Wytwarzanie przyrostowe tytanu

Produkcja addytywna (AM), znana również jako druk 3D, rewolucjonizuje produkcję w różnych branżach. Niniejszy przewodnik zawiera dogłębne spojrzenie na technologie AM dla części tytanowych, w tym procesy, materiały, zastosowania, obróbkę końcową, kontrolę jakości i inne.

Przegląd tytanowa produkcja addytywna

Tytan jest mocnym, lekkim metalem, idealnym do wysokowydajnych zastosowań, takich jak lotnictwo i medycyna. Produkcja addytywna odblokowuje nowe możliwości projektowania i dostosowywania tytanu.

Korzyści	Szczegóły
Złożone geometrie	Skomplikowane kształty nieosiągalne przy obróbce skrawaniem
Lekkość	Struktury kratowe i optymalizacja topologii
Konsolidacja części	Redukcja części montażowych
Personalizacja	Urządzenia medyczne przeznaczone dla pacjentów
Krótszy czas realizacji	Szybka produkcja bezpośrednio z projektu

Wraz ze spadkiem kosztów i poprawą jakości, wdrażanie tytanu AM nabiera tempa.

Materiały tytanowe dla AM

Różne stopy tytanu są wykorzystywane do produkcji addytywnej:

Stop	Charakterystyka
Ti-6Al-4V (klasa 5)	Najczęściej spotykane. Równowaga między wytrzymałością, plastycznością i odpornością na korozję.
Ti-6Al-4V ELI	Bardzo niska międzywęzłowość. Poprawiona ciągliwość i odporność na pękanie.
Ti-5553	Wysoka wytrzymałość dla komponentów lotniczych.
Ti-1023	Dobra formowalność na zimno dla elementów złącznych.
Ti-13V-11Cr-3Al	Odporny na korozję stop do zastosowań medycznych.

Właściwości proszku, takie jak rozkład wielkości cząstek, morfologia i czystość, są optymalizowane pod kątem przetwarzania AM.

Metody wytwarzania przyrostowego tytanu

Popularne techniki AM tytanu:

Metoda	Opis
Powder Bed Fusion	Laser lub wiązka elektronów topi warstwy proszku
Ukierunkowane osadzanie energii	Skupione źródło ciepła topi metalowy proszek lub drut
Binder Jetting	Płynny środek wiążący selektywnie łączy cząstki proszku

Każdy proces ma określone zalety w zależności od zastosowania części i wymagań.

Metalowe łóżko proszkowe Fusion

Złoże proszku jest selektywnie topione przez źródło ciepła warstwa po warstwie:

Typ	Szczegóły
Laserowa fuzja proszkowa (L-PBF)	Wykorzystuje laser do topienia. Wyższa rozdzielczość.
Topienie wiązką elektronów (EBM)	Źródło ciepła w postaci wiązki elektronów. Szybsze tempo budowy.

L-PBF umożliwia uzyskanie drobniejszych elementów, podczas gdy EBM zapewnia wyższą produktywność. Obydwie metody pozwalają uzyskać części o gęstości zbliżonej do pełnej.

Ukierunkowane osadzanie energii

Skoncentrowana energia cieplna jest wykorzystywana do topienia metalowego proszku/drutu w celu osadzania materiału warstwa po warstwie:

Metoda	Źródło ciepła
Laserowe osadzanie metali	Wiązka laserowa
Wytwarzanie przyrostowe wiązką elektronów	Wiązka elektronów
Laserowe kształtowanie siatki	Wiązka laserowa

DED jest często używany do naprawy lub dodawania funkcji do istniejących komponentów.

Proces rozpylania spoiwa

Płynny środek wiążący selektywnie łączy warstwy proszku metalowego:

• Rozprowadzanie proszku - Nowa warstwa proszku rozprowadzona na platformie roboczej.
• Rozpylanie spoiwa - głowica drukująca układa spoiwo w pożądany wzór
• Wiązanie - spoiwa łączą ze sobą cząsteczki proszku.
• W celu osiągnięcia pełnej gęstości stosuje się dodatkowe etapy suszenia, utwardzania i infiltracji.

Binder jetting wytwarza porowate "zielone" części, które wymagają spiekania i infiltracji w celu zagęszczenia. Umożliwia drukowanie z dużą prędkością.

Parametry AM dla tytanu

Kluczowe parametry procesu AM dla tytanu:

Parametr	Typowy zakres
Grubość warstwy	20-100 μm
Moc lasera (L-PBF)	150-500 W
Prędkość skanowania	600-1200 mm/s
Rozmiar wiązki	50-100 μm
Rozstaw włazów	60-200 μm

Optymalizacja tych parametrów zapewnia równowagę między szybkością produkcji, jakością części i właściwościami materiału.

Przetwarzanie końcowe tytanowa produkcja addytywna Części

Typowe etapy przetwarzania końcowego:

Metoda	Cel
Usunięcie wsparcia	Usunięcie konstrukcji wsporczych
Obróbka powierzchni	Poprawa wykończenia powierzchni
Wiercenie i gwintowanie	Dodaj otwory na śruby i gwinty
Prasowanie izostatyczne na gorąco	Eliminacja wewnętrznych pustek i porowatości
Obróbka powierzchni	Zwiększona odporność na zużycie/korozję

Obróbka końcowa dostosowuje części do wymagań aplikacji końcowej.

Zastosowania produkcji dodatków tytanowych

Kluczowe obszary zastosowań tytanowych części AM:

Przemysł	Zastosowania
Lotnictwo i kosmonautyka	Wsporniki strukturalne, części silnika, komponenty UAV
Medyczny	Implanty ortopedyczne, narzędzia chirurgiczne
Motoryzacja	Lekkie części samochodowe, niestandardowe prototypy
Chemiczny	Odporne na korozję części do obsługi płynów
Ropa i gaz	Zawory, pompy do środowisk korozyjnych

AM umożliwia innowacyjne projektowanie komponentów tytanowych w wymagających branżach.

Kontrola jakości tytanowych części do produkcji addytywnej

Krytyczne kontrole jakości tytanowych części AM:

• Dokładność wymiarowa - Pomiary w stosunku do projektu przy użyciu maszyn CMM i skanerów 3D.
• Chropowatość powierzchni - Ilościowe określenie tekstury powierzchni za pomocą profilometrów.
• Porowatość - Tomografia rentgenowska w celu sprawdzenia wewnętrznych pustek.
• Skład chemiczny - Potwierdź klasę stopu za pomocą technik spektrometrycznych.
• Właściwości mechaniczne - Przeprowadzanie testów rozciągania, zmęczenia i odporności na pękanie.
• Badania nieniszczące - Badanie rentgenowskie, ultradźwiękowe, penetracyjne.
• Mikrostruktura - Metalografia i mikroskopia w celu sprawdzenia wad.

Kompleksowe testy sprawdzają jakość części pod kątem wydajności funkcjonalnej.

Globalni dostawcy tytanowa produkcja addytywna

Wiodący dostawcy usług i systemów AM z tytanu:

Firma	Lokalizacja
GE Additive	USA
Velo3D	USA
3D Systems	USA
Trumpf	Niemcy
EOS	Niemcy

Firmy te oferują szereg tytanowych urządzeń AM, materiałów i usług produkcji części.

Analiza kosztów

Koszty części z tytanu AM zależą od

• Rozmiar części - Większe części wymagają więcej materiału i czasu budowy.
• Wielkość produkcji - Wysokie wolumeny rozkładają koszty na większą liczbę części.
• Materiał - Stopy tytanu mają wyższe koszty materiałowe niż stale.
• Przetwarzanie końcowe - Dodatkowe etapy przetwarzania zwiększają koszty.
• Zakup vs outsourcing - Koszty nabycia systemu AM a koszty produkcji kontraktowej.

Technologia Titanium AM jest ekonomicznie opłacalna w przypadku złożonych części o małej objętości. Konkuruje z metodami subtraktywnymi, takimi jak obróbka CNC.

Wyzwania związane z produkcją dodatków tytanowych

Niektóre bieżące wyzwania związane z tytanem AM obejmują:

• Wysokie naprężenia szczątkowe mogą powodować zniekształcenia i wady części.
• Osiągnięcie stałych właściwości mechanicznych porównywalnych z materiałami kutymi.
• Anizotropowe zachowanie materiału w zależności od orientacji konstrukcji.
• Ograniczony rozmiar w porównaniu do innych metod produkcji.
• Niespójności procesu między maszynami AM i kwestie powtarzalności.
• Wysokie koszty początkowe systemu i ceny materiałów.
• Brak wykwalifikowanych operatorów i ekspertów merytorycznych.

Jednak postęp w tej dziedzinie pomaga przezwyciężyć wiele z tych ograniczeń.

Perspektywy na przyszłość dla produkcji dodatków tytanowych

Perspektywy na przyszłość dla tytanu AM są pozytywne:

• Rozszerzający się zakres stopów i opcji materiałowych opracowanych specjalnie dla AM.
• Większa objętość robocza umożliwiająca produkcję większych części i wyższą produktywność.
• Lepsza jakość, wykończenie powierzchni, właściwości materiału zbliżone do materiałów kutych.
• Rozwój w zakresie inspekcji in-situ, monitorowania i kontroli procesów.
• Produkcja hybrydowa łącząca AM z obróbką CNC i innymi metodami.
• Wzrost w sektorach lotniczym, medycznym, motoryzacyjnym i przemysłowych turbin gazowych.
• Szersze zastosowanie wraz ze spadkiem kosztów systemu AM i wzrostem wiedzy specjalistycznej.

Technologia Titanium AM ma ogromny potencjał, aby przekształcić łańcuchy dostaw w wielu branżach, ponieważ technologia ta wciąż dojrzewa.

Wybór biura serwisowego Titanium AM

Oto wskazówki dotyczące wyboru dostawcy usług tytanu AM:

• Zapoznaj się z ich konkretnymi doświadczeniami i przykładami dotyczącymi części tytanowych.
• Poszukiwane są kompleksowe funkcje, w tym przetwarzanie końcowe.
• Oceń ich systemy jakości i certyfikaty, takie jak ISO i AS9100.
• Oceń ich wsparcie inżynieryjne i wiedzę w zakresie projektowania AM.
• Rozważ lokalizację i logistykę w celu szybkiej realizacji.
• Zapoznanie się z możliwościami i wydajnością sprzętu AM.
• Porównanie modeli cenowych (za część, rabaty ilościowe itp.).
• Sprawdź czas realizacji i terminowość dostaw.
• Przejrzyj opinie klientów i poziom ich zadowolenia.

Wybór odpowiedniego partnera zapewnia wysoką jakość części dostarczanych na czas i zgodnie z budżetem.

Plusy i minusy Titanium AM

Zalety i ograniczenia tytanowego AM:

Plusy

• Swoboda projektowania umożliwia tworzenie złożonych geometrii.
• Lekkość dzięki siatkom i optymalizacji topologii.
• Szybsze prototypowanie i ograniczone serie produkcyjne.
• Konsolidacja zespołów w pojedyncze części.
• Spersonalizowane urządzenia medyczne dostosowane do anatomii.
• Mniejsze straty materiału w porównaniu z obróbką skrawaniem.

Wady

• Stosunkowo wysokie koszty produkcji w porównaniu z innymi procesami.
• Ograniczenia maksymalnego rozmiaru części.
• Często wymagana jest obróbka końcowa w celu poprawy wykończenia.
• Anizotropowe właściwości materiału.
• Normy i kodeksy wciąż w opracowaniu.
• Specjalistyczna wiedza wymagana do projektowania i przetwarzania.

W przypadku małych i średnich ilości złożonych części tytanowych, AM jest technologią zmieniającą zasady gry, pomimo pewnych utrzymujących się ograniczeń w miarę dojrzewania technologii.

Najczęściej zadawane pytania

Pytania	Odpowiedzi
Który proces AM najlepiej nadaje się do tytanu?	Fuzja w złożu proszkowym, taka jak DMLS i EBM, pozwala na pełne stopienie w celu uzyskania właściwości zbliżonych do kutych.
Czy tytan AM wymaga jakichkolwiek konstrukcji wsporczych?	Tak, większość tytanowych procesów AM wymaga usuwalnych konstrukcji wsporczych.
Jaka obróbka końcowa jest zazwyczaj wymagana w przypadku tytanowych części AM?	Większość części wymaga usunięcia podpór, obróbki skrawaniem i często prasowania izostatycznego na gorąco.
Jakie branże najczęściej wykorzystują tytan AM?	Przemysł lotniczy, medyczny, motoryzacyjny oraz naftowy i gazowy są wiodącymi odbiorcami tytanu AM.
Jakich właściwości materiału można oczekiwać w przypadku tytanu AM?	Przy optymalnych parametrach, właściwości zbliżają się do 90-100% materiałów kutych.

Wnioski

Produkcja dodatków do tytanu umożliwia tworzenie przełomowych projektów i lekkich komponentów w przemyśle lotniczym, medycznym, motoryzacyjnym i innych sektorach o wysokiej wartości. W miarę dojrzewania technologii można oczekiwać szerszego zastosowania tytanu AM w większej liczbie branż, aby przekształcić łańcuchy dostaw i umożliwić tworzenie produktów nowej generacji.

poznaj więcej procesów druku 3D