Титановый порошок для 3D-печати

Обзор 3d-печать титановым порошком

Титан - прочный, легкий, устойчивый к коррозии металл, который идеально подходит для 3D-печати сложных геометрических форм для аэрокосмической, автомобильной, медицинской и других ответственных областей применения. Титановый порошок можно использовать для печати металлических деталей полной плотности с превосходными механическими свойствами с помощью технологий порошкового наплавления, таких как селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM).

В этой статье представлено исчерпывающее руководство по титановому порошку для 3d-печати, включающее состав, свойства, характеристики, области применения, плюсы/минусы, поставщиков, стоимость и многое другое.

Состав 3d-печать титановым порошком

Титановый порошок для аддитивного производства почти полностью состоит из элемента титана. Однако в нем могут присутствовать небольшие количества других элементов, таких как алюминий, ванадий, железо, кислород, азот и углерод.

Марки титана для порошкового наплавления

Класс	Состав
Ti 6Al-4V	90% титан, 6% алюминий, 4% ванадий
Ti 6Al-4V ELI	То же, что и Ti 6Al-4V, но с более низкими пределами содержания межслоевого кислорода, железа и азота
Коммерчески чистый титан класса 1	99.2% Минимальный титан
Коммерчески чистый титан класса 2	99,5% Минимальный титан
Коммерчески чистый титан класса 3	99,8% Минимальный титан
Коммерчески чистый титан класса 4	99.9% Минимальный титан

Ti 6Al-4V - наиболее распространенная марка, используемая сегодня в аддитивном производстве благодаря превосходному соотношению прочности и веса, свариваемости и коррозионной стойкости. Вариант ELI обладает улучшенной пластичностью и вязкостью разрушения.

Коммерчески чистые сорта титана обладают меньшей прочностью, но лучшей биосовместимостью для медицинских имплантатов. Титан класса 5 с повышенным содержанием кислорода обычно не используется для порошковой плавки.

Свойства 3d-печать титановым порошком Части

3D-печатные титановые детали могут достигать свойств, аналогичных или превосходящих свойства традиционного титана, с дополнительным преимуществом в виде свободы дизайна.

Механические свойства

Недвижимость	Ti 6Al-4V	Ti 6Al-4V ELI	CP Ti Grade 2
Прочность на разрыв	930 - 1050 МПа	860 - 965 МПа	345 - 485 МПа
Предел текучести	825 - 890 МПа	795 - 875 МПа	≥ 275 МПа
Удлинение при разрыве	8 – 15%	≥10%	20%
Усталостная прочность	≥ 400 МПа	≥ 550 МПа	275 - 550 МПа
Вязкость разрушения	55 - 115 МПа√м	≥ 100 МПа√м	Н/Д

3D-печатный титан обладает жесткостью, твердостью и износостойкостью, сравнимыми с традиционными методами производства титана. Послепечатная обработка, например горячее изостатическое прессование (HIP), может еще больше улучшить свойства материала.

Преимущества

Высокое соотношение прочности и массы
Коррозионная стойкость
Биосовместимость и остеоинтеграция
Свобода проектирования для оптимизации топологии
Уменьшение количества отходов по сравнению с субтрактивными методами
Конформные каналы охлаждения обеспечивают повышение производительности

Ограничения

Высокая реакционная способность к кислороду затрудняет обращение с ними
Дефекты печати, такие как пористость, могут снизить усталостную прочность
Дорогой порошковый материал и проблемы с переработкой
Для достижения технических характеристик материала может потребоваться постобработка

Технические характеристики 3d-печать титановым порошком

Титановый порошок, используемый для аддитивного производства, должен соответствовать строгим стандартам по гранулометрическому составу, морфологии, химическому составу и другим характеристикам.

Распределение по размерам

Параметр	Типовое значение	Роль
Диапазон размеров частиц	15 - 45 мкм	Определяет минимальное разрешение, распределение порошка
D10	20 микрон	Указывает на более мелкую фракцию порошка
D50	30 микрон	Медианный размер частиц
D90	40 микрон	Указывает на более крупные частицы
Кажущаяся плотность	2,7 г/куб. см	Плотность упаковки порошкового слоя, влияет на воспроизводимость

Порошок должен иметь почти сферическую морфологию с небольшим количеством спутников для плавного распределения порошка. Химический состав должен соответствовать спецификациям марки с низким содержанием примесей.

Другие важные атрибуты

Текучесть
Остаточное содержание кислорода и азота
Консистенция кажущейся и тап-плотности
Возможность вторичной переработки
Химическая совместимость с процессом
Характеристики управления

Соблюдение строгих требований к качеству по каждому параметру является критически важным для бездефектной сборки.

Применение 3d-печать титановым порошком

Промышленность	Приложение	Преимущества 3D-печати титана
Аэрокосмическая и авиационная промышленность	– Детали летательных аппаратов (детали крыла, детали шасси) – Детали ракетных двигателей – Спутниковые конструкции	– Облегчение: Уменьшенный вес приводит к повышению топливной эффективности и увеличению дальности полета. – Высокое соотношение прочности и веса: Титановые детали могут быть прочными, но легкими, что имеет решающее значение для летных характеристик самолета. – Свобода дизайна: Сложные внутренние структуры могут быть напечатаны для оптимизации производительности и распределения веса.
Медицина и стоматология	– Имплантаты (протез тазобедренного сустава, коленного сустава, зубные имплантаты, черепные имплантаты) – Хирургические инструменты – Индивидуальное протезирование	– Биосовместимость: Титан хорошо переносится организмом человека, что сводит к минимуму риск отторжения. – Персонализация: 3D-печать позволяет создавать индивидуальные имплантаты, которые идеально соответствуют их анатомии, улучшая прилегание и функциональность. – Пористые структуры: Имплантаты могут иметь пористую структуру, которая способствует врастанию кости и обеспечивает лучшую долговременную стабильность.
Автомобильная промышленность	– Высокопроизводительные компоненты двигателя (шатуны, поршни) – Легкие автомобильные детали – Гоночные компоненты	– Прочность и долговечность: Титан выдерживает высокие температуры и давление, характерные для двигателей. – Снижение веса: Более легкие детали способствуют улучшению топливной экономичности и управляемости. – Сложные геометрии: 3D-печать позволяет создавать сложные внутренние каналы для охлаждения или потока масла.
Потребительские товары и спорт	– Высококачественные велосипедные рамы – Спортивное протезирование – Ювелирные изделия и очки	– Уникальный дизайн и настройка: 3D-печать позволяет персонализировать дизайн и функции. – Прочность и легкий вес: Идеально подходит для применений, требующих как долговечности, так и минимального веса. – Биосовместимость: Подходит для протезирования и некоторых ювелирных изделий, контактирующих с кожей.
Нефть и газ	– Скважинные инструменты и оборудование – Коррозионностойкие трубы и клапаны	– Коррозионная стойкость: Титан превосходно работает в суровых условиях с воздействием химикатов и соленой воды. – Высокая прочность: Выдерживает высокое давление и нагрузки, возникающие при добыче нефти и газа. – Снижение веса: Более легкие инструменты легче маневрировать в глубоких стволах скважин.
Исследования и разработки	– Прототипирование сложных деталей – Тестирование новых конструкций и материалов	– Быстрая итерация: 3D-печать позволяет быстро создавать и тестировать новые конструкции. – Свобода дизайна: Сложную геометрию можно распечатать в исследовательских целях. – Исследование материала: Позволяет печатать различными титановыми сплавами или композитами для оценки свойств.

Поставщики титанового порошка для 3d-печати

Большинство поставщиков титанового порошка предлагают сплав Ti 6Al-4V, специально разработанный для аддитивного производства. Некоторые из них также предоставляют услуги по разработке сплавов на заказ.

Крупнейшие компании, производящие титановый порошок

Компания	Предлагаемые классы	Услуги
AP&C	Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI	Разработка сплавов на заказ
Tekna	Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI	Усовершенствованная плазменная сфероидизация
Столярная присадка	Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI	Обширное QA-тестирование
Praxair	Ti 6Al-4V	Распыление азота
Эпоха	Коммерчески чистый титан	Небольшие заказы

Многие OEM-производители 3D-принтеров, такие как EOS и SLM Solutions, также предлагают сопутствующие титановые порошки. Переработанные порошки имеют более низкую стоимость, но содержат большее количество примесей.

Стоимость титанового порошка

Класс	Морфология	Диапазон цен
Ti 6Al-4V	Сферическая	$350-$1000 за кг
Ti 6Al-4V ELI	Сферическая	$500-$2000 за кг
CP Ti 1-4 класс	Нерегулярный	$100-$500 за кг

Стоимость существенно зависит от объема заказа, качества, наценки поставщика и переработки.

Плюсы и минусы 3d-печать титановым порошком

Характеристика	Плюсы	Cons
Свойства материала	* Высокое соотношение прочности и веса: Титан обладает исключительной прочностью, оставаясь при этом легким, что идеально подходит для применений, требующих снижения веса в аэрокосмической и автомобильной промышленности. * Коррозионная стойкость: Естественная устойчивость титана к коррозии делает его идеальным для компонентов, подвергающихся воздействию суровых сред, таких как морские или химические среды. * Биосовместимость: Биосовместимость титана позволяет безопасно использовать его в медицинских имплантатах, способствуя остеоинтеграции (слиянию с костью) для обеспечения долгосрочной функциональности.	* Ограниченный выбор материалов: По сравнению с традиционным производством с использованием более широкого спектра материалов, 3D-печать титановым порошком в настоящее время ограничена определенным диапазоном титановых сплавов.
Проектирование и производство	* Свобода дизайна: 3D-печать позволяет создавать изделия сложной геометрии, ранее невозможные с помощью традиционных методов субтрактивного производства. Это позволяет создавать сложные конструкции, которые оптимизируют производительность и снижают вес. * Быстрое прототипирование: Возможность быстрой печати прототипов на основе цифровых моделей способствует ускорению итераций проектирования и циклов разработки продукта. * Сокращение отходов материалов: В отличие от субтрактивного производства, при котором образуется значительное количество отходов, при 3D-печати титановым порошком используется только необходимый для дизайна материал, что минимизирует отходы и производственные затраты.	* Высокие первоначальные инвестиции: Стоимость 3D-принтеров, специально разработанных для работы с титановым порошком, может быть значительной, что делает их инвестицией, подходящей в первую очередь для дорогостоящих приложений или крупных производственных предприятий. * Требования к постобработке: Титановые детали, напечатанные на 3D-принтере, часто требуют дополнительных этапов постобработки, таких как термообработка, удаление подложек и отделка поверхности, чтобы достичь желаемых механических свойств и эстетики.
Приложения	* Аэрокосмическая промышленность: Возможность создавать легкие и высокопрочные компоненты для конструкций самолетов, планеров и деталей двигателей делает 3D-печать из титана ценным инструментом в аэрокосмической промышленности. * Медицина: Биосовместимые титановые имплантаты, такие как протезы, зубные имплантаты и черепные имплантаты, выигрывают от способности 3D-печати создавать индивидуальные детали для конкретных нужд пациента. * Автоспорт: Снижение веса имеет решающее значение в автоспорте. Титановые компоненты, напечатанные на 3D-принтере, такие как поршни, шатуны и детали подвески, способствуют повышению производительности и управляемости.	* Ограниченная доступность и опыт: Специализированное оборудование и опыт, необходимые для 3D-печати титановым порошком, могут ограничить его широкое распространение, особенно для небольших производителей или приложений с меньшими объемами производства. * Опасения по поводу безопасности: Процесс обращения с титановым порошком может представлять опасность для здоровья из-за его воспламеняемости и возможности возникновения респираторных заболеваний. Надлежащие протоколы безопасности и оборудование необходимы для безопасной рабочей среды.

Сравнение процессов печати на титане

Процесс	Технология	Материальное сырье	Конверт сборки (дюйм³)	Преимущества	Недостатки	Приложения
Электронно-лучевое плавление (ЭЛП)	Мощный электронный луч плавит титановый порошок слой за слоем в вакуумной камере.	Титановый порошок	До 50 х 50 х 50	– Превосходное качество поверхности и точность размеров – Прочные детали почти идеальной формы с высоким соотношением прочности и веса – Минимальное остаточное напряжение	– Высокая стоимость оборудования и эксплуатации – Ограниченный диапазон построения по сравнению с другими методами – Грубая текстура поверхности на неопорных поверхностях	– Компоненты аэрокосмической отрасли (лопасти турбин, шасси) – Медицинские имплантаты (тазобедренные суставы, зубные имплантаты)
Плавление лазерным лучом (LBM)	Мощный лазерный луч плавит титановый порошок слой за слоем в среде инертного газа.	Титановый порошок	До 120 х 120 х 120	– Высокая точность и разрешение – Широкий спектр совместимых титановых сплавов – Хорошие механические свойства	– Требуется герметичная камера с инертным газом – Более высокое энергопотребление лазера по сравнению с EBM	– Медицинские и зубные имплантаты – Автомобильные детали (легкие компоненты) – Компоненты аэрокосмической отрасли (конструкционные детали)
Направленное энергетическое осаждение (DED)	Сфокусированный источник энергии (лазер или электронный луч) плавит титановую проволоку или порошок, слой за слоем нанося их на подложку.	Титановая проволока или порошок	До 1000 х 1000 х 1000	– Большая рабочая зона для печати крупногабаритных деталей – Более высокая скорость печати по сравнению со сваркой в порошковом слое – Может использоваться для ремонта и плакирования	– Более низкое разрешение и качество поверхности по сравнению с LBM/EBM – Более высокий риск деформации и искажений – Ограниченная поддержка сложных геометрических форм	– Крупномасштабные конструктивные элементы (мосты, сосуды под давлением) – Ремонт существующих деталей – Функциональные прототипы
Струйная обработка вяжущего (BJ)	Струйная головка с жидким связующим выборочно наносит связующее на слой титанового порошка, создавая твердую неспеченную деталь. Затем деталь раскрепляется и спекается.	Титановый порошок и жидкое связующее	До 700 х 500 х 500	– Более низкая стоимость детали по сравнению с другими методами – Подходит для печати сложной геометрии с внутренними каналами – Широкий спектр материалов (не ограничиваясь титаном)	– Относительно слабые детали после удаления привязки, требующие спекания – Более низкие механические свойства по сравнению с методами сварки – Этапы последующей обработки могут занять много времени	– Некритические автомобильные компоненты (детали интерьера) – Медицинские прототипы – Функциональные детали с низкой нагрузкой

Стандарты для титанового порошка и печатных деталей

Аспект	Организации по стандартизации	Ключевые соображения	Типичные стандарты
Порошковое сырье	ASTM International (ASTM), ISO	– Химический состав – Размер и распределение частиц – Текучесть – Морфология порошка	– ASTM B348: Стандартные спецификации для полос, листов и пластин из титана и титановых сплавов – ASTM F3056: Стандартные спецификации для аддитивного производства (АМ) титанового порошка – ISO 5832-2: Аэрокосмическая серия – Металлические материалы – Прутки, полосы и изделия из титановых сплавов листы – Часть 2: Технические характеристики – UNS R56400 (Ti-6Al-4V)
Механические свойства	ASTM International (ASTM)	– Предел прочности – Предел текучести – Удлинение – Усталостная прочность – Твердость	– ASTM F136: Стандартные спецификации для листов и пластин для конструкционных применений – ASTM F3001: Стандартные спецификации для порошков аддитивного производства (AM) для лазерной плавки – ASTM F3302: Стандартные спецификации для уплотнения порошков титана и титановых сплавов методом лазерной плавки (LBM) )
Микроструктура и пористость	ASTM International (ASTM)	– Размер зерна – Уровень и распределение пористости – Шероховатость поверхности	– ASTM E112: Стандартные методы испытаний для определения среднего размера зерен металлических материалов – ASTM B924: Стандартные методы испытаний для проверки и классификации изменения цвета оксидов титана – ASTM F2904: Стандартная практика определения микроструктурных характеристик металлических сплавов, полученных аддитивным способом
Проектирование деталей для аддитивного производства (AM)	ASTM International (ASTM), отчет Волерса	– Минимальная толщина стенки – Расчет несущих конструкций – Внутренние элементы и решетчатые конструкции – Учет шероховатости поверхности	– ASTM F4269: Стандартная практика аддитивного производства с использованием порошковой сварки металлов – Отчет Волерса [Отчет Волера о состоянии отрасли в области аддитивного производства] – Рекомендации по проектированию от производителей оборудования
Неразрушающий контроль (NDT)	ASTM International (ASTM)	– Рентгенография – Компьютерная томография (КТ) – Ультразвуковой контроль – Вихретоковый контроль	– ASTM E1742: Стандартная практика радиографического исследования металлических материалов на пористость и включения – ASTM F2789: Стандартный метод испытаний для компьютерной томографии (КТ) процессов аддитивного производства (АП) – ASTM E114: Стандартная практика ультразвукового контроля металлических материалов – ASTM E2194: Стандартное руководство по электромагнитным (вихревым токам) испытаниям металлических изделий
Постобработка	ASTM International (ASTM)	– Термическая обработка – Горячее изостатическое прессование (HIP) – Механическая обработка и чистовая обработка	– ASTM F67: Стандартный метод испытаний для определения прочности на сдвиг титановых винтов и штифтов – ASTM B967: Стандартные спецификации для химического удаления накипи, электроочистки и пассивации титана и титановых сплавов – Рекомендации по механической обработке и чистовой обработке от производителей оборудования

процесс производства ebm — ЦИФРОВАЯ КАМЕРА OLYMPUS

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Какой титановый сплав лучше всего подходит для 3D-печати?

Ti 6Al-4V в настоящее время является наиболее распространенным порошком титанового сплава, используемого для аддитивного производства, благодаря его превосходным механическим свойствам и коррозионной стойкости в сочетании с коммерческой доступностью. Ti 6Al-4V ELI обеспечивает повышенную вязкость разрушения.

Какими методами можно печатать титановые детали в 3D?

Селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое плавление (EBM) являются основными технологиями порошкового плавления, используемыми для печати титана. Методы направленного энергетического осаждения (DED) также способны на это, но имеют большую пористость.

Нужны ли титану опоры при 3D-печати?

Да, титан требует опор во время печати, поскольку он быстро затвердевает. Необходимо тщательно оптимизировать опоры, чтобы избежать дефектов поверхности и напрасной траты материала, обеспечивая при этом адекватное крепление.

Что дешевле - 3D-печать или обработка титана?

Для изготовления единичных деталей на заказ 3D-печать титана часто обходится дешевле, поскольку не требуется оснастка. При массовом производстве обработка титана на станках с ЧПУ может быть дешевле в расчете на одну деталь, однако при этом возрастают первоначальные затраты на установку и отходы материалов.

В каких отраслях используются 3D-печатные титановые детали?

Аэрокосмическая отрасль сегодня является крупнейшим потребителем титановой печати благодаря улучшению соотношения "цена-качество" при производстве сложных компонентов. Медицина, автомобилестроение, нефтегазовая промышленность, производство спортивных товаров и потребительский сектор также используют 3D-печатный титан.

Сколько стоит титановый порошок для 3D-печати?

Цена на титановый порошок может варьироваться от $100-2000 за килограмм в зависимости от состава, качества, объема заказа и других факторов. Сферические порошки Ti 6Al-4V и Ti 6Al-4V ELI для критических применений имеют премиальную цену свыше $500/кг.

Каковы примеры 3D-печатных титановых деталей?

3D-печать позволяет создавать инновационные титановые детали, такие как кронштейны для планера самолета, турбины, компоненты для автоспорта, индивидуальные протезы, литьевые формы с конформным охлаждением и даже очки или ювелирные изделия с использованием сложных решетчатых конструкций.

узнать больше о процессах 3D-печати

MET3DP - лидер в области производства материалов для аддитивного производства

MET3DP Technology Co., LTD - ведущий поставщик решений для аддитивного производства со штаб-квартирой в Циндао, Китай. Наша компания специализируется на производстве оборудования для 3D-печати и высокопроизводительных металлических порошков для промышленного применения.

Сделайте запрос, чтобы получить лучшую цену и индивидуальное решение для вашего бизнеса!