Productie van titaniumadditieven

Additive Manufacturing (AM), ook wel 3D-printen genoemd, zorgt voor een revolutie in de productie in verschillende sectoren. Deze gids biedt een diepgaand inzicht in AM-technologieën voor titaniumonderdelen, inclusief processen, materialen, toepassingen, nabewerking, kwaliteitscontrole en meer.

Overzicht van additieve productie van titanium

Titanium is een sterk, lichtgewicht metaal dat ideaal is voor hoogwaardige toepassingen zoals de lucht- en ruimtevaart- en medische sector. Additieve productie ontgrendelt nieuwe ontwerpvrijheden en aanpassingsmogelijkheden met titanium.

Voordelen	Details
Complexe geometrieën	Ingewikkelde vormen zijn niet mogelijk met machinale bewerking
Lichtgewicht	Roosterstructuren en topologie-optimalisatie
Gedeeltelijke consolidatie	Reduceer montagedelen
Maatwerk	Patiëntspecifieke medische hulpmiddelen
Kortere doorlooptijden	Snelle productie direct vanaf ontwerp

Met dalende kosten en kwaliteitsverbeteringen versnelt de adoptie van titanium AM.

Titaniummaterialen voor AM

Voor additieve productie worden verschillende titaniumlegeringen gebruikt:

Legering	Kenmerken
Ti-6Al-4V (klasse 5)	Meest voorkomende. Evenwicht tussen sterkte, ductiliteit en corrosieweerstand.
Ti-6Al-4V ELI	Extra lage interstitiële. Verbeterde ductiliteit en breuktaaiheid.
Ti-5553	Hoge sterkte voor lucht- en ruimtevaartcomponenten.
Ti-1023	Goede koudvervormbaarheid voor bevestigingsmiddelen.
Ti-13V-11Cr-3Al	Corrosiebestendige legering voor medisch gebruik.

Poedereigenschappen zoals deeltjesgrootteverdeling, morfologie en zuiverheid zijn geoptimaliseerd voor AM-verwerking.

Titanium additieve productieprocesmethoden

Populaire titanium AM-technieken:

Methode	Beschrijving
Poederbedfusie	Laser- of elektronenstraal smelt poederlagen
Gerichte energiedepositie	Gerichte warmtebron smelt metaalpoeder of draad
Binder jetting	Vloeibaar bindmiddel verbindt poederdeeltjes selectief

Elk proces heeft specifieke voordelen, afhankelijk van de onderdeeltoepassing en vereisten.

Metaalpoederbedfusie

Een poederbed wordt laag voor laag selectief gesmolten door een warmtebron:

Type	Details
Laserpoederbedfusie (L-PBF)	Gebruikt laser voor het smelten. Hogere resolutie.
Elektronenbundelsmelten (EBM)	Warmtebron met elektronenbundel. Snellere bouwsnelheden.

L-PBF maakt fijnere functies mogelijk, terwijl EBM een hogere productiviteit mogelijk maakt. Beide produceren onderdelen met bijna volledige dichtheid.

Gerichte energiedepositie

Gefocuste thermische energie wordt gebruikt om metaalpoeder/draad te smelten om materiaal laag voor laag af te zetten:

Methode	Warmtebron
Lasermetaalafzetting	Laserstraal
Productie van additieven met elektronenbundels	Elektronenbundel
Laserontworpen netvorming	Laserstraal

DED wordt vaak gebruikt om bestaande componenten te repareren of functies toe te voegen.

Binderjetting-proces

Vloeibaar bindmiddel verbindt lagen metaalpoeder selectief:

• Poederverspreiding – Nieuwe laag poeder verspreid over het bouwplatform
• Binderjetting – Printkop brengt bindmiddel in het gewenste patroon af
• Binding – Bindmiddelen verbinden poederdeeltjes met elkaar
• Er worden extra droog-, uithardings- en infiltratiestappen gebruikt om de volledige dichtheid te bereiken

Binderjetting produceert poreuze “groene” onderdelen die sinteren en infiltratie vereisen om te verdichten. Het biedt afdrukken op hoge snelheid.

AM-parameters voor titanium

Belangrijke AM-procesparameters voor titanium:

Parameter	Typisch bereik
Laagdikte	20-100 µm
Laservermogen (L-PBF)	150-500 W
Scansnelheid	600-1200 mm/s
Grootte van de straal	50-100 µm
Hatch-afstand	60-200 µm

Door deze parameters te optimaliseren, worden bouwsnelheid, onderdeelkwaliteit en materiaaleigenschappen in evenwicht gebracht.

Nabewerking van additieve productie van titanium Onderdelen

Veel voorkomende nabewerkingsstappen:

Methode	Doel
Ondersteuning verwijderen	Draagconstructies verwijderen
Oppervlaktebewerking	Verbeter de oppervlakteafwerking
Boren en tappen	Voeg schroefgaten en schroefdraad toe
Heet isostatisch persen	Elimineer interne holtes en porositeit
Oppervlaktebehandelingen	Verbeter de slijtvastheid/corrosieweerstand

Nabewerking zorgt ervoor dat de onderdelen voldoen aan de uiteindelijke toepassingsvereisten.

Toepassingen van additieve productie van titanium

Belangrijkste toepassingsgebieden voor titanium AM-onderdelen:

Industrie	Toepassingen
Lucht- en ruimtevaart	Structurele beugels, motoronderdelen, UAV-componenten
Medisch	Orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten
Automobiel	Lichtgewicht auto-onderdelen, aangepaste prototypes
Chemisch	Corrosiebestendige onderdelen voor vloeistofbehandeling
Olie en gas	Kleppen, pompen voor corrosieve omgevingen

AM maakt innovatieve ontwerpen van titaniumcomponenten mogelijk in veeleisende industrieën.

Kwaliteitscontrole voor onderdelen voor additieve productie van titanium

Kritische kwaliteitscontroles voor titanium AM-onderdelen:

• Dimensionale nauwkeurigheid – Meet tegen ontwerp met behulp van CMM's en 3D-scanners.
• Oppervlakteruwheid – Kwantificeer de oppervlaktetextuur met behulp van profilometers.
• Porositeit – Röntgentomografie om te controleren op interne holtes.
• Chemische samenstelling – Bevestig de legeringskwaliteit met behulp van spectrometrietechnieken.
• Mechanische eigenschappen – Voer trek-, vermoeiings- en breuktaaiheidstesten uit.
• Niet-destructief onderzoek – Röntgenfoto's, echografie, penetrantonderzoek.
• Microstructuur – Metallografie en microscopie om te controleren op defecten.

Uitgebreide tests valideren de kwaliteit van de onderdelen voor functionele prestaties.

Wereldwijde leveranciers van additieve productie van titanium

Toonaangevende leveranciers van titanium AM-diensten en -systemen:

Bedrijf	Plaats
GE-additief	VS
Velo3D	VS
3D-systemen	VS
Trumpf	Duitsland
EOS	Duitsland

Deze bedrijven bieden een scala aan titanium AM-apparatuur, materialen en productiediensten voor onderdelen.

Kostenanalyse

De kosten van Titanium AM-onderdelen zijn afhankelijk van:

• Onderdeelgrootte – Grotere onderdelen vereisen meer materiaal en bouwtijd.
• Productie volume – Hoge volumes verdelen de kosten over meer onderdelen.
• Materiaal – Titaniumlegeringen hebben hogere materiaalkosten dan staalsoorten.
• Nabewerking – Extra verwerkingsstappen verhogen de kosten.
• Kopen versus uitbesteden – Aankoopkosten van AM-systemen versus contractproductiekosten.

Titanium AM is economisch haalbaar voor complexe onderdelen met een laag volume. Het concurreert met subtractieve methoden zoals CNC-bewerking.

Uitdagingen van additieve productie van titanium

Enkele voortdurende uitdagingen met titanium AM zijn onder meer:

• Hoge restspanningen kunnen vervormingen en defecten van onderdelen veroorzaken.
• Het bereiken van consistente mechanische eigenschappen die vergelijkbaar zijn met gesmeed materiaal.
• Anisotroop materiaalgedrag afhankelijk van de bouworiëntatie.
• Beperkte afmetingen in vergelijking met andere productiemethoden.
• Procesinconsistenties tussen AM-machines en herhaalbaarheidsproblemen.
• Hoge systeemkosten en materiaalprijzen vooraf.
• Gebrek aan gekwalificeerde operators en materiedeskundigen.

De voortdurende vooruitgang helpt echter veel van deze beperkingen te overwinnen.

Toekomstperspectieven voor additieve productie van titanium

De toekomstvooruitzichten voor titanium AM zijn positief:

• Uitbreidend assortiment legeringen en materiaalopties, speciaal ontwikkeld voor AM.
• Grotere bouwvolumes maken grotere onderdelen en een hogere productiviteit mogelijk.
• Verbeterde kwaliteit, oppervlakteafwerking, materiaaleigenschappen die dichter bij gesmeed materiaal liggen.
• Ontwikkelingen op het gebied van in-situ inspectie, procesmonitoring en -controle.
• Hybride productie waarbij AM wordt gecombineerd met CNC-bewerking en andere methoden.
• Groei in de lucht- en ruimtevaart-, medische, automobiel- en industriële gasturbinesectoren.
• Bredere acceptatie naarmate de kosten van AM-systemen afnemen en de expertise toeneemt.

Titanium AM heeft een enorm potentieel om toeleveringsketens in meerdere sectoren te transformeren naarmate de technologie zich verder ontwikkelt.

Kiezen voor een Titanium AM Servicebureau

Hier zijn tips bij het selecteren van een titanium AM-serviceprovider:

• Bekijk hun specifieke ervaringen en voorbeelden met titaniumonderdelen.
• Zoek naar volledige end-to-end-mogelijkheden, inclusief nabewerking.
• Evalueer hun kwaliteitssystemen en certificeringen zoals ISO en AS9100.
• Beoordeel hun technische ondersteuning en ontwerp voor AM-kennis.
• Houd rekening met locatie en logistiek voor een snelle doorlooptijd.
• Begrijp de mogelijkheden en capaciteit van hun AM-apparatuur.
• Vergelijk prijsmodellen (per onderdeel, volumekortingen etc.).
• Controleer de doorlooptijden en het trackrecord van de tijdige levering.
• Beoordeel getuigenissen van klanten en tevredenheidsniveaus.

Het kiezen van de juiste partner zorgt ervoor dat onderdelen van hoge kwaliteit op tijd en binnen het budget worden geleverd.

Voor- en nadelen van Titanium AM

Voordelen en beperkingen van titanium AM:

Pluspunten

• Ontwerpvrijheid maakt complexe geometrieën mogelijk.
• Lichtgewicht door middel van roosters en topologie-optimalisatie.
• Snellere prototyping en beperkte productieruns.
• Consolideer samenstellingen in afzonderlijke onderdelen.
• Op maat gemaakte medische hulpmiddelen afgestemd op de anatomie.
• Minder materiaalverspilling vergeleken met machinaal bewerken.

Nadelen

• Relatief hoge productiekosten vergeleken met andere processen.
• Beperkingen op de maximale onderdeelgrootte.
• Nabewerking is vaak nodig om de afwerking te verbeteren.
• Anisotrope materiaaleigenschappen.
• Normen en codes zijn nog in ontwikkeling.
• Gespecialiseerde expertise vereist voor ontwerp en verwerking.

Voor kleine tot middelgrote volumes complexe titaniumonderdelen is AM een baanbrekende technologie, ondanks enkele aanhoudende beperkingen naarmate de technologie volwassener wordt.

Veelgestelde vragen

Vragen	Antwoorden
Welk AM-proces is het meest geschikt voor titanium?	Poederbedfusie zoals DMLS en EBM maken volledig smelten mogelijk om bijna bewerkte eigenschappen te bereiken.
Heeft titanium AM ondersteuningsstructuren nodig?	Ja, de meeste titanium AM-processen vereisen verwijderbare ondersteuningsstructuren.
Welke nabewerking is doorgaans nodig voor titanium AM-onderdelen?	Voor de meeste onderdelen is ondersteuning nodig, bewerking en vaak heet isostatisch persen.
Welke industrieën gebruiken titanium AM het meest?	Lucht- en ruimtevaart, de medische sector, de automobielsector en de olie- en gassector zijn de belangrijkste gebruikers van titanium AM.
Welke materiaaleigenschappen kun je verwachten van titanium AM?	Met optimale parameters benaderen de eigenschappen 90-100% van gesmeed materiaal.

Conclusie

Additieve productie van titanium maakt baanbrekende ontwerpen en lichtgewicht componenten mogelijk in de lucht- en ruimtevaart, de medische sector, de automobielsector en andere hoogwaardige sectoren. Naarmate de technologie zich verder ontwikkelt, kan een bredere adoptie van titanium AM in meer sectoren worden verwacht om de toeleveringsketens te transformeren en producten van de volgende generatie mogelijk te maken.

ken meer 3D-printprocessen