Tytanowy proszek do druku 3D

tytanowy proszek do druku 3D to mocny, lekki i odporny na korozję metal, który idealnie nadaje się do drukowania 3D złożonych i trwałych części w przemyśle lotniczym, medycznym, motoryzacyjnym i innych zastosowaniach przemysłowych. Niniejszy artykuł zawiera kompleksowy przegląd metalurgii proszków tytanu na potrzeby produkcji addytywnej.

Przegląd tytanowy proszek do druku 3D

Tytan jest jednym z najpopularniejszych metali wykorzystywanych w technologiach druku 3D opartych na syntezie w złożu proszkowym i ukierunkowanym osadzaniu energii. Niektóre kluczowe zalety drukowanych w 3D części tytanowych obejmują:

• Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi
• Odporność na ekstremalne temperatury i korozję
• Biokompatybilność dla implantów medycznych
• Złożone geometrie nieosiągalne w przypadku odlewania lub obróbki skrawaniem
• Mniejsza ilość odpadów w porównaniu do metod subtraktywnych
• Krótszy czas realizacji i niższe koszty w porównaniu do tradycyjnej produkcji tytanu

Tytan jest jednak reaktywny w wysokich temperaturach i wymaga obojętnego środowiska komory podczas drukowania przy użyciu argonu lub azotu. Właściwości tytanu drukowanego w 3D zależą od różnych czynników:

Kluczowe czynniki wpływające na właściwości druku 3D z tytanu

Parametr	Opis	Wpływ na właściwości
Gatunek stopu tytanu	Poziomy czystości tytanu, aluminium, wanadu itp.	Wytrzymałość, twardość, plastyczność, odporność na korozję
Rozkład wielkości proszku	Zakres drobnych i grubych cząstek proszku	Gęstość, wykończenie powierzchni, precyzja
Grubość warstwy	Cieńsze warstwy poprawiają rozdzielczość, ale wydłużają czas drukowania	Dokładność, tolerancje, chropowatość powierzchni
Źródło energii	Laser, wiązka elektronów, łuk plazmowy	Zlokalizowane topnienie, ogrzewanie, szybkość chłodzenia wpływają na mikrostrukturę
Orientacja drukowania	Struktury pionowe i poziome	Anizotropowa wytrzymałość, może wymagać podpór
Prasowanie izostatyczne na gorąco	Przetwarzanie końcowe w celu wyeliminowania porów	Znacząco poprawia gęstość, trwałość zmęczeniową

Przy optymalnych parametrach, drukowane w 3D części tytanowe spełniają lub przewyższają właściwości kutego produktu, jednocześnie umożliwiając innowacyjne projekty, które nie są możliwe w przypadku metod subtraktywnych.

Rodzaje tytanowy proszek do druku 3D dla AM

Stopy tytanu są dostępne w różnych gatunkach opracowanych dla różnych procesów wytwarzania przyrostowego. Najpopularniejsze proszki tytanu to:

Popularne gatunki proszku tytanowego do druku 3D

Stop	Opis	Zastosowania
Ti-6Al-4V ELI	Wersja stopu Ti64 o bardzo niskiej zawartości międzywarstwy	Komponenty lotnicze i kosmiczne, implanty biomechaniczne
Ti 6Al-4V	Najpopularniejszy gatunek, dobra wytrzymałość i odporność na korozję	Motoryzacja, sprzęt morski, artykuły sportowe
Ti-6Al-7Nb	Wyższa biokompatybilność niż Ti64	Implanty ortopedyczne i dentystyczne, narzędzia chirurgiczne
CP-Ti Grade 2	Komercyjnie czysty tytan, bardziej miękki niż stopy	Sprzęt do procesów spożywczych/chemicznych
Ti-555	Klasa lotnicza o wysokiej wytrzymałości	Elementy konstrukcyjne samolotów, silniki rakietowe
Ti-1023	Wyjątkowa odporność na zmęczenie i pełzanie	Łopaty turbin, podwozie, elementy złączne

Rozkład wielkości cząstek jest kluczową cechą określającą końcową gęstość i wykończenie powierzchni. Drobniejsze proszki o wielkości około 10-45 mikronów lepiej płyną i zagęszczają się, podczas gdy grubsze proszki o wielkości powyżej 100 mikronów ułatwiają usuwanie proszku i zmniejszają koszty materiału.

Specyfikacja proszku tytanowego

Parametr	Typowy zakres
Wielkość cząstek	15-45 mikronów, do 150 μm
Natężenie przepływu	<15 s/50 g
Gęstość pozorna	2,1-3,0 g/cm3
Gęstość kranu	3,2-4,1 g/cm3
Czystość	Tytan >99,5%
Zawartość tlenu	<0,20%
Zawartość azotu	<0,03%
Zawartość wodoru	<0,015%

Producenci stale udoskonalają metody produkcji proszku tytanowego i składy stopów, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na wysokowydajne komponenty tytanowe wytwarzane addytywnie w różnych branżach.

Jak powstaje proszek tytanowy

Metaliczny proszek tytanu ma wyższy stosunek powierzchni do objętości w porównaniu z formami stałymi, takimi jak wlewki lub drut zasilający. Istnieje kilka nowoczesnych technik produkcji proszków:

• Atomizacja plazmowa - Strumienie gazu obojętnego o dużej prędkości rozbijają strumienie stopionego tytanu na drobne kropelki, które szybko zestalają się w kuliste proszki o gładkiej morfologii powierzchni. W ten sposób uzyskuje się spójne rozmiary cząstek z niewielką liczbą satelitów.
• Atomizacja gazu - Podobnie jak w przypadku atomizacji plazmowej, niższe ciśnienie gazu generuje mniej drobne proszki odpowiednie do drukowania EBM. Proszki wykazują pewne rozpryski o nieregularnych kształtach i satelitach.
• Proces elektrody rotacyjnej - Pręty lub druty ze stopu tytanu są topione za pomocą łuków w atmosferze obojętnej, a siły odśrodkowe wyrzucają metal, który następnie zestala się w spłaszczone kuliste cząstki. Ekonomiczna produkcja proszków przypominających gąbki.
• Proces wodorkowo-wodorkowy - Drobno rozdrobniony proszek wodorku tytanu jest rozkładany w próżni, powodując jego rozpad na drobny metaliczny proszek tytanu o wyższym zanieczyszczeniu tlenem około 0,35-0,5%.

Wszystkie metody wymagają intensywnego przesiewania i separacji proszku w celu uzyskania określonych frakcji wielkości odpowiednich dla techniki druku 3D, zwykle około 10-150 mikronów. Gładkie, kuliste cząstki zapewniają lepszą gęstość upakowania i płynność. Odpowiednia regeneracja proszku, mieszanie i przechowywanie w atmosferze obojętnej ma kluczowe znaczenie przed użyciem.

Producenci proszków tytanowych

Niektórzy z głównych światowych dostawców tytanowych proszków do drukowania obejmują:

Firma	Lokalizacja	Produkty
AP&C	Kanada	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, stopy niestandardowe
Carpenter Additive	USA	Ti-6Al-4V, Ti 6-4 ELI, gatunki niestandardowe
GKN Additive	Szwecja	Gatunki Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti-64
Technologia LPW	WIELKA BRYTANIA	Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, stopy mieszane
Praxair	USA	CP Ti gatunek 2, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI
TLS Technik	Niemcy	Stopy Ti-6Al-4V, Ti-Al-Fe

Firmy te stale ulepszają procesy produkcyjne i standardy jakości, aby dostarczać wolne od wad proszki tytanowe dostosowane do wszystkich głównych maszyn do druku 3D z metalu.

Koszty proszku tytanowego

Jako lekki materiał konstrukcyjny, proszki tytanu są około 4-5 razy droższe niż aluminium i 2-3 razy droższe niż zwykła stal. Ceny różnią się w zależności od gatunku stopu, jakości i wielkości partii - od kilku kilogramów do tony.

Stop	Zakres cen za 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

Złom tytanu w proszku z druku 3D może być ponownie wykorzystany w celu zrekompensowania kosztów materiału po przetestowaniu pod kątem zanieczyszczeń i weryfikacji właściwości. Całkowite koszty części zależą od szybkości budowy, robocizny, złożoności projektu i przetwarzania końcowego, a także od wydatków na surowce.

Zastosowania części tytanowych drukowanych w 3D

Dzięki swojej trwałości, biokompatybilności i swobodzie projektowania, druk 3D z metalu rozszerza zastosowanie tytanu w różnych branżach:

Lotnictwo i kosmonautyka - Komponenty silników lotniczych i rakietowych, płatowce, helikoptery, drony. Zmniejsza liczbę części do 90% w porównaniu do zmontowanych struktur.

Medycyna i stomatologia - Implanty ortopedyczne, protezy, elementy mocujące i narzędzia, w przypadku których istotna jest wysoka wytrzymałość i biokompatybilność. Umożliwia tworzenie niestandardowych projektów dopasowanych do anatomii pacjenta.

Motoryzacja i sporty motorowe - Lekkie części, takie jak korbowody, dźwignie zmiany biegów, wały napędowe, przy jednoczesnym spełnieniu wymogów bezpieczeństwa. Umożliwia zwiększenie wydajności poprzez optymalizację topologii.

Urządzenia przemysłowe - Wirniki, zawory, rury i wymienniki ciepła z litego tytanu odporne na korozję/erozję. Konforemne kanały chłodzące minimalizują zużycie narzędzi podczas formowania wtryskowego.

Towary konsumpcyjne - Spersonalizowany sprzęt sportowy, taki jak ramy rowerowe, główki kijów golfowych, wiosła kajakowe ze zintegrowanymi ergonomicznymi tytanowymi strukturami kratowymi.

Druk 3D odblokowuje nowe geometrie tytanu niewykonalne przy odlewaniu, jednocześnie wspierając produkcję niskoseryjną typową dla specjalistycznych zastosowań z przyspieszonym czasem realizacji i oszczędnością kosztów cyklu życia.

Procesy druku 3D z metalu dla tytanu

Istnieje kilka technik wytwarzania addytywnego odpowiednich do stapiania tytanu w złożu proszkowym:

Procesy fuzji w złożu proszkowym

Proces	Opis	Przykłady sprzętu
DMLS	Bezpośrednie spiekanie laserowe metali stapia proszek za pomocą lasera światłowodowego	Seria EOS M
SLM	Selektywne topienie laserowe w pełni stapia proszek w gęste części	SLM Solutions
EBM	Wiązka elektronów selektywnie topi proszek w próżni	Arcam A2X

Procesy te polegają na rozprowadzeniu cienkiej warstwy proszku tytanowego, selektywnym stopieniu go przy użyciu skupionego źródła ciepła, obniżeniu płyty konstrukcyjnej i powtórzeniu procesu w celu zbudowania części od dołu do góry. Komora gazu obojętnego zapobiega utlenianiu w wysokich temperaturach. Pule stopionego materiału szybko krzepną, co prowadzi do powstania drobnych, równoosiowych ziaren tytanu o właściwościach izotopowych podobnych do produktów kutych.

SLM i DMLS oferują wyższą rozdzielczość i wykończenie powierzchni, podczas gdy EBM oferuje szybsze tempo budowy dla tańszych prototypów o niskiej gęstości. Hybrydowe systemy wielolaserowe obniżają koszty części i skracają czas produkcji.

Ukierunkowane osadzanie energii

Procesy DED, takie jak laserowe kształtowanie siatki (LENS), wdmuchują proszek metalowy do roztopionego basenu utworzonego przez zogniskowany laser lub łuk na płycie podłoża w celu osadzenia kulek obok siebie. DED jest idealnym rozwiązaniem dla dużych części o kształcie zbliżonym do siatki, które poddawane są obróbce końcowej. Stopy tytanu o wyższej wytrzymałości, plastyczności, odporności na pękanie i odporności na pełzanie mogą być wytwarzane przy użyciu zoptymalizowanych parametrów LENS.

Binder Jetting

Wykorzystując technologię głowicy drukującej do drukarek atramentowych, strumieniowanie spoiwa selektywnie osadza płynny środek wiążący na złożu proszku tytanowego, tworząc zielone, zwarte części warstwa po warstwie. Spiekanie w wysokich temperaturach pozwala uzyskać gęstość ~95% przy jednoczesnym uniknięciu naprężeń szczątkowych podczas drukowania. Binder jetting jest bardziej odpowiedni dla mniejszych elementów tytanowych o umiarkowanych obciążeniach strukturalnych i właściwościach poniżej materiałów kutych.

Przetwarzanie końcowe tytanowy proszek do druku 3D Części

Po zakończeniu procesu budowy tytanowe komponenty mogą zostać poddane kilku etapom obróbki końcowej:

• Usuwanie struktury nośnej poprzez cięcie drutem EDM
• Obróbka cieplna zmniejszająca naprężenia
• Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP)
• Rozwiązanie do leczenia i starzenia
• Śrutowanie w celu wywołania naprężeń ściskających
• Obróbka skrawaniem - toczenie, wiercenie, frezowanie w celu spełnienia wymagań tolerancji na krytycznych powierzchniach współpracujących
• Wykończenie powierzchni - szlifowanie, piaskowanie, polerowanie, trawienie w celu wygładzenia powierzchni
• Czyszczenie i sterylizacja części medycznych

Obróbka HIP polega na zastosowaniu argonu pod wysokim ciśnieniem w warunkach próżni i podwyższonej temperatury. Pomaga to wyeliminować wewnętrzne puste przestrzenie i mikroporowatość, poprawiając w ten sposób trwałość zmęczeniową o 5-10 razy w przypadku krytycznych komponentów lotniczych. HIP zmienia jednak mikrostrukturę wydruku.

Całkowity koszt części wzrasta ze względu na rozległe etapy ręcznego przetwarzania końcowego w zastosowaniach o krytycznym znaczeniu dla jakości. Zintegrowane, zautomatyzowane stacje obróbki końcowej pojawiają się w sąsiedztwie drukarek do metalu wraz z wysiłkami na rzecz standaryzacji jakości w całym łańcuchu wartości AM, obiecując większą spójność i powtarzalność końcowych elementów tytanowych.

Właściwości drukowanych w 3D stopów tytanu

Właściwości mechaniczne powszechnie stosowanych stopów tytanu zależą od różnych czynników, takich jak jakość proszku, grubość warstwy, parametry lasera, orientacja budowy, obróbka cieplna i HIP.

Właściwości Ti-6Al-4V ELI

Parametr	Jak wydrukowano	Po HIP	Kute Ti-6Al-4V ELI
Wytrzymałość na rozciąganie	1050 - 1250 MPa	~980 MPa	860 - 965 MPa
Granica plastyczności (przesunięcie 0,2%)	1000 - 1150 MPa	~930 MPa	795 - 880 MPa
Wydłużenie przy zerwaniu	8 – 15%	10 – 18%	10 – 16%
Moduł sprężystości	100 - 114 GPa	110 - 115 GPa	110 - 114 GPa
Wytrzymałość zmęczeniowa (10^7 cykli)	400 - 600 MPa	500 - 800 MPa	550 - 750 MPa
Twardość	34 - 44 HRC	32 - 40 HRC	33 - 37 HRC

Ti-6Al-4V ELI wykazuje porównywalną lub lepszą wytrzymałość na rozciąganie i twardość niż tradycyjne produkty kute, podczas gdy ciągliwość i zmęczenie wysokocyklowe zbliżają się do właściwości materiału kutego po HIP.

Właściwości Ti-6Al-7Nb

Parametr	Typowe wartości fabryczne	Kute
Wytrzymałość na rozciąganie	900 - 1300 MPa	860 - 1100 MPa
Granica plastyczności (przesunięcie 0,2%)	800 - 1250 MPa	795 - 965 MPa
Wydłużenie przy zerwaniu	5 – 15 %	8 – 20%
Moduł sprężystości	95 - 115 GPa	100 - 115 GPa
Twardość	~334 HV	~302 HV

Dodatek niobu zwiększa biokompatybilność w porównaniu do wanadu, zapewniając jednocześnie wytrzymałość przewyższającą tradycyjne implanty Ti-6Al-4V. Zoptymalizowane parametry SLM pozwalają uzyskać gęste struktury Ti-6Al-7Nb klasy medycznej, które rywalizują z właściwościami kutymi.

Wytyczne projektowe i ograniczenia

Aby w pełni wykorzystać zalety syntezy w złożu proszkowym, inżynierowie powinni projektować części specjalnie pod kątem produkcji addytywnej:

Optymalne praktyki projektowe

• Zminimalizowanie zbędnej masy w celu zmniejszenia wagi dzięki zastosowaniu struktur kratowych
• Konsolidacja podzespołów w pojedyncze komponenty
• Uwzględnianie kształtów organicznych, konturów niedostępnych w obróbce skrawaniem
• Osadzenie zbieżnych kanałów chłodzących nie jest możliwe w przypadku odlewów
• Wzmocnienie obszarów o wysokim naprężeniu za pomocą wypełnienia żyroskopowego lub tekstury
• Standaryzacja interfejsów, osprzętu i mocowań dla zespołów modułowych
• Parametryzacja rodzin części z zachowaniem wspólnych cech krytycznych

Limity projektowe

• Kąty zwisu powyżej 60 stopni wymagają podpór
• Ekstremalne proporcje powyżej 5:1 grożą zapadnięciem się lub deformacją.
• Minimalna grubość ścianki ~0,8 mm, drobne elementy > 0,4 mm
• Ciasne kieszenie mogą uwięzić niespieczony proszek wymagający otworów ewakuacyjnych.
• Unikaj pustych przestrzeni odizolowanych od dostępu do usuwania proszku.
• Obfite zaokrąglenia potrzebne do złagodzenia naprężeń szczątkowych
• Obróbka końcowa niezbędna dla pasowań, uszczelnień, łożysk

Wcześniejsze szkolenie inżynierów w zakresie DfAM w połączeniu z doświadczonymi projektantami AM może zapobiec przeróbkom wynikającym z braku gotowych do produkcji projektów wymaganych dla końcowych części drukowanych z metalu.

Analiza porównawcza

Druk 3D a tytan odlewany lub obrabiany maszynowo

Profesjonaliści w dziedzinie wytwarzania przyrostowego

• Swoboda projektowania lekkich konstrukcji
• Redukcja liczby części poprzez konsolidację
• Niestandardowe kształty dopasowane do wymagań terenowych
• Eliminacja narzędzi potrzebnych do odlewania matryc lub CNC
• Bezpieczniejszy, zrównoważony proces z mniejszą ilością odpadów
• Krótszy czas realizacji dla partii o małej objętości

Wady

• Wolniejsze tempo budowy niż w przypadku produkcji masowej
• Ograniczenia rozmiaru narzucone przez mniejsze komory kompilacji
• Wyższy koszt na część w średnich ilościach
• Rozległe czyszczenie podpory powodujące defekty powierzchni
• Obróbka końcowa obniża właściwości wydrukowanego materiału
• Anizotropia prowadzi do słabości kierunkowych
• Standardy i kwalifikacje wciąż dojrzewają

Tytan drukowany w 3D a inne metale

Parametr	Tytan	Aluminium	Stal nierdzewna	Stopy niklu
Siła	Wysoki	Średni	Średni	Bardzo wysoka
Sztywność	Średni	Średni	Wysoki	Wysoki
Gęstość	Lekki	Bardzo lekki	Cięższy	Cięższy
Koszt	Wysoki	Niski	Średni	Wysoki
Żywotność w temperaturze	Doskonały	Uczciwy	Lepiej	Najlepszy
Odporność na korozję	Doskonały	Targi/Powłoki	Najlepszy	Lepiej
Biokompatybilność	Doskonały	Dobry	Uczciwy	Słaby
Właściwości magnetyczne	Nie	Nie	Lekko magnetyczny	Magnetyczny

Tytan wyróżnia się tam, gdzie wysokotemperaturowa wydajność mechaniczna łączy się z elastycznością projektowania, niską masą i odpornością na ekstremalne warunki. Rozszerzone możliwości AM pomagają przezwyciężyć tradycyjne wyzwania związane z produkcją, takie jak wysoki współczynnik zakupu do lotu i długi czas realizacji, które ograniczały wcześniejsze zastosowania pomimo wyjątkowych właściwości.

Perspektywy branży i przyszłość tytanu AM

Technologia addytywna jest jednym z najszybciej rozwijających się segmentów produkcji, a drukarki stają się coraz większe i szybsze, wykorzystując wiele laserów i ramion robotycznych. Części tytanowe są kwalifikowane do produkcji seryjnej w sektorach lotniczym, kosmicznym, energetycznym, sportów motorowych i medycznym.

Niektóre trendy wpływające na przyjęcie fuzji tytanu w złożu proszkowym:

• Malejące koszty systemu zwiększają jego przystępność
• Zautomatyzowane przetwarzanie końcowe zwiększające powtarzalność
• Techniki wytwarzania przyrostowego na dużym obszarze (BAAM) dla dużych struktur tytanowych
• Nowe specjalistyczne stopy o doskonałej wytrzymałości na pełzanie i zmęczenie materiału
• Symulacja i sztuczna inteligencja do przewidywania defektów, optymalizacji procesów, zapewniania jakości
• Druk hybrydowy łączący druk addytywny, subtraktywny, inspekcję i automatyzację
• Dojrzałość łańcucha dostaw zapewniająca identyfikowalność materiałów i standardy procesów

W miarę jak tytanowe części AM uzyskują certyfikaty bezpieczeństwa lotów i medyczne, druk 3D ma szansę przekształcić branże wymagające dużych zapasów, takie jak lotnictwo i kosmonautyka, za pomocą rozproszonych modeli produkcyjnych. Firmy współpracują w całym łańcuchu wartości, wprowadzając innowacyjne projekty do zastosowań o znaczeniu krytycznym szybciej i po niższych kosztach niż kiedykolwiek wcześniej.

poznaj więcej procesów druku 3D