MPa
• Behält seine Eigenschaften bei über 350°C
• Für schwer zu bearbeitende Teile aus Titan
• Bietet eine hohe Ermüdungsfestigkeit und Kriechfestigkeit

Anwendungen:

• Fahrwerke und Strukturteile von Flugzeugen
• Formel-1-Motor- und Fahrwerkskomponenten
• Turbinenmotorscheiben und Verdichterteile
• Befestigungselemente und Hardware für die Luft- und Raumfahrt

Lieferanten: AP&C, Carpenter Additive, Arcam AB

Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-Pulver

Ti-6-2-4-2-Pulver bietet eine hervorragende Beständigkeit gegen Heißgaserosion:

• Oxidations- und korrosionsbeständig bis zu 600°C
• Ausgezeichnete Festigkeit bis zu 1300 MPa
• Verwendet für Teile, die Gasen mit hoher Temperatur ausgesetzt sind
• Erfordert heißisostatisches Pressen, um die volle Dichte zu erreichen

Anwendungen:

• Triebwerksschaufeln und Leitschaufeln für Flugzeuge
• Düsen für Raketentriebwerke
• Raketenteile, die heißen Gasströmen ausgesetzt sind
• Komponenten von Kernreaktoren

Lieferanten: AP&C, Tekna, Sandvik Osprey

Titan Grad 1 und Grad 2

Klasse 1 und 2 unlegiert Titan-Pulver bieten eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit:

• Hohe Reinheit mit wenig Zwischengitterelementen
• Ausgezeichnete Biokompatibilität
• Geringe Festigkeit im Vergleich zu Legierungen; etwa 380 MPa
• Einsatz in der Chemie, Schifffahrt und bei Verbraucheranwendungen

Anwendungen:

• Biomedizinische Implantate wie Schädelplatten
• Chemische Reaktorbehälter und Rohrleitungen
• Schiffskomponenten wie Propellerwellen
• Ausrüstung für die Lebensmittelverarbeitung

Lieferanten: AP&C, TLS Technik, Tekna Plasma Systeme

Titanaluminid-Pulver

Titanaluminid-Legierungen wie Ti4522 ermöglichen den Druck leichter Bauteile:

• Geringe Dichte - 3,7 g/cm3
• Festigkeit bis zu 1000 MPa
• Ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit
• Hochtemperaturfähigkeit bis zu 750°C
• Schwierige Verarbeitung durch schnelles Abkühlen und Erstarren

Anwendungen:

• Kompressorteile für die Luft- und Raumfahrt
• Räder für Kfz-Turbolader
• Brennkammerauskleidungen
• Raketen- und Flugzeugstrukturen

Lieferanten: Kennametal, AP&C, Sandvik

Verfahren zur Herstellung von Titanpulver

1. Gaszerstäubung

• Inertes Gas, das zum Zerstäuben von geschmolzenem Metall in feine Tröpfchen verwendet wird
• Sphärische Pulver, ideal für AM, 10-100 Mikrometer
• Hoher Reinheitsgrad, kann kostspielig sein

2. Plasma-Zerstäubung

• Verwendet Plasmagas zum Zerstäuben von geschmolzenem Metall
• Kontrollierte Partikelformen und -größen
• Geringere Sauerstoffaufnahme als bei der Gaszerstäubung

3. Hydrid-Dehydrid (HDH)

• Zerkleinertes Titanhydrid wird dehydriert
• Unregelmäßige Formen, große Partikelgrößen
• Geringere Kosten, kann höhere Verunreinigungen aufweisen

Technische Daten

Typisch Titanpulver Spezifikationen für AM:

Die Kontrolle von Partikelgrößenverteilung, Form, Chemie und Dichte ist entscheidend.

Handhabung und Lagerung von Titanium Powder

Eine besondere Handhabung ist erforderlich, um Oxidation und Feuchtigkeitsaufnahme zu vermeiden:

• Verwenden Sie Behälter und Transportgefäße aus rostfreiem Stahl
• Pulver nur in Inertgas-Gloveboxen handhaben
• Hochreine Argon-Atmosphäre verwenden
• Direkte Einwirkung von Luft und Wasser vermeiden
• Erdung aller Materialtransportgeräte
• Lagertemperaturen von -10°C bis 30°C einhalten
• Pulverbett einfrieren, wenn der Drucker nicht in Betrieb ist, um Sauerstoffaufnahme zu verhindern

Eine ordnungsgemäße Lagerung verlängert die Wiederverwendungsdauer von Titanpulver erheblich.

Pulversiebung

Die Siebung dient dazu, eine gleichmäßige Partikelgrößenverteilung zu erhalten:

Vorteile

• Bricht Agglomerate auf
• Entfernt Satellitenpartikel
• Reduziert die Wahrscheinlichkeit von Mängeln
• Verbessert Pulverfluss und Verpackung

Verfahren

• Pulver durch ein feines Sieb mit einer Maschenweite von etwa 20 Mikron sieben
• Rotationssiebung oder Rüttelsiebung verwenden
• Durchführung unter inertem Schutzgas
• Dokumentieren Sie den Prozentsatz des verbleibenden Pulvergewichts

Qualitativ hochwertiges Ausgangspulver in Kombination mit einer Siebung minimiert die Fehlerquote der Endprodukte.

Lieferanten und Preisgestaltung

• Unlegierte Pulver der Klassen 1 und 2 kosten ~$150-250/kg
• Ti-6Al-4V und Ti-6Al-7Nb kosten ~$250-450/kg
• Sonderlegierungen kosten $500-650/kg

Die Preise hängen von Auftragsvolumen, Qualitätsniveau, Mikrostruktur und Morphologie ab.

Installation und Inbetriebnahme des Druckers

Die Installation eines Titan-AM-Druckers erfordert:

• Gründliche Reinigung und Dichtheitsprüfung
• Überprüfung der Reinheit von Argon-Systemen
• Laden und Testen des Pulverhandlingsystems
• Kalibrieren und Nivellieren der Bauplatte
• Integration von Kältemaschine, Gasversorgung, Siebstation
• Programmierung der Prozessparameter
• Drucken von Testteilen zur Überprüfung der Qualität

Die Anbieter bieten Unterstützung bei der Installation an, um eine optimale Einrichtung der Maschine zu gewährleisten.

Bewährte Praktiken für das Drucken

Druckerbetrieb:

• Aufrechterhaltung hochreiner Argonwerte
• Sorgfältige Überwachung von Schmelzbad und thermischem Verhalten
• Validierung aller kritischen Dimensionen
• Regelmäßiger Austausch von Filtern und Verbrauchsmaterialien
• Überwachung von Pulver auf Wiederverwendungsmengen

Sicherheit des Personals:

• Verwenden Sie beim Umgang mit Pulver PSA wie Atemschutzmasken
• Vermeiden Sie den Kontakt mit feinem Titanpulver
• Richtige Entsorgung von gebrauchtem Titanpulver

Teil Nachbearbeitung:

• Entfernen Sie die Stützen vorsichtig von empfindlichen Teilen
• Wärmebehandlung abgestimmt auf Legierung und Anwendung
• Heißisostatisches Pressen zur Verbesserung der Dichten
• CNC-Bearbeitung und Endbearbeitung, falls erforderlich

Die Einhaltung der vom Hersteller empfohlenen Verfahren ist entscheidend, um fehlerfreie gedruckte Teile aus Titanlegierungen zu erhalten.

Wartung und Inspektion

Regelmäßige Wartungsarbeiten erforderlich:

Täglich:

• Optiken auf Schäden und Ablagerungen untersuchen
• Überwachung des Argongehalts und der Sauerstoffsensoren
• Dichtungen und Sensoren des Pulverhandlingsystems prüfen
• Baukammer und Sieb reinigen Pulverreste

Wöchentlich:

• Kalibrierung von Instrumenten und Sensoren
• Bewegliche Teile schmieren und prüfen
• Prüfen Sie die elektrischen Anschlüsse und die Erdung

Monatlich:

• Durchführung von Dichtheitsprüfungen am Argon-System
• Überprüfung von Sicherheitseinrichtungen und Alarmen
• Filterstatus prüfen und bei Bedarf austauschen
• Überwachung des allgemeinen Systemzustands

Jährlich:

• Planen Sie eine vorbeugende Wartung
• Austausch von Verbrauchsmaterialien und Optiken
• Hardware-Inspektion und -Upgrades

Proaktive Wartung verbessert die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Geräte.

Auswahl eines Titandrucksystems

Wichtige Auswahlkriterien für ein 3D-Drucksystem für Titan:

1. Anforderungen an die Produktion

• Arten der zu produzierenden Teile
• Materialqualität auf der Grundlage der erforderlichen Eigenschaften
• Erforderliche Produktionsmengen
• Anforderungen an Genauigkeit und Oberflächengüte

2. Drucker-Spezifikationen

• Unterstützte und optimierte Legierungen
• Baurate, Präzision und Wiederholbarkeit
• Kontrolle und Eindämmung von Inertgas
• Merkmale der Automatisierung
• Größe und Kapazität

3. Pulver-Handling-System

• Integriert oder eigenständig
• Möglichkeiten der Siebung, Lagerung und Wiederverwendung
• Überwachung von Sauerstoff und Feuchtigkeit
• Einfacher Betrieb und Eindämmung

4. Einhaltung der Normen

• Industrienormen wie ASTM F2924
• Qualitätszertifikate des Herstellers
• CE- und FCC-Konformität

5. Lieferantennachweise

• Spezialisiertes Fachwissen in Titan-AM
• Lokale anwendungstechnische Unterstützung
• Angebotene Schulungen für Bediener
• Wartungs- und Serviceverträge

Die Bewertung der Optionen auf der Grundlage dieser Faktoren gewährleistet die Auswahl des idealen additiven Fertigungssystems für Titan, das den Produktionsanforderungen entspricht.

Vor- und Nachteile von Titan AM

Vorteile

• Ausgezeichnetes Verhältnis von Stärke zu Gewicht
• Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität
• Weniger Teile, mehr Leistung
• Kurze Bearbeitungszeiten für komplexe Geometrien
• Maßgeschneiderte Designs und Serienproduktion
• Reduziert den Ausschuss im Vergleich zur maschinellen Bearbeitung
• Konsolidiert Baugruppen zu einem Teil

Benachteiligungen

• Hohe Material- und Maschinenkosten
• Zusätzliche Nachbearbeitungsschritte
• Beschränkungen der maximalen Teilegröße
• Die Kontrolle interner Mängel kann eine Herausforderung sein
• Materialeigenschaften können im Vergleich zum Kneten variieren
• Spezialisiertes Fachwissen erforderlich

Fehlerbehebung bei Titanium AM-Problemen

FAQs

F: Wie wird reaktives Titanpulver sicher gehandhabt?

A: Verwendung von Handschuhkästen und Trichtern mit Inertgas, Vermeidung von Luftexposition und Aufrechterhaltung eines angemessenen Argonspiegels während des Drucks.

F: Welche Partikelgröße wird für Titan-AM-Pulver verwendet?

A: In der Regel 10-45 Mikrometer, mit strengerer Kontrolle bei einer Verteilung von 20-45 Mikrometer.

F: Welche Nachbearbeitungsmethoden werden verwendet?

A: Entfernen der Auflage, Wärmebehandlung, heißisostatisches Pressen und Endbearbeitung/Polieren.

F: Welche Verunreinigungen beeinträchtigen die Wiederverwendung von Titanpulver?

A: Die Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenstoff verkürzt die Wiederverwendungsdauer. Strenge Handhabungsverfahren sind erforderlich.

F: Wie oft kann Titanpulver wiederverwendet werden?

A: In der Regel 20-100 Drucke, je nach Legierung, Handhabung und Lagerung. Titan Grad 23 bietet eine bessere Wiederverwendung als Grad 5.

F: Welche Temperatur wird für die Wärmebehandlung von AM-Titanteilen verwendet?

A: Die Lösungsbehandlung erfolgt 50-100 °C unter der Beta-Transus-Temperatur, gefolgt von der Alterung und der Abkühlung an der Luft/im Ofen.

F: Welche Normen gelten für Titan-AM-Pulver?

A: ASTM B801, ASTM F2924, ASTM F3001, ISO 23304 (in Entwicklung).

F: Warum wird heißisostatisches Pressen verwendet?

A: HIP hilft, innere Hohlräume zu schließen und eine höhere Dichte und bessere mechanische Eigenschaften zu erzielen.

Schlussfolgerung

Titanpulver ermöglicht den Druck von hochfesten, leichten Titankomponenten für fortschrittliche Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der Industrie mit Hilfe von AM-Techniken wie SLM und EBM. Mit Eigenschaften, die denen von herkömmlichem Titan überlegen sind, können komplexe Geometrien schnell und effizient hergestellt werden. Allerdings sind eine reaktive Pulverhandhabung, kontrollierte Prozessparameter, geschulte Bediener und Qualifikationsverfahren für die Teile unerlässlich, um fehlerfreie Ergebnisse zu erzielen. Mit zunehmender Entwicklung des Know-hows bietet AM unter Verwendung von Titanpulver beispiellose Möglichkeiten zur Herstellung kundenspezifischer, hochleistungsfähiger Titanteile mit kürzeren Vorlaufzeiten.

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