Аддитивное производство титана

Аддитивное производство (АП), также известное как 3D-печать, производит революцию в производстве во всех отраслях. В этом руководстве подробно рассматриваются технологии AM для титановых деталей, включая процессы, материалы, области применения, постобработку, контроль качества и многое другое.

Обзор аддитивное производство титана

Титан — прочный и легкий металл, идеально подходящий для высокопроизводительных применений, таких как аэрокосмическая и медицинская промышленность. Аддитивное производство открывает новые возможности дизайна и возможности индивидуальной настройки благодаря титану.

Преимущества	Подробности
Сложная геометрия	Сложные формы, невозможные при механической обработке.
Облегчение	Решетчатые структуры и оптимизация топологии
Объединение частей	Уменьшение количества деталей в сборе
Персонализация	Медицинские устройства, ориентированные на пациента
Более короткие сроки выполнения	Быстрое производство прямо из проекта

С падением затрат и улучшением качества внедрение титанового AM ускоряется.

Титановые материалы для AM

Для аддитивного производства используются различные титановые сплавы:

Сплав	Характеристики
Ти-6Ал-4В (5 класс)	Наиболее общий. Баланс прочности, пластичности и коррозионной стойкости.
Ti-6Al-4V ELI	Очень низкий межстраничный. Улучшенная пластичность и вязкость разрушения.
Ти-5553	Высокая прочность для компонентов аэрокосмической отрасли.
Ти-1023	Хорошая холодная штамповка крепежных изделий.
Ti-13V-11Cr-3Al	Коррозионностойкий сплав для медицинского применения.

Характеристики порошка, такие как гранулометрический состав, морфология и чистота, оптимизированы для обработки АМ.

Технологические методы аддитивного производства титана

Популярные технологии титанового АМ:

Метод	Описание
Порошковая кровать Fusion	Лазерный или электронный луч плавит слои порошка
Направленное энергетическое осаждение	Сфокусированный источник тепла плавит металлический порошок или проволоку.
Струйная обработка вяжущего	Жидкий связующий агент избирательно соединяет частицы порошка

Каждый процесс имеет определенные преимущества в зависимости от применения детали и требований.

Металлический порошковый слой Fusion

Слой порошка избирательно плавится источником тепла послойно:

Тип	Подробности
Лазерное порошковое напыление (L-PBF)	Использует лазер для плавления. Более высокое разрешение.
Электронно-лучевое плавление (ЭЛП)	Электронно-лучевой источник тепла. Более высокие темпы строительства.

L-PBF обеспечивает более тонкие функции, а EBM обеспечивает более высокую производительность. Оба производят детали почти полной плотности.

Направленное энергетическое осаждение

Сфокусированная тепловая энергия используется для плавления металлического порошка/проволоки и нанесения материала слой за слоем:

Метод	Источник тепла
Лазерное напыление металла	Лазерный луч
Электронно-лучевое аддитивное производство	Электронный луч
Лазерная обработка сетки	Лазерный луч

DED часто используется для ремонта или добавления функций к существующим компонентам.

Процесс струйной обработки связующего

Жидкое связующее избирательно соединяет слои металлического порошка:

• Распределение порошка – новый слой порошка распределяется по рабочей платформе.
• Струйная подача связующего – печатающая головка наносит связующее в нужном порядке.
• Связывание – связующие вещества связывают частицы порошка вместе.
• Для достижения полной плотности используются дополнительные этапы сушки, отверждения и пропитки.

Струйная обработка связующего позволяет получить пористые «сырые» детали, которые требуют спекания и пропитки для уплотнения. Обеспечивает высокоскоростную печать.

Параметры АМ для титана

Ключевые параметры процесса АМ для титана:

Параметр	Типовой диапазон
Толщина слоя	20-100 мкм
Мощность лазера (L-PBF)	150-500 W
Скорость сканирования	600-1200 мм/с
Размер балки	50-100 мкм
Расстояние между люками	60-200 мкм

Оптимизация этих параметров позволяет сбалансировать скорость сборки, качество детали и свойства материала.

Постобработка аддитивное производство титана Части

Общие этапы постобработки:

Метод	Назначение
Удаление опоры	Демонтаж опорных конструкций
Обработка поверхности	Улучшить качество поверхности
Сверление и нарезание резьбы	Добавьте отверстия для винтов и резьбу
Горячее изостатическое прессование	Устранение внутренних пустот и пористости
Обработка поверхности	Улучшение износостойкости/коррозионной стойкости

Постобработка адаптирует детали в соответствии с конечными требованиями применения.

Применение аддитивного производства титана

Ключевые области применения титановых деталей AM:

Промышленность	Используется
Аэрокосмическая промышленность	Конструктивные кронштейны, детали двигателей, компоненты БПЛА
Медицина	Ортопедические имплантаты, хирургические инструменты
Автомобильная промышленность	Легкие автозапчасти, индивидуальные прототипы
Химическая	Коррозионностойкие детали для работы с жидкостями
Нефть и газ	Клапаны, насосы для агрессивных сред

AM позволяет разрабатывать инновационные титановые компоненты для требовательных отраслей.

Контроль качества при аддитивном производстве деталей из титана

Критические проверки качества титановых деталей AM:

• Точность размеров – Измеряйте проект с помощью КИМ и 3D-сканеров.
• Шероховатость поверхности – Количественно оценить текстуру поверхности с помощью профилометров.
• Пористость – Рентгеновская томография для проверки внутренних пустот.
• Химический состав – Подтвердите марку сплава с помощью спектрометрических методов.
• Механические свойства – Провести испытания на растяжение, усталость, трещиностойкость.
• Неразрушающий контроль — Рентгенография, УЗИ, пенетрантный контроль.
• Микроструктура – Металлография и микроскопия для проверки дефектов.

Всесторонние испытания подтверждают качество деталей и их функциональные характеристики.

Мировые поставщики аддитивное производство титана

Ведущие поставщики титановых услуг и систем АМ:

Компания	Расположение
GE Additive	США
Velo3D	США
3D Systems	США
Трампф	Германия
EOS	Германия

Эти компании предлагают широкий спектр титанового AM-оборудования, материалов и услуг по производству деталей.

Анализ затрат

Стоимость титановых деталей AM зависит от:

• Размер детали – Более крупные детали требуют больше материала и времени на сборку.
• Объем производства – Большие объемы распределяют затраты на большее количество деталей.
• Материал – Титановые сплавы имеют более высокую стоимость материала, чем стали.
• Постобработка – Дополнительные этапы обработки увеличивают затраты.
• Купить против аутсорсинга – Затраты на приобретение системы AM по сравнению с затратами на контрактное производство.

Титан AM экономически выгоден для изготовления сложных деталей небольшого объема. Он конкурирует с субтрактивными методами, такими как обработка на станках с ЧПУ.

Проблемы аддитивного производства титана

Некоторые текущие проблемы с титановым АМ включают:

• Высокие остаточные напряжения могут вызвать деформации и дефекты деталей.
• Достижение стабильных механических свойств, сравнимых с деформируемыми материалами.
• Анизотропное поведение материала в зависимости от ориентации сборки.
• Ограниченные размеры по сравнению с другими методами производства.
• Несогласованность процессов между машинами AM и проблемы повторяемости.
• Высокие первоначальные системные затраты и цены на материалы.
• Нехватка квалифицированных операторов и профильных специалистов.

Однако продолжающиеся достижения помогают преодолеть многие из этих ограничений.

Перспективы развития аддитивного производства титана

Перспективы развития титанового АМ позитивны:

• Расширение ассортимента сплавов и материалов, специально разработанных для AM.
• Большие объемы сборки позволяют изготавливать более крупные детали и повышать производительность.
• Улучшенное качество, качество поверхности, свойства материала приближены к деформируемым материалам.
• Разработки в области инспекции на месте, мониторинга и контроля технологических процессов.
• Гибридное производство, сочетающее AM с обработкой на станках с ЧПУ и другими методами.
• Рост в аэрокосмическом, медицинском, автомобильном и промышленном секторах газовых турбин.
• Более широкое внедрение по мере снижения затрат на систему AM и увеличения опыта.

Titanium AM обладает огромным потенциалом для преобразования цепочек поставок во многих отраслях, поскольку технология продолжает развиваться.

Выбор сервисного бюро Titanium AM

Вот советы по выбору поставщика услуг Titan AM:

• Ознакомьтесь с их конкретным опытом и примерами использования титановых деталей.
• Ищите полные комплексные возможности, включая постобработку.
• Оцените их системы качества и сертификаты, такие как ISO и AS9100.
• Оцените их инженерную поддержку и дизайн на предмет знаний AM.
• Учитывайте местоположение и логистику для быстрого выполнения заказа.
• Изучите возможности и возможности их AM-оборудования.
• Сравните модели ценообразования (за деталь, скидки за объем и т. д.).
• Проверьте сроки выполнения заказов и своевременную доставку.
• Просмотрите отзывы клиентов и уровень удовлетворенности.

Выбор правильного партнера гарантирует поставку высококачественных деталей в срок и в рамках бюджета.

Плюсы и минусы титана AM

Преимущества и ограничения титанового АМ:

Плюсы

• Свобода дизайна позволяет создавать сложные геометрии.
• Облегчение за счет решеток и оптимизации топологии.
• Ускоренное прототипирование и ограниченный тираж производства.
• Объединение сборок в отдельные детали.
• Медицинские устройства, изготовленные по индивидуальному заказу с учетом анатомии.
• Сокращение отходов материала по сравнению с механической обработкой.

Cons

• Относительно высокие производственные затраты по сравнению с другими процессами.
• Ограничения на максимальный размер детали.
• Постобработка часто требуется для улучшения качества отделки.
• Анизотропные свойства материала.
• Стандарты и кодексы все еще находятся в разработке.
• Для проектирования и обработки необходимы специальные знания.

Для небольших и средних объемов сложных титановых деталей АМ — это технология, меняющая правила игры, несмотря на некоторые постоянные ограничения по мере развития технологии.

Вопросы и ответы

Вопросы	Ответы
Какой процесс AM лучше всего подходит для титана?	Сварка в порошковом слое, такая как DMLS и EBM, позволяет полностью плавить и достигать свойств, близких к деформируемым.
Требуются ли для титанового АМ какие-либо опорные конструкции?	Да, большинство процессов аддитивного производства титана требуют съемных опорных конструкций.
Какая постобработка обычно требуется для деталей из титана AM?	Большинство деталей требуют удаления опор, механической обработки и часто горячего изостатического прессования.
В каких отраслях чаще всего используется титановый АМ?	Аэрокосмическая, медицинская, автомобильная, а также нефтегазовая отрасли являются ведущими поставщиками титанового АМ.
Каких свойств материала можно ожидать от титана AM?	При оптимальных параметрах свойства приближаются к 90-1001ТП3Т деформируемых материалов.

Заключение

Аддитивное производство титана позволяет создавать революционные конструкции и легкие компоненты в аэрокосмической, медицинской, автомобильной и других дорогостоящих отраслях. Поскольку технология продолжает развиваться, можно ожидать более широкого внедрения титановых AM в большем количестве отраслей, что приведет к трансформации цепочек поставок и созданию продуктов следующего поколения.

узнать больше о процессах 3D-печати