Pulver för 3D-utskrift av titan

titan 3d-utskriftspulver är en stark, lätt och korrosionsbeständig metall som är idealisk för 3D-utskrift av komplexa och hållbara delar inom flyg, medicin, fordon och andra industriella tillämpningar. Den här artikeln ger en omfattande översikt över titanpulvermetallurgi för additiv tillverkning.

Översikt över titan 3d-utskriftspulver

Titan är en av de mest populära metallerna som används i 3D-utskriftstekniker med pulverbäddfusion och riktad energideposition. Några viktiga fördelar med 3D-tryckta titandelar inkluderar:

• Högt förhållande mellan styrka och vikt
• Tål extrema temperaturer och korrosion
• Biokompatibel för medicinska implantat
• Komplexa geometrier som inte är möjliga med gjutning eller maskinbearbetning
• Minskat avfall jämfört med subtraktiva metoder
• Kortare ledtider och kostnader jämfört med traditionell titantillverkning

Titan är dock reaktivt vid höga temperaturer och kräver inerta kammarmiljöer under utskriften med argon eller kvävgas. Egenskaperna hos 3D-utskrivet titan beror på olika faktorer:

Nyckelfaktorer som påverkar 3D-utskriftsegenskaper för titan

Med optimala parametrar uppfyller eller överträffar 3D-printade titandelar egenskaperna hos smidda kvarnprodukter och möjliggör innovativa konstruktioner som inte är möjliga med subtraktiva metoder.

Typer av titan 3d-utskriftspulver för AM

Titanlegeringar finns i olika kvaliteter som är anpassade för olika additiva tillverkningsprocesser. De vanligaste titanpulvren är:

Vanliga titanpulverkvaliteter för 3D-utskrift

Partikelstorleksfördelningen är en viktig egenskap som bestämmer den slutliga densiteten och ytfinishen. Finare pulver runt 10-45 mikrometer flyter och komprimeras bättre, medan grövre pulver över 100 mikrometer gör det lättare att avlägsna pulvret och minskar materialkostnaderna.

Specifikationer för titanpulver

Tillverkarna förfinar kontinuerligt produktionsmetoderna för titanpulver och legeringssammansättningarna för att möta den växande efterfrågan på högpresterande additivt tillverkade titankomponenter i olika branscher.

Hur titanpulver tillverkas

Titanmetallpulver har en högre ytarea i förhållande till volym jämfört med fasta former som göt eller tråd. Det finns flera moderna tekniker för pulvertillverkning:

• Plasmaatomisering - Höghastighetsstrålar med inert gas bryter upp smälta titanströmmar till fina droppar som snabbt stelnar till sfäriska pulver med jämn ytmorfologi. Detta ger konsekventa partikelstorlekar med få satelliter.
• Atomisering av gas - I likhet med plasmaatomisering genererar lägre gastryck mindre fina pulver som lämpar sig för EBM-tryckning. Pulvret uppvisar en del stänk med oregelbundna former och satelliter.
• Process med roterande elektrod - Stänger eller trådar av titanlegering smälts i ljusbågar under inert atmosfär och centrifugalkrafter kastar ut metallen som sedan stelnar till platta sfäriska partiklar. Ekonomisk produktion av svampliknande pulver.
• Hydrid-Dehydrid-processen - Finfördelat titanhydridpulver sönderdelas i vakuum, vilket gör att det sönderdelas till fint metalliskt titanpulver med högre syreföroreningar runt 0,35-0,5%.

Alla metoder kräver omfattande siktning och separering av pulver för att erhålla specifika storleksfraktioner som är lämpliga för 3D-utskriftsteknik, vanligtvis cirka 10-150 mikron. Släta sfäriska partiklar ger bättre packningstäthet och flytbarhet. Lämplig rekonditionering, blandning och förvaring av pulver under inert atmosfär är avgörande före användning.

Tillverkare av titanpulver

Några av de största globala leverantörerna av tryckpulver för titan är bl.a:

Dessa företag förbättrar kontinuerligt sina produktionsprocesser och kvalitetsstandarder för att kunna leverera felfria titanpulver som är anpassade för alla större 3D-printingmaskiner för metall.

Kostnader för titanpulver

Som ett lätt strukturellt material är titanmetallpulver cirka 4-5 gånger dyrare än aluminium och 2-3 gånger dyrare än vanligt stål i vikt. Priserna varierar beroende på legeringsgrad, kvalitet och partistorlek från några kilo till ett ton.

Titanpulverskrot från 3D-utskrifter kan återanvändas för att kompensera för materialkostnader efter testning för kontaminering och verifiering av egenskaper. De totala delkostnaderna beror på bygghastigheter, arbetskraft, designkomplexitet och efterbehandling förutom råvarukostnader.

Tillämpningar av 3D-tryckta titandelar

Tack vare sin hållbarhet, biokompatibilitet och designfrihet utökar 3D-printning av metall användningen av titan inom olika branscher:

Flyg- och rymdindustrin - Komponenter till flygplan och raketmotorer, flygplansskrov, helikoptrar, drönare. Minskar antalet delar med upp till 90% jämfört med monterade strukturer.

Sjukvård och tandvård - Ortopediska implantat, proteser, fixeringar och instrument där hög hållfasthet och biokompatibilitet är avgörande. Möjliggör skräddarsydda konstruktioner anpassade till patientens anatomi.

Fordon och motorsport - Lättare delar som vevstakar, växlar och propelleraxlar samtidigt som säkerhetskraven uppfylls. Möjliggör prestandavinster genom topologioptimering.

Industriell utrustning - Pumphjul, ventiler, rör och värmeväxlare i massiv titan som är motståndskraftiga mot korrosion/erosion. Konforma kylkanaler minimerar verktygsslitage vid formsprutning.

Konsumentvaror - Kundanpassade sportartiklar som cykelramar, golfklubbshuvuden, kajakpaddlar med integrerade ergonomiska gitterstrukturer i titan.

3D-printing möjliggör nya geometrier i titan som inte är möjliga med gjutning samtidigt som det stöder lågvolymsproduktion som är typisk för specialiserade applikationer med snabbare ledtider och kostnadsbesparingar under hela livscykeln.

3D-tryckprocesser för metall för titan

Det finns flera additiva tillverkningstekniker som lämpar sig för titanpulverbäddsfusion:

Fusionsprocesser i pulverbädd

Dessa pulverbäddsprocesser innebär att man sprider ut ett tunt lager titanpulver, smälter det selektivt med hjälp av en fokuserad värmekälla, sänker byggplattan och upprepar processen för att bygga delar nerifrån och upp. Kammaren med inert gas förhindrar oxidation vid höga temperaturer. Smältbassängerna stelnar snabbt och resulterar i fina equiaxed titankorn som leder till isotopiska egenskaper som liknar smidda produkter.

SLM och DMLS ger högre upplösning och ytfinhet medan EBM ger snabbare bygghastigheter för billigare prototyper med låg densitet. Hybridmultilasersystem sänker detaljkostnaderna och byggtiderna.

Deposition med riktad energi

DED-processer som LENS (laser engineered net shaping) blåser metallpulver in i en smält pool som skapas av en fokuserad laser eller båge på en substratplatta för att deponera pärlor sida vid sida. DED är idealisk för stora, nästan nätformade detaljer som genomgår slutbearbetning. Titanlegeringar med högre hållfasthet, duktilitet, brottseghet och krypbeständighet kan tillverkas med hjälp av optimerade LENS-parametrar.

Binder Jetting

Med hjälp av bläckstråleskrivhuvudteknik deponeras ett flytande bindemedel selektivt på en bädd av titanpulver för att bilda gröna kompakta delar lager för lager. Sintring vid höga temperaturer ger en densitet på ~95% samtidigt som man undviker restspänningar under tryckningen. Binder jetting är mer lämplig för mindre titankomponenter med måttliga strukturella belastningar och egenskaper under smidda material.

Efterbearbetning av titan 3d-utskriftspulver Delar

Efter tillverkningsprocessen kan titankomponenterna genomgå flera efterbehandlingssteg:

• Borttagning av stödstruktur genom EDM-trådskärning
• Stressavlastande värmebehandling
• Het isostatisk pressning (HIP)
• Lösning behandling & åldrande
• Shot peening för att framkalla tryckspänningar
• Maskinbearbetning - svarvning, borrning, fräsning för att uppfylla toleranskraven på kritiska kontaktytor
• Ytbehandling - slipning, sandblästring, polering, etsning för att släta ytor
• Rengöring och sterilisering av medicintekniska delar

HIP-behandling innebär att argongas används under högt tryck, vakuum och förhöjd temperatur. Detta bidrar till att eliminera inre hålrum och mikroporositet och förbättrar därmed utmattningslivslängden med 5-10 gånger för uppdragskritiska flyg- och rymdkomponenter. HIP ändrar dock den tryckta mikrostrukturen.

De totala komponentkostnaderna ökar på grund av omfattande manuella efterbearbetningssteg för kvalitetskritiska applikationer. Integrerade, automatiserade efterbearbetningsstationer växer fram i anslutning till metallskrivare tillsammans med kvalitetsstandardiseringsinsatser i hela AM-värdekedjan, vilket utlovar högre konsekvens och repeterbarhet för titankomponenter för slutanvändning.

Egenskaper hos 3D-printade titanlegeringar

Mekaniska egenskaper hos vanliga titanlegeringar beror på olika faktorer som pulverkvalitet, skikttjocklek, laserparametrar, byggorientering, värmebehandlingar och HIP.

Ti-6Al-4V ELI Egenskaper

Ti-6Al-4V ELI uppvisar jämförbar eller bättre draghållfasthet och hårdhet än traditionella smidda produkter, medan duktilitet och högcykelutmattning närmar sig smidda materialegenskaper efter HIP.

Ti-6Al-7Nb Egenskaper

Niobtillsatsen ökar biokompatibiliteten jämfört med vanadin och ger samtidigt en styrka som överstiger traditionella Ti-6Al-4V-implantat. Optimerade SLM-parametrar ger täta Ti-6Al-7Nb-strukturer av medicinsk kvalitet som konkurrerar med smidda egenskaper.

Riktlinjer och begränsningar för design

För att fullt ut kunna utnyttja fördelarna med pulverbäddsfusion bör ingenjörer konstruera detaljer specifikt för additiv tillverkning:

Optimal designpraxis

• Minimera onödig massa för viktbesparingar med hjälp av gitterstrukturer
• Konsolidera underenheter till enskilda komponenter
• Inkorporera organiska former, konturer som inte är tillgängliga vid maskinbearbetning
• Inbyggda konvergerande kylkanaler som inte är möjliga med gjutgods
• Förstärkning av områden med hög belastning med gyroidfyllning eller textur
• Standardisera gränssnitt, beslag och fixturer för modulära sammansättningar
• Parametrisera familjer av delar med gemensamma kritiska egenskaper

Designgränser

• Överhängsvinklar över 60 grader kräver stöd
• Extrema bildförhållanden över 5:1 riskerar kollaps eller deformation
• Minsta väggtjocklek ~0,8 mm, fina detaljer > 0,4 mm
• Täta fickor kan fånga osintrat pulver som behöver evakueringshål
• Undvik ihåliga hålrum som är isolerade från pulveravlägsnande åtkomst
• Generösa filéer behövs för att minska restspänningar
• Efterbearbetning nödvändig för passningar, tätningar, lager

Förberedande DfAM-utbildning för ingenjörer i kombination med AM-erfarna konstruktörer kan förhindra omarbetningar på grund av brist på produktionsfärdiga konstruktioner som krävs för metalltryckta slutanvändningsdelar.

Jämförande analys

3D-utskrift vs gjuten eller maskinbearbetad titan

Proffs på additiv tillverkning

• Designfrihet för lättviktskonstruktioner
• Minskning av antalet delar genom konsolidering
• Skräddarsydda former som matchar fältets krav
• Eliminerar verktyg som behövs för gjutformar eller CNC
• Säkrare, hållbarare process med mindre avfall
• Kortare ledtid för lågvolymprodukter

Nackdelar

• Långsammare byggtakt än massproduktion
• Storleksbegränsningar som införs av mindre byggkammare
• Högre kostnad per del i medelstora kvantiteter
• Omfattande stödrengöring som orsakar ytdefekter
• Efterbearbetning sänker egenskaperna hos material som tryckts ut
• Anisotropi leder till svagheter i riktning
• Standarder och kvalifikationer mognar fortfarande

3D-utskrivet titan jämfört med andra metaller

Titan sticker ut när mekanisk prestanda vid höga temperaturer kombineras med designflexibilitet, låg massa och motståndskraft mot extrema förhållanden. De utökade möjligheterna med AM hjälper till att övervinna de traditionella tillverkningsutmaningarna med höga köp-till-flyg-förhållanden och långa ledtider som tidigare begränsade tillämpningarna trots enastående egenskaper.

Branschutsikter och framtid för Titanium AM

Additiv tillverkning är ett av de snabbast växande tillverkningssegmenten där skrivarna blir större och snabbare med hjälp av flera lasrar och robotarmar. Titandelar kvalificeras för serieproduktion inom flyg-, rymd-, energi-, motorsport- och medicinska sektorer.

Några trender som påverkar antagandet av titanpulverbäddfusion:

• Sjunkande systemkostnader förbättrar prisvärdheten
• Automatiserad efterbearbetning ökar repeterbarheten
• BAAM-teknik (Big Area Additive Manufacturing) för tillverkning av stora titankonstruktioner
• Nya speciallegeringar med överlägsen kryp- och utmattningshållfasthet
• Simulering och AI för att förutse defekter, processoptimering och kvalitetssäkring
• Hybridprinting kombinerar additiv, subtraktiv, inspektion, automation
• Mognad i leveranskedjan som säkerställer materialspårbarhet och processstandarder

I takt med att AM-delar i titan får flygsäkerhets- och medicinska certifieringar är 3D-printing redo att omvandla lagertunga industrier som flyg- och rymdindustrin via distribuerade tillverkningsmodeller. Företag samarbetar över hela värdekedjan och för in innovativa konstruktioner i uppdragskritiska applikationer snabbare och till lägre kostnader än vad som någonsin tidigare varit möjligt.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser