Titaniumpoeder voor additieve productie

Titanium poeder is een cruciaal materiaal voor het printen van zeer sterke, lichtgewicht titaniumcomponenten met behulp van additieve productietechnieken zoals selectief lasersmelten (SLM) en elektronenstraalsmelten (EBM). Deze gids biedt een uitgebreid overzicht van titaniumpoeders voor AM.

Inleiding tot titaniumpoeder voor AM

Titaniumpoeder maakt het 3D-printen van titaniumonderdelen met uitzonderlijke eigenschappen mogelijk:

• Hoge sterkte-gewichtsverhouding
• Uitstekende corrosieweerstand
• Goede eigenschappen bij hoge temperaturen
• Biocompatibiliteit voor medisch gebruik
• Reactief en vereist gecontroleerde verwerking

Gebruikelijke titaniumlegeringen voor 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)

Belangrijkste poedereigenschappen:

• Chemie en microstructuur
• Deeltjesgrootte en distributie
• Deeltjesvorm en morfologie
• Puurheid
• Vloeibaarheid en schijnbare dichtheid

Ti-6Al-4V-poeder

Ti-6Al-4V is het meest voorkomende poeder van titaniumlegering dat in AM wordt gebruikt:

• Biedt een uitstekende combinatie van sterkte, ductiliteit en corrosieweerstand
• De sterkte kan 1300 MPa en hoger bereiken voor AM-onderdelen
• Smelt rond de 1600°C en vereist thermisch beheer tijdens het printen
• Gevoelig voor zuurstofopname – vereist gecontroleerde atmosfeer

Toepassingen:

• Luchtvaart- en auto-onderdelen
• Biomedische implantaten zoals orthopedische knie- en heupvervangingen
• Onderdelen voor de voedingsmiddelen- en chemische verwerkende industrie
• Consumentenproducten

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

Ti-6Al-7Nb-poeder

Ti-6Al-7Nb-poeder biedt superieure treksterkte en kruipweerstand:

• Hoge sterkte tot 1500 MPa door neerslagverharding
• Goede lasbaarheid
• Gebruikt als alternatief voor giftige vanadiumlegeringen
• Vereist heet isostatisch persen (HIP) om holtes te minimaliseren

Toepassingen:

• Lucht- en ruimtevaartcomponenten zoals casco's en turbines
• Motorsportonderdelen die aan hoge belastingen worden blootgesteld
• Tandimplantaten en medische protheses
• Maritieme toepassingen zoals schepen en propellers

Leveranciers: AP&C, TLS Technik GmbH, Tekna

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

Ti-5-5-5-3 poeder biedt uitstekende hardbaarheid en diepe verharding:

• De sterkteniveaus overschrijden 1400 MPa
• Behoudt eigenschappen bij meer dan 350°C
• Gebruikt voor moeilijk te bewerken titaniumonderdelen
• Biedt een hoge weerstand tegen vermoeidheid en kruipsterkte

Toepassingen:

• Landingsgestel en structurele onderdelen van vliegtuigen
• Formule-1-motor- en chassiscomponenten
• Turbinemotorschijven en compressoronderdelen
• Bevestigingsmaterialen en hardware voor de lucht- en ruimtevaart

Leveranciers: AP&C, Timmermansadditief, Arcam AB

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

Ti-6-2-4-2-poeder biedt superieure weerstand tegen erosie door heet gas:

• Bestand tegen oxidatie en corrosie tot 600°C
• Uitstekende sterkte tot 1300 MPa
• Gebruikt voor onderdelen die worden blootgesteld aan gassen met hoge temperaturen
• Vereist heet isostatisch persen om volledige dichtheden te bereiken

Toepassingen:

• Vliegtuigmotorbladen en schoepen
• Sproeiers van raketmotoren
• Raketcomponenten onderworpen aan hete gasstromen
• Onderdelen van kernreactoren

Leveranciers: AP&C, Tekna, Sandvik Osprey

Graad 1 en klasse 2 titanium

Graad 1 en 2 ongelegeerd titanium poeders bieden uitstekende corrosieweerstand:

• Hoge zuiverheid met weinig interstitiële elementen
• Uitstekende biocompatibiliteit
• Lage sterkte vergeleken met legeringen; ongeveer 380 MPa
• Gebruikt voor chemische, maritieme en consumententoepassingen

Toepassingen:

• Biomedische implantaten zoals schedelplaten
• Chemische reactorvaten en buizen
• Maritieme componenten zoals schroefassen
• Apparatuur voor voedselverwerking

Leveranciers: AP&C, TLS Technik, Tekna Plasmasystemen

Titaanaluminidepoeders

Titaniumaluminidelegeringen zoals Ti4522 printen lichtgewicht componenten:

• Lage dichtheid – 3,7 g/cm3
• Sterkte tot 1000 MPa
• Uitstekende corrosieweerstand
• Bestand tegen hoge temperaturen tot 750°C
• Moeilijk te verwerken vanwege snelle afkoeling en stolling

Toepassingen:

• Onderdelen voor lucht- en ruimtevaartcompressoren
• Auto-turbocompressorwielen
• Verbrandingskamervoeringen
• Raket- en vliegtuigconstructies

Leveranciers: Kennametal, AP&C, Sandvik

Productiemethoden voor titaniumpoeder

1. Gasverstuiving

• Inert gas dat wordt gebruikt om gesmolten metaal in fijne druppeltjes te vernevelen
• Bolvormige poeders ideaal voor AM, 10-100 micron
• Hoge zuiverheid, kan prijzig zijn

2. Plasma-verneveling

• Gebruikt plasmagas om gesmolten metaal te vernevelen
• Gecontroleerde deeltjesvormen en -groottes
• Lagere zuurstofopname dan gasverneveling

3. Hydride-dehydride (HDH)

• Gemalen titaniumhydride wordt gedehydrateerd
• Onregelmatige vormen, grote deeltjesgroottes
• Lagere kosten, kunnen hogere onzuiverheden hebben

Technische specificaties

Typisch titanium poeder specificaties voor AM:

Het beheersen van de deeltjesgrootteverdeling, vorm, chemie en dichtheid is van cruciaal belang.

Hantering en opslag van titaniumpoeder

Speciale behandeling is nodig om oxidatie en vochtopname te voorkomen:

• Gebruik roestvrijstalen containers en overslagvaten
• Hanteer poeder alleen in handschoenenkastjes met inert gas
• Gebruik een zeer zuivere argonatmosfeer
• Vermijd directe blootstelling aan lucht en water
• Aard alle materiaaltransportapparatuur
• Handhaaf een opslagtemperatuur van -10°C tot 30°C
• Bevries het poederbed wanneer de printer inactief is om zuurstofabsorptie te voorkomen

Een goede opslag verlengt de levensduur van titaniumpoeder aanzienlijk bij hergebruik.

Poeder zeven

Om een consistente deeltjesgrootteverdeling te verkrijgen wordt gebruik gemaakt van zeven:

Voordelen

• Breekt agglomeraten af
• Verwijdert satellietdeeltjes
• Vermindert de kans op defecten
• Verbetert de poederstroom en -verpakking

Procedure

• Zeef het poeder door een fijn gaas van ongeveer 20 micron
• Gebruik rotatie- of trilzeven
• Uitvoeren onder inert gas
• Documenteer het resterende poedergewichtspercentage

Hoogwaardig startpoeder in combinatie met zeven minimaliseert defecten aan de laatste onderdelen.

Leveranciers en prijzen

• Graad 1 en Graad 2 ongelegeerde poeders kosten ~$150-250/kg
• Ti-6Al-4V en Ti-6Al-7Nb kosten ~$250-450/kg
• Speciale legeringen kosten $500-650/kg

Prijzen zijn afhankelijk van ordervolume, kwaliteitsniveau, microstructuur en morfologie.

Printerinstallatie en inbedrijfstelling

Voor het installeren van een titanium AM-printer is het volgende vereist:

• Grondige reiniging en lekcontroles
• Controle van de zuiverheid van argonsystemen
• Het laden en testen van het poederhandlingsysteem
• Kalibreren en nivelleren van de bouwplaat
• Integratie van koelmachine, gastoevoer, zeefstation
• Procesparameters programmeren
• Testonderdelen afdrukken om de kwaliteit te valideren

Leveranciers bieden installatieondersteuning om een ideale machine-installatie te garanderen.

Beste praktijken voor afdrukken

Printerbediening:

• Zorg voor een hoog zuiver argongehalte
• Zorgvuldige monitoring van smeltbaden en thermisch gedrag
• Validatie van alle kritische dimensies
• Regelmatige vervanging van filters en verbruiksartikelen
• Controle van poeder op hergebruikniveaus

Veiligheid van het personeel:

• Gebruik PBM-achtige ademhalingstoestellen bij het hanteren van poeder
• Vermijd contact met fijn titaniumpoeder
• Correcte verwijdering van gebruikt titaniumpoeder

Nabewerking van onderdelen:

• Verwijder de steunen voorzichtig van kwetsbare delen
• Warmtebehandeling afgestemd op legering en toepassing
• Heet isostatisch persen om de dichtheid te verbeteren
• CNC-bewerking en afwerkingsstappen indien nodig

Het volgen van door de leverancier aanbevolen procedures is van cruciaal belang om defectvrije geprinte onderdelen in titaniumlegeringen te verkrijgen.

Onderhoud en inspectie

Regelmatige onderhoudswerkzaamheden vereist:

Dagelijks:

• Inspecteer de optiek op beschadigingen en afzettingen
• Bewaak argonniveaus en zuurstofsensoren
• Controleer de afdichtingen en sensoren van het poederverwerkingssysteem
• Bouwkamer reinigen en poederresten zeven

Wekelijks:

• Kalibreer instrumentatie en sensoren
• Smeer en inspecteer bewegende delen
• Inspecteer de elektrische aansluitingen en aarding

Maandelijks:

• Voer lektests uit op het argonsysteem
• Inspecteer veiligheidsvoorzieningen en alarmen
• Controleer de filterstatus en vervang indien nodig
• Bewaak de algehele systeemgezondheid

Jaarlijks:

• Plan preventief onderhoud
• Vervang verbruiksartikelen en optica
• Hardware-inspectie en upgrades

Proactief onderhoud verbetert de betrouwbaarheid en levensduur van apparatuur.

Een titanium printsysteem selecteren

Belangrijkste selectiecriteria voor een titanium 3D-printsysteem:

1. Productievereisten

• Soorten te produceren onderdelen
• Materiaalkwaliteit op basis van benodigde eigenschappen
• Vereiste productievolumes
• Nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking

2. Printerspecificaties

• Legeringen ondersteund en geoptimaliseerd
• Bouwsnelheid, precisie en herhaalbaarheid
• Controle en insluiting van inert gas
• Automatiseringsfuncties
• Grootte en capaciteit

3. Poederbehandelingssysteem

• Geïntegreerd of standalone
• Zeef-, opslag- en hergebruikmogelijkheden
• Controle op zuurstof en vocht
• Bedieningsgemak en insluiting

4. Naleving van normen

• Industriestandaarden zoals ASTM F2924
• Kwaliteitscertificeringen van fabrikanten
• CE, FCC-conformiteit

5. Referenties van leveranciers

• Gespecialiseerde expertise in titanium AM
• Lokale applicatie-engineeringondersteuning
• Operatortraining aangeboden
• Onderhouds- en servicecontracten

Het evalueren van opties op basis van deze factoren garandeert de selectie van het ideale titanium additive manufacturing-systeem dat voldoet aan de productiebehoeften.

Voor- en nadelen van Titanium AM

Voordelen

• Uitstekende sterkte-gewichtsverhouding
• Corrosiebestendigheid, biocompatibiliteit
• Minder onderdelen, betere prestaties
• Snelle doorlooptijd van complexe geometrieën
• Aangepaste ontwerpen en batchproductie
• Vermindert schroot vergeleken met machinaal bewerken
• Consolideert samenstellingen in één onderdeel

Nadelen

• Hoge materiaal- en machinekosten
• Extra nabewerkingsstappen
• Beperkingen op de maximale onderdeelgrootte
• Het beheersen van interne defecten kan een uitdaging zijn
• Materiaaleigenschappen kunnen variëren versus gesmeed
• Gespecialiseerde expertise vereist

Problemen met Titanium AM oplossen

Veelgestelde vragen

Vraag: Hoe wordt reactief titaniumpoeder veilig verwerkt?

A: Gebruik handschoenenkasten en trechters met inert gas, vermijd blootstelling aan lucht en handhaaf de juiste argonniveaus tijdens het printen.

Vraag: Welke deeltjesgrootte wordt gebruikt voor titanium AM-poeder?

A: Typisch 10-45 micron, met strengere controle rond de 20-45 micron-verdeling.

Vraag: Welke nabewerkingsmethoden worden gebruikt?

A: Ondersteuning verwijderen, warmtebehandeling, heet isostatisch persen en nabewerking/polijsten.

Vraag: Welke verontreinigingen beïnvloeden het hergebruik van titaniumpoeder?

A: Zuurstof-, stikstof-, waterstof- en koolstofopname verminderen de levensduur van hergebruik. Er zijn strikte behandelingsprocedures vereist.

Vraag: Hoe vaak kan titaniumpoeder worden hergebruikt?

A: Normaal gesproken 20-100 afdrukken, afhankelijk van de legering, hantering en opslag. Titanium van klasse 23 biedt beter hergebruik dan klasse 5.

Vraag: Welke temperatuur wordt gebruikt voor de warmtebehandeling van titanium AM-onderdelen?

A: Oplossingsbehandeling wordt uitgevoerd bij 50-100°C onder de bèta-transustemperatuur, gevolgd door veroudering en lucht-/ovenkoeling.

Vraag: Welke normen zijn van toepassing op titanium AM-poeder?

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

Vraag: Waarom wordt heet isostatisch persen gebruikt?

A: HIP helpt interne holtes te sluiten en hogere dichtheden en verbeterde mechanische eigenschappen te bereiken.

Conclusie

Titaniumpoeder maakt het printen van zeer sterke, lichtgewicht titaniumcomponenten mogelijk voor geavanceerde lucht- en ruimtevaart-, medische, automobiel- en industriële toepassingen met behulp van AM-technieken zoals SLM en EBM. Met eigenschappen die superieur zijn aan die van conventioneel titanium, kunnen complexe geometrieën snel en efficiënt worden vervaardigd. Reactieve poederbehandeling, gecontroleerde procesparameters, getrainde operators en kwalificatieprocedures voor onderdelen zijn echter essentieel om foutvrije resultaten te bereiken. Naarmate de expertise zich verder ontwikkelt, biedt AM met behulp van titaniumpoeder ongekende mogelijkheden om op maat gemaakte, hoogwaardige titaniumonderdelen te vervaardigen tegen kortere doorlooptijden.

ken meer 3D-printprocessen