Poeder voor titanium 3D afdrukken

titanium 3d printpoeder is een sterk, lichtgewicht en corrosiebestendig metaal dat ideaal is voor het 3D-printen van complexe en duurzame onderdelen in de ruimtevaart, de medische sector, de auto-industrie en andere industriële toepassingen. Dit artikel geeft een uitgebreid overzicht van titanium poedermetallurgie voor additive manufacturing.

Overzicht van titanium 3d printpoeder

Titanium is een van de populairste metalen die wordt gebruikt in poederbedfusie en directed energy deposition 3D printtechnologieën. Enkele belangrijke voordelen van 3D geprinte titanium onderdelen zijn:

• Hoge sterkte-gewichtsverhouding
• Bestand tegen extreme temperaturen en corrosie
• Biocompatibel voor medische implantaten
• Complexe geometrieën die niet mogelijk zijn met gieten of machinaal bewerken
• Minder afval vergeleken met subtractieve methoden
• Kortere doorlooptijden en kosten vergeleken met traditionele titaniumproductie

Titaan is echter reactief bij hoge temperaturen en vereist een inerte kameromgeving tijdens het printen met argon- of stikstofgassen. De eigenschappen van 3D-geprint titanium zijn afhankelijk van verschillende factoren:

Belangrijkste factoren die de eigenschappen van Titanium 3D prints beïnvloeden

Parameter	Beschrijving	Effect op eigenschappen
Titaanlegering kwaliteit	Zuiverheidsniveaus van titanium, aluminium, vanadium, enz.	Sterkte, hardheid, vervormbaarheid, corrosiebestendigheid
Poedergrootteverdeling	Bereik van fijne tot grove poederdeeltjes	Dichtheid, oppervlakteafwerking, precisie
Laagdikte	Dunnere lagen verbeteren de resolutie maar verlengen de printtijd	Nauwkeurigheid, toleranties, oppervlakteruwheid
Energiebron	Laser, elektronenbundel, plasmaboog	Gelokaliseerd smelten, verhitten, afkoelen beïnvloeden microstructuur
Afdrukstand	Verticale vs. horizontale structuren	Anisotrope sterkte, kan steunen nodig hebben
Heet isostatisch persen	Nabewerking om poriën te verwijderen	Verbetert de dichtheid en levensduur aanzienlijk

Met optimale parameters voldoen 3D-geprinte titanium onderdelen aan of overtreffen ze de eigenschappen van gesmeed walserijproduct, terwijl ze innovatieve ontwerpen mogelijk maken die niet mogelijk zijn met subtractieve methoden.

Types van titanium 3d printpoeder voor AM

Titaanlegeringen zijn verkrijgbaar in verschillende kwaliteiten voor verschillende additieve productieprocessen. De meest voorkomende titaanpoeders zijn:

Veelvoorkomende titanium poederkwaliteiten voor 3D printen

Legering	Beschrijving	Toepassingen
Ti-6Al-4V ELI	Extra lage interstitiële versie van werkpaardlegering Ti64	Ruimtevaartonderdelen, biomechanische implantaten
Ti 6Al-4V	Populairste kwaliteit, goede sterkte en corrosieweerstand	Auto's, maritieme hardware, sportartikelen
Ti-6Al-7Nb	Hogere biocompatibiliteit dan Ti64	Orthopedische en tandheelkundige implantaten, chirurgische instrumenten
CP-Ti graad 2	Commercieel zuiver titanium, zachter dan legeringen	Voedsel/chemische procesapparatuur
Ti-555	Ruimtevaartkwaliteit met hoge sterkte	Constructieonderdelen voor vliegtuigen, raketmotoren
Ti-1023	Uitzonderlijke weerstand tegen vermoeiing en kruip	Turbinebladen, landingsgestel, bevestigingsmiddelen

De deeltjesgrootteverdeling is een sleuteleigenschap die de uiteindelijke dichtheid en oppervlakteafwerking bepaalt. Fijnere poeders van 10-45 micron stromen en verdichten beter, terwijl grovere poeders van meer dan 100 micron de poederverwijdering vergemakkelijken en de materiaalkosten verlagen.

Titanium poeder specificaties

Parameter	Typisch bereik
Deeltjesgrootte	15-45 micron, tot 150 μm
Stroomsnelheid	<15 s/50 g
Schijnbare dichtheid	2,1-3,0 g/cm3
Tik op dichtheid	3,2-4,1 g/cm3
Puurheid	>99,5% titanium
Zuurstofgehalte	<0,20%
Stikstofgehalte	<0,03%
Waterstofgehalte	<0,015%

Fabrikanten verfijnen voortdurend de productiemethoden voor titaniumpoeder en de samenstelling van legeringen om te voldoen aan de groeiende vraag naar hoogwaardige additief geproduceerde titanium onderdelen in verschillende industrieën.

Hoe titaniumpoeder wordt gemaakt

Titaanmetaalpoeder heeft een hogere oppervlakte-volumeverhouding dan vaste vormen zoals ingots of staaldraad. Er zijn verschillende moderne poederproductietechnieken:

• Plasma-verneveling - Inerte gasstralen met hoge snelheid breken gesmolten titaniumstromen op in fijne druppeltjes die snel stollen tot bolvormige poeders met een gladde oppervlaktemorfologie. Dit produceert consistente deeltjesgroottes met weinig satellieten.
• Gasverstuiving - Net als bij plasmaverneveling genereren lagere gasdrukken minder fijne poeders die geschikt zijn voor EBM-printen. Poeders vertonen wat spatten met onregelmatige vormen en satellieten.
• Roterend elektrodeproces - Staven of draden van titaniumlegering worden gesmolten door vlambogen onder inerte atmosfeer en centrifugale krachten werpen het metaal uit dat vervolgens stolt tot afgeplatte bolvormige deeltjes. Economische productie van sponsachtige poeders.
• Hydride-dehydrideproces - Fijn verdeeld titaanhydridepoeder wordt ontleed in een vacuüm, waardoor het uiteenvalt in fijn metallisch titaanpoeder met een hogere zuurstofonzuiverheid rond 0,35-0,5%.

Alle methoden vereisen uitgebreid zeven en scheiden van het poeder om specifieke groottefracties te verkrijgen die geschikt zijn voor de 3D printtechniek, meestal rond de 10-150 micron. Gladde bolvormige deeltjes geven een betere verpakkingsdichtheid en vloeibaarheid. Voor gebruik is het essentieel dat het poeder op de juiste manier wordt geconditioneerd, gemengd en opgeslagen onder inerte atmosfeer.

Titanium poeder fabrikanten

Enkele van de belangrijkste wereldwijde leveranciers van titanium drukpoeders zijn:

Bedrijf	Plaats	Producten
AP&C	Canada	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, aangepaste legeringen
Timmerman additief	VS	Ti-6Al-4V, Ti 6-4 ELI, aangepaste kwaliteiten
GKN additief	Zweden	Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti-64 kwaliteiten
LPW-technologie	Groot-Brittannië	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Menglegeringen
Praxair	VS	CP Ti rang 2, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI
TLS-techniek	Duitsland	Ti-6Al-4V, Ti-Al-Fe legeringen

Deze bedrijven verbeteren voortdurend hun productieprocessen en kwaliteitsnormen om foutvrije titaniumpoeders te kunnen leveren die zijn aangepast voor alle grote metalen 3D-printmachines.

Titaanpoeder Kosten

Als lichtgewicht constructiemateriaal zijn titanium metaalpoeders ongeveer 4-5 keer duurder dan aluminium en 2 tot 3 keer duurder dan gewone staalsoorten in gewicht. De prijzen variëren per legering, kwaliteit en partijgrootte, van een paar kg tot een ton.

Legering	Prijsklasse per kg
CP Ti Gr 2	$50 – $150
Ti-6Al-4V	$80 – $450
Ti-6Al-4V ELI	$100 – $650
Ti 6Al-7Nb	$250 – $1000
Ti-555	$150 – $850
Ti-1023	$500 – $2000

Titaanafval van 3D printen kan hergebruikt worden om de materiaalkosten te compenseren na het testen op vervuiling en het verifiëren van de eigenschappen. De totale kosten van een onderdeel zijn afhankelijk van de bouwsnelheid, arbeid, complexiteit van het ontwerp en nabewerking naast de kosten van grondstoffen.

Toepassingen van 3D-geprinte titanium onderdelen

Dankzij de duurzaamheid, biocompatibiliteit en ontwerpvrijheid breidt 3D-printen van metaal het gebruik van titanium in verschillende industrieën uit:

Lucht- en ruimtevaart - Onderdelen voor vliegtuig- en raketmotoren, casco's, helikopters, drones. Vermindert het aantal onderdelen tot 90% in vergelijking met geassembleerde structuren.

Medisch en tandheelkundig - Orthopedische implantaten, prothesen, fixaties en instrumenten waarbij hoge sterkte en biocompatibiliteit van vitaal belang zijn. Maakt aangepaste ontwerpen mogelijk die zijn afgestemd op de anatomie van de patiënt.

Auto- en motorsport - Lichtgewicht onderdelen zoals drijfstangen, schakelflippers, aandrijfassen terwijl de veiligheidseisen worden overtroffen. Maakt prestatieverbeteringen mogelijk door topologieoptimalisatie.

Industriële apparatuur - Solide titanium waaiers, kleppen, pijpen, warmtewisselaars bestand tegen corrosie/erosie. Conforme koelkanalen minimaliseren gereedschapsslijtage tijdens het spuitgieten.

Consumentengoederen - Aangepaste sportuitrusting zoals fietsframes, golfclubkoppen, kajakpeddels met geïntegreerde ergonomische titanium rasterstructuren.

3D-printen ontsluit nieuwe geometrieën in titanium die niet haalbaar zijn met gieten en ondersteunt tegelijkertijd de productie van kleine volumes voor gespecialiseerde toepassingen met versnelde doorlooptijden en kostenbesparingen gedurende de levenscyclus.

Metalen 3D printprocessen voor titanium

Er zijn verschillende additieve productietechnieken die geschikt zijn voor titanium poederbedfusie:

Poederbedfusieprocessen

Proces	Beschrijving	Hardware Voorbeelden
DMLS	Direct metaallasersinteren versmelt poeder met fiberlaser	EOS M-serie
SLM	Selectief lasersmelten smelt poeder volledig tot dichte onderdelen	SLM-oplossingen
EBM	Elektronenbundel smelt selectief poeder in vacuüm	Arcam A2X

Deze poederbedprocessen bestaan uit het verspreiden van een dunne laag titaniumpoeder, het selectief smelten ervan met behulp van een gerichte warmtebron, het laten zakken van de bouwplaat en het herhalen van het proces om onderdelen van onder naar boven op te bouwen. De inerte gaskamer voorkomt oxidatie bij hoge temperaturen. De smeltbadjes stollen snel, wat resulteert in fijne gelijkvormige titaniumkorrels die isotopische eigenschappen hebben die vergelijkbaar zijn met gesmede producten.

SLM en DMLS bieden een hogere resolutie en oppervlakteafwerking, terwijl EBM snellere bouwsnelheden biedt voor goedkopere prototypes met een lage dichtheid. Hybride multilasersystemen verlagen de kosten van onderdelen en bouwtijden.

Gerichte energiedepositie

DED-processen zoals laser engineered net shaping (LENS) blazen metaalpoeder in een smeltbad dat wordt gecreëerd door een gefocuste laser of boog op een substraatplaat om parels naast elkaar af te zetten. DED is ideaal voor grote onderdelen die bijna netvormig zijn en uiteindelijk bewerkt worden. Titaniumlegeringen met hogere sterkte, taaiheid, breuktaaiheid en kruipweerstand kunnen worden gefabriceerd met geoptimaliseerde LENS-parameters.

Binder jetting

Door gebruik te maken van inkjet printkoptechnologie, deponeert binder jetting selectief een vloeibaar bindmiddel op een bed van titaniumpoeder om laag voor laag groene compacte onderdelen te vormen. Door te sinteren bij hoge temperaturen wordt een dichtheid van ~95% bereikt terwijl restspanningen tijdens het printen worden vermeden. Binder jetting is meer geschikt voor kleinere titanium onderdelen met gematigde structurele belastingen en eigenschappen lager dan die van gesmeed materiaal.

Nabewerking van titanium 3d printpoeder Onderdelen

Na het bouwproces kunnen titanium onderdelen verschillende nabewerkingsstappen ondergaan:

• Verwijderen van draagstructuur via EDM-draad snijden
• Spanningverlichtende warmtebehandeling
• Heet isostatisch persen (HIP)
• Oplossing behandelen & verouderen
• Shot peening om drukspanning op te wekken
• Verspanen - draaien, boren, frezen om te voldoen aan tolerantievereisten op kritieke tegenloopvlakken
• Oppervlakteafwerking - slijpen, zandstralen, polijsten, etsen om oppervlakken glad te maken
• Reiniging en sterilisatie voor medische onderdelen

De HIP-behandeling gebruikt argongas onder hoge druk onder vacuüm en bij verhoogde temperatuur. Dit helpt om interne holtes en microporositeit te elimineren, waardoor de vermoeiingslevensduur met 5-10 keer toeneemt voor missiekritieke luchtvaartonderdelen. HIP verandert echter de microstructuur van de geprinte onderdelen.

De totale kosten van onderdelen stijgen door uitgebreide handmatige nabewerkingsstappen voor kwaliteitskritische toepassingen. Geïntegreerde, geautomatiseerde nabewerkingsstations naast metaalprinters zijn in opkomst, samen met inspanningen voor kwaliteitsstandaardisatie in de AM-waardeketen die een hogere consistentie en herhaalbaarheid voor titanium onderdelen voor eindgebruik beloven.

Eigenschappen van 3D-geprinte titaniumlegeringen

Mechanische eigenschappen van veelgebruikte titaanlegeringen zijn afhankelijk van verschillende factoren zoals poederkwaliteit, laagdikte, laserparameters, bouwrichting, warmtebehandelingen en HIP.

Ti-6Al-4V ELI eigenschappen

Parameter	Zoals afgedrukt	Na HIP	Smeedijzer Ti-6Al-4V ELI
Treksterkte	1050 – 1250 MPa	~980 MPa	860 - 965 MPa
Opbrengststerkte (0,2% offset)	1000 - 1150 MPa	~930 MPa	795 - 880 MPa
Rek bij breuk	8 – 15%	10 – 18%	10 – 16%
Elasticiteitsmodulus	100 - 114 GPa	110 - 115 GPa	110 - 114 GPa
Vermoeiingssterkte (10^7 cycli)	400 - 600 MPa	500 - 800 MPa	550 - 750 MPa
Hardheid	34 - 44 HRC	32 - 40 HRC	33 - 37 HRC

Ti-6Al-4V ELI vertoont een vergelijkbare of betere treksterkte en hardheid dan traditionele smeedproducten, terwijl de vervormbaarheid en vermoeiing bij hoge cycli de eigenschappen van gesmeed materiaal benaderen na HIP.

Ti-6Al-7Nb Eigenschappen

Parameter	Typische As-Printed waarden	Gesmeed
Treksterkte	900 - 1300 MPa	860 - 1100 MPa
Opbrengststerkte (0,2% offset)	800 - 1250 MPa	795 - 965 MPa
Rek bij breuk	5 – 15 %	8 – 20%
Elasticiteitsmodulus	95 - 115 GPa	100 - 115 GPa
Hardheid	~334 HV	~302 HV

De toevoeging van niobium verhoogt de biocompatibiliteit in vergelijking met vanadium, terwijl de sterkte groter is dan die van traditionele Ti-6Al-4V implantaten. Geoptimaliseerde SLM-parameters produceren dichte Ti-6Al-7Nb-structuren van medische kwaliteit die de eigenschappen van gesmeed materiaal evenaren.

Ontwerprichtlijnen en beperkingen

Om de voordelen van poederbedfusie volledig te benutten, moeten ingenieurs onderdelen specifiek ontwerpen voor additieve productie:

Praktijken voor optimaal ontwerp

• Minimaliseer onnodige massa voor gewichtsbesparing met rasterstructuren
• Consolideren van subassemblages in afzonderlijke componenten
• Organische vormen en contouren verwerken die niet beschikbaar zijn bij machinale bewerking
• Ingebedde convergente koelkanalen niet mogelijk met gietstukken
• Versterk gebieden met hoge spanning met gyroïde opvulling of textuur
• Standaardiseren van interfaces, fittingen, bevestigingen voor modulaire assemblages
• Parametriseer onderdelenfamilies waarbij kritieke kenmerken gemeenschappelijk blijven

Ontwerpgrenzen

• Overstekhoeken van meer dan 60 graden vereisen steunen
• Extreme hoogte-breedteverhoudingen van meer dan 5:1 kunnen instorten of vervormen
• Minimale wanddikte ~0,8 mm, fijne kenmerken > 0,4 mm
• Dichte zakken kunnen ongesinterd poeder vasthouden, waardoor afvoergaten nodig zijn
• Vermijd holle ruimten geïsoleerd van toegang voor poederverwijdering
• Royale vullingen nodig om restspanningen te verlichten
• Nabewerking essentieel voor pasvormen, afdichtingen, lagers

Voorafgaande DfAM-training voor ingenieurs in combinatie met AM-ervaren ontwerpers kan herbewerkingen voorkomen door een gebrek aan productieklare ontwerpen die nodig zijn voor metaalgeprinte onderdelen voor eindgebruik.

Vergelijkende analyse

3D printen vs. gegoten of bewerkt titanium

Pro's voor additieve productie

• Ontwerpvrijheid voor lichtgewicht constructies
• Vermindering aantal onderdelen via consolidatie
• Aangepaste vormen die voldoen aan de vereisten van het veld
• Geen gereedschap meer nodig voor gietmatrijzen of CNC
• Veiliger, duurzaam proces met minder afval
• Kortere doorlooptijd voor kleine series

Nadelen

• Langzamer bouwen dan massaproductie
• Groottebeperkingen opgelegd door kleinere bouwkamers
• Hogere kosten per onderdeel in middelgrote hoeveelheden
• Uitgebreide opruiming van de steun waardoor oppervlaktedefecten ontstaan
• Nabewerking verlaagt de eigenschappen van het geprinte materiaal
• Anisotropie leidt tot richtingzwakke punten
• Normen en kwalificaties worden nog volwassen

3D-geprint titanium vs. andere metalen

Parameter	Titanium	Aluminium	Roestvrij staal	Nikkellegeringen
Kracht	Hoog	Medium	Medium	Heel hoog
Stijfheid	Medium	Medium	Hoog	Hoog
Dikte	Lichtgewicht	Zeer licht	Zwaarder	Zwaarder
Kosten	Hoog	Laag	Medium	Hoog
Levensduur bij temperatuur	Uitstekend	Eerlijk	Beter	Beste
Corrosieweerstand	Uitstekend	Beurs/Coatings	Beste	Beter
Bio-compatibiliteit	Uitstekend	Goed	Eerlijk	Arm
Magnetische eigenschappen	Nee	Nee	Licht magnetisch	Magnetisch

Titanium springt eruit waar mechanische prestaties bij hoge temperaturen worden gecombineerd met ontwerpflexibiliteit, lage massa en bestendigheid tegen extremen. De uitgebreide mogelijkheden van AM helpen bij het overwinnen van de traditionele productie-uitdagingen van hoge buy-to-fly ratio's en lange doorlooptijden die toepassingen eerder beperkten, ondanks de uitstekende eigenschappen.

Vooruitzichten en toekomst van Titanium AM

Additive is een van de snelst groeiende productiesegmenten met printers die steeds groter en sneller worden en gebruikmaken van meerdere lasers en robotarmen. Titanium onderdelen worden gekwalificeerd voor serieproductie in de luchtvaart, ruimtevaart, energie, motorsport en medische sector.

Enkele trends die van invloed zijn op het gebruik van titanium poederbedfusie:

• Dalende systeemkosten verbeteren betaalbaarheid
• Geautomatiseerde nabewerking voor herhaalbaarheid
• BAAM-technieken (Big Area Additive Manufacturing) voor grote titaniumstructuren
• Nieuwe gespecialiseerde legeringen met superieure kruip- en vermoeiingssterkte
• Simulatie en AI voor defectvoorspelling, procesoptimalisatie, kwaliteitsborging
• Hybride printen combineert additief, subtractief, inspectie, automatisering
• Volwassenheid van de toeleveringsketen die zorgt voor traceerbaarheid van materialen en procesnormen

Nu titanium AM onderdelen veiligheidscertificaten en medische certificaten krijgen, is 3D-printen klaar om voorraadintensieve industrieën zoals de lucht- en ruimtevaart te transformeren via gedistribueerde productiemodellen. Bedrijven werken samen in de waardeketen en brengen innovatieve ontwerpen sneller en tegen lagere kosten dan ooit tevoren in missiekritische toepassingen.

ken meer 3D-printprocessen