Tytanowy proszek do druku 3D

Przegląd

Tytan jest mocnym, lekkim metalem konstrukcyjnym, zyskującym szerokie zastosowanie w produkcji addytywnej w sektorach lotniczym, medycznym, motoryzacyjnym i przemysłowym. Proszki ze stopów tytanu, takie jak Ti-6Al-4V, umożliwiają drukowanie 3D złożonych części, zapewniając wysoką wytrzymałość, odporność na korozję i biokompatybilność.

Selektywne topienie laserowe (SLM) i topienie wiązką elektronów (EBM) może przetwarzać drobny proszek tytanu w całkowicie gęste komponenty o skomplikowanych konstrukcjach, których nie można wykonać za pomocą obróbki skrawaniem lub odlewania. Niniejszy przewodnik obejmuje składy stopów tytanu, dane dotyczące właściwości, zastosowania, parametry drukarek i dostawców, aby wykorzystać zalety druku 3D z metalu.

Skład proszków do drukowania tytanu

Stopy tytanu składają się głównie z tytanu z innymi pierwiastkami stopowymi, takimi jak aluminium, wanad, żelazo, molibden i inne, w celu zwiększenia określonych właściwości. Najpopularniejsze gatunki tytanu dla AM obejmują:

• Ti-6Al-4V (gatunek 5) to najpopularniejszy stop tytanu, którego wytrzymałość wynika ze stabilizacji +Al i utwardzania wydzieleniowego +V. Wariant o bardzo niskiej zawartości międzywęźli (ELI) charakteryzuje się wysoką ciągliwością.
• Stop Ti 6242 zastępuje część wanadu, dzięki czemu jest bardziej odpowiedni do biokompatybilnych implantów ortopedycznych wymagających osteointegracji.
• Pierwiastki śladowe, takie jak żelazo, tlen, azot i węgiel, są zminimalizowane, ponieważ niekorzystnie wpływają na właściwości mechaniczne, jeśli są obecne poza określonymi limitami.

Właściwości proszków do drukowania metal-tytan

Kluczowe właściwości materiału, które sprawiają, że stopy tytanu są atrakcyjne dla samolotów i produktów medycznych, obejmują:

• Wysoka wytrzymałość w stosunku do niskiej gęstości (połowa stali) sprawia, że komponenty tytanowe są lżejsze. Wytrzymałość przewyższa typowe stopy aluminium, jednocześnie unikając problemów z korozją.
• Wystarczająco plastyczny do formowania na zimno. Warianty o bardzo niskiej zawartości międzywęźli, takie jak Ti64 ELI, dodatkowo zwiększają wydłużenie.
• Temperatura topnienia przekracza 1600°C. Zachowuje właściwości w temperaturze 400-500°C.
• Przewodność cieplna i elektryczna są dość niskie, aby uniknąć iskrzenia i odizolować ciepło.

Zastosowania metalowych części tytanowych drukowanych w 3D

Lotnictwo i kosmonautyka

• Strukturalne wsporniki płatowca, żebra, wirniki i osprzęt
• Lekkie obudowy turbosprężarek i wymienniki ciepła
• Konforemne kanały chłodzące zintegrowane z sekcjami turbin silników odrzutowych
• Niestandardowe ramy UAV/dronów zgodne z komponentami

Medycyna i stomatologia

• Ortopedyczne implanty kolan, bioder, kręgosłupa i szczęk, takie jak panewki panewkowe
• Łączniki dentystyczne do koron i mostów
• Płytki do rekonstrukcji czaszki dostosowane do anatomii pacjenta

Motoryzacja

• Wsporniki obudowy silnika i elementy zawieszenia
• Konforemne chłodzenie bliskiego konturu zintegrowane z formami wtryskowymi
• Lekkie tarcze hamulcowe o skomplikowanej geometrii przepływu powietrza

Parametry procesu druku 3D z tytanu

Kluczowe parametry przy stosowaniu proszku tytanowego w procesach syntezy w złożu proszkowym:

Ustawienia LPBF

Ustawienia EBM

LPBF wymaga konstrukcji wsporczych, podczas gdy EBM buduje metal bez pomocy. Gęstość ≥99% osiąga się po odprężeniu i prasowaniu izostatycznym na gorąco. Minimalna grubość ścianki osiąga zazwyczaj 100-150 mikronów.

Dostawcy tytanowych proszków drukarskich

Wiodące firmy produkujące metale certyfikowały proszki tytanowe do procesów addytywnych:

Koszt tytanowych proszków do drukowania

Jako zaawansowany lekki stop do wysokowydajnych zastosowań, proszek tytanowy ma wysoką cenę:

• Ceny materiałów wahają się od $200 do $500 za kg.
• Niestandardowe stopy o mniejszych rozmiarach cząstek i wysokiej czystości dodatkowo zwiększają koszty
• Proszek z recyklingu jest tańszy przy założeniu dobrej płynności

Obróbka końcowa tytanowych części drukowanych 3D

Po wydrukowaniu tytanowe komponenty są poddawane obróbce:

Usuwanie wsparcia - Ostrożnie oddzielaj wsporniki za pomocą cięcia EDM tam, gdzie jest to możliwe, odłamuj mniejsze elementy

Łagodzenie stresu - Delikatna obróbka cieplna całej płyty roboczej w temperaturze 650°C przez 2 godziny w argonie, redukująca naprężenia szczątkowe.

Tłoczenie izostatyczne na gorąco - Proces HIP w 920°C i 100 MPa przez 3 godziny w celu zamknięcia wewnętrznych pustek >99% gęstość

Rozwiązanie Leczenie - Wygrzewanie w temperaturze 705°C przez 1 godzinę, a następnie hartowanie powietrzem/wodą w celu uzyskania pożądanej mikrostruktury.

Obróbka skrawaniem - Frezowanie CNC krytycznych powierzchni współpracujących w celu spełnienia wymagań tolerancji wymiarowej

Blast + Acid Etch - Śrutowanie tlenkiem glinu, a następnie trawienie kwasem w celu oczyszczenia powierzchni

Testowanie jakości - Potwierdzenie, że skład chemiczny, mikrostruktura, jakość warstwy po warstwie i właściwości mechaniczne są zgodne ze specyfikacjami.

Standardy dla druku 3D z tytanu

Perspektywy dla druku proszkowego z wykorzystaniem tytanu

Podczas gdy lotnictwo i kosmonautyka napędza obecnie popyt dzięki znacznej konsolidacji części i korzyściom związanym z redukcją masy, przyjęcie tytanu AM przyspieszy w branży motoryzacyjnej, sportowej i innych sektorach konsumenckich wraz ze spadkiem kosztów. Więcej drukowanych aplikacji Ti obejmuje:

Lotnictwo i kosmonautyka - Większe i w pełni drukowane struktury podstawowe, takie jak łopatki turbin i przyszłe sekcje kabin pasażerskich, wykorzystujące mocne strony w zakresie złożoności projektu, konsolidacji montażu części i odporności na korozję.