Proszek tytanowy do druku 3D Zastosowania

Dzięki wysokiemu stosunkowi wytrzymałości do masy, wydajności temperaturowej, odporności na korozję i trwałości, tytan jest wyjątkowym materiałem do produkcji addytywnej w krytycznych zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych. W połączeniu ze złożoną swobodą projektowania, którą ułatwiają nowoczesne metody syntezy w złożu proszkowym, Druk 3D z proszku tytanowego odblokowuje nowy potencjał.

W tym przewodniku przeglądowym omówiono powszechnie stosowane stopy tytanu, odpowiadające im właściwości mechaniczne, obróbkę końcową w celu dalszej poprawy właściwości, dostępnych dostawców zapewniających proszki do drukowania o wysokiej czystości oraz praktyczne przykłady zastosowań według branży końcowej. Tabele porównawcze podkreślają względne zalety różnych materiałów tytanowych i metod drukowania.

Przegląd druku 3D z proszku tytanu

W porównaniu z konwencjonalną obróbką subtraktywną, drukowanie addytywne przy użyciu drobnych proszków tytanu zapewnia:

• Zmniejszona ilość odpadów surowcowych - wysoki współczynnik zakupu do lotu w porównaniu z 90%
• Niższa masa podzespołów - zoptymalizowana lekkość
• Swoboda projektowania - złożoność nieograniczona dostępem do narzędzi
• Personalizacja - dostosowanie funkcji do konkretnej lokalizacji
• Uproszczone zespoły - zintegrowane komponenty
• Poprawa wydajności - mocniejsze niż odlewane i kute

Zarówno laserowa synteza proszków, jak i techniki ukierunkowanego osadzania energii (DED) mogą z powodzeniem wytwarzać złożone części tytanowe. Zapewnienie jakości w całym procesie AM - począwszy od wysokiej czystości proszku do drukowania - zapewnia niezawodne, spójne komponenty o wysokiej wydajności.

Opcje stopów tytanu do druku 3D

Najpopularniejsze warianty materiałów tytanowych wykorzystywane w zastosowaniach addytywnych obejmują komercyjnie czyste gatunki i tytan 6Al-4V (Ti64). Nowe stopy, takie jak Ti6462, zapewniają zwiększone możliwości.

Standardowa matryca stopów tytanu do druku

Stop	Skład	Właściwości	Typowe zastosowania
CP Stopień 1	Ti 99.2%, wartości graniczne Fe/O/N/C	Doskonała odporność na korozję, przeciętne właściwości mechaniczne	Zakłady chemiczne, morskie
CP Stopień 2	Ti 99.4%, wartości graniczne Fe/O/N/C	Lepsza wytrzymałość niż Gr1, równie odporna na korozję	Płatowce lotnicze, implanty
Ti-6Al-4V	Ti 90%, Al 6%, V 4%	Twardsze, doskonały stosunek wytrzymałości do wagi	Lotnictwo i sporty motorowe
Ti6462	Ti Bal, Al 5,8-6,8%, Mo 3%	Wysoka odporność na zmęczenie. Specyfikacje lotnicze w trakcie opracowywania	Komponenty lotnicze nowej generacji

Pierwiastki śladowe, takie jak Fe, C, N i O są ściśle kontrolowane, aby spełnić surowe wymagania chemiczne dla AM.

Specyfikacje dla Druk 3D z proszku tytanowego

Sferyczne proszki o kontrolowanym rozkładzie wielkości cząstek, minimalnej porowatości wewnętrznej i rygorystycznych poziomach czystości chemicznej są niezbędne do uzyskania wysokiej jakości druku przy użyciu tytanu.

Normy dotyczące cząstek materiału wsadowego w proszku

Pomiar	Wymóg
Zakres rozmiarów	15 - 53 mikrony
Średni rozmiar cząstek	25-35 mikronów
Kształt cząsteczki	Wysoce sferyczny
Gęstość pozorna	2,7 - 3,7 g/cm3
Gęstość kranu	3,2 - 4,2 g/cm3

Normy zaostrzają parametry morfologiczne w celu poprawy upakowania i rozprzestrzeniania się złoża proszku podczas cykli drukowania.

Metody obróbki końcowej tytanowych części AM

Typowe techniki obróbki końcowej stosowane w celu poprawy wydajności materiałowej drukowanych komponentów na bazie tytanu:

Zastosowane podstawowe zabiegi po leczeniu

Łagodzenie stresu

Starzenie w niskiej temperaturze w celu usunięcia naprężeń szczątkowych. Zapobiega potencjalnym wypaczeniom lub pęknięciom.

Wykończenie powierzchni

Zwiększa precyzję wymiarów, łamie ostre krawędzie lub wygładza estetyczny wygląd zewnętrzny.

HIP (prasowanie izostatyczne na gorąco)

Jednocześnie podwyższona temperatura i ciśnienie izostatyczne zagęszczają wewnętrzne puste przestrzenie/porowatości obecne w procesach AM.

Obróbka cieplna

Zmienia mikrostrukturę Ti-6Al-4V w celu optymalizacji ciągliwości, odporności na pękanie i trwałości zmęczeniowej.

Obróbka skrawaniem

Zapewnia niezwykle wysoką dokładność wymiarową i wykończenie powierzchni, które najlepiej sprawdza się w przypadku obróbki CNC części o kształcie zbliżonym do siatki.

Porównanie technik druku 3D z metalu dla tytanu

Nowoczesne techniki ułatwiają mikrospawanie drobnego proszku tytanowego przy użyciu precyzyjnego topienia laserowego lub wiązek elektronów w szczelnych środowiskach obojętnych:

Matryca opcji procesu drukowania tytanu

Metoda	Opis	Korzyści	Ograniczenia
Laserowa fuzja łoża proszkowego	Laser selektywnie stapia obszary złoża proszku w oparciu o dane wejściowe modelu CAD	Najwyższy stopień wykorzystania komercyjnego; najlepsza przydatność do ostatecznego zastosowania właściwości materiału	Porównywalnie wolniejsze prędkości kompilacji
Topienie wiązką elektronów	Wiązka elektronów spala proszek rozprowadzony na płycie roboczej w wysokiej próżni	Wyjątkowa spójność między poszczególnymi częściami; duży potencjał konstrukcyjny	Trudne przetwarzanie reaktywnego tytanu pierwiastkowego bez rygorystycznej kontroli atmosfery
Bezpośrednie osadzanie energii	Skupiony laser topi proszek metalowy w sprayu, wpływając na obszar drukowania	Możliwość zastosowania większych komponentów; możliwość naprawy	Znaczna porowatość stanowi wyzwanie dla wydajności mechanicznej tytanu

Laserowe metody oparte na łożu proszkowym są stosowane głównie do drukowania wymagających komponentów tytanowych dzięki precyzyjnej dokładności wymiarowej i czystości materiału.

Zastosowania części AM z tytanu i metalu

Dostosowane do potrzeb właściwości mechaniczne, lekkość, odporność na korozję i bio-odporność, jaką tytan zapewnia w szerokim zakresie temperatur, doskonale się do tego nadają:

Różnorodne branże wykorzystujące druk 3D z tytanu

Lotnictwo i kosmonautyka - Wsporniki silników, części do dronów, sprzęt satelitarny Sporty motorowe - Korbowody, kolektory dolotowe, turbosprężarki Medycyna i stomatologia - Niestandardowe implanty ortopedyczne, protetyka Ropa i gaz - Armatura rurociągowa, zawory/pompy głębinowe Wytwarzanie energii - Lekkie wirniki i łopatki turbin

Zdolność do produkcji złożonych komponentów o małej objętości z zaawansowaną metalurgią inżynieryjną przyspiesza przyjęcie tytanu. Partnerstwo w całym łańcuchu dostaw zapewnia identyfikowalność materiałów i powtarzalność procesów.

Dostawcy przemysłowi zapewniający Druk 3D z proszku tytanowego

Liderzy dostarczający sferyczne proszki tytanowe o wysokiej czystości, przeznaczone specjalnie do procesów wytwarzania przyrostowego:

Matryca producentów proszku tytanowego

Firma	Wspólne oceny	Typowe ceny, $/Kg
AP&C	Ti-6Al-4V, Gr2, Gr5, Ti6462	$100 – $500
Technologia LPW	Ti-6Al-4V, Gr23, Ti64	$150 – $600
Tekna	Ti-6Al-4V	$250 – $400
Sandvik	Ti-6Al-4V	$200 – $350

Zakres na bazie $/Kg zależy w znacznym stopniu od czystości, szczelności rozkładu wielkości proszku, pobierania próbek, wymaganych certyfikatów i wielkości zakupów. Lokalny łańcuch dostaw pomaga skrócić czas realizacji.

FAQ

Który proszek ze stopu tytanu jest uważany za optymalny dla urządzeń medycznych i implantów?

Ze względu na doskonałą biokompatybilność w połączeniu z wyjątkową wydajnością zmęczeniową w wysokich cyklach, tytan klasy medycznej 5 zgodnie z ASTM F67 spełnia rygorystyczne kontrole chemiczne, idealne do urządzeń skierowanych do pacjenta i zastosowań w implantach nośnych.

Ile razy można ponownie wykorzystać tytanowe surowce proszkowe AM?

Tytanowe proszki do drukowania mogą być efektywnie ponownie użyte 5-10 razy przed odświeżeniem, przy założeniu, że ścisłe protokoły monitorowania dopuszczalnych poziomów wychwytywania tlenu z powtarzających się cykli termicznych są utrzymywane poniżej maksymalnych progów poprzez mieszanie i przesiewanie.

Jakiej gęstości należy oczekiwać w przypadku części tytanowych topionych laserowo bez obróbki końcowej?

Bezpośrednio po usunięciu z systemu złoża proszku o zoptymalizowanych parametrach przetwarzania, należy oczekiwać prawie pełnej gęstości powyżej 98% dla gotowych komponentów tytanowych, rywalizujących i przewyższających produkty odlewane lub kute wymagające rozległych operacji na dalszych etapach w celu osiągnięcia podobnej wydajności.

Jaka technika przetwarzania końcowego najbardziej zwiększa trwałość zmęczeniową?

W przypadku wybitnych części ze stopu Ti-6Al-4V narażonych na cykliczne naprężenia, prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) zapewnia do ~30% dłuższą żywotność zmęczeniową poprzez minimalizację wewnętrznych pustek i resztkowej porowatości, zwykle występujących po procesach AM metalu, wynikających z nieuniknionych lokalnych efektów mikroskurczu między stopionymi cząstkami proszku.

Poza technikami ukierunkowanego osadzania energii, jakie inne metody ulepszania powierzchni z powodzeniem modyfikują tytanowe części AM?

Technologie natryskiwania cieplnego, takie jak spawanie plazmowe (PTA), spawanie paliwem powietrznym o dużej prędkości (HVAF) i spawanie paliwem tlenowym o dużej prędkości (HVOF), umożliwiają nakładanie grubych zewnętrznych powłok ochronnych, w tym ceramicznych; natryskiwanie proszków na zimno na powierzchnie zapewniające pogrubione sekcje i ochronę przed zużyciem; platerowanie laserowe lub laserowe osadzanie metalu nakłada dodatkowe stopy metali, zwiększając odporność na korozję, tarcie i uderzenia dzięki doskonałemu wiązaniu metalurgicznemu.

poznaj więcej procesów druku 3D