Additiv tillverkning av titan

Additiv tillverkning (AM), även känd som 3D-utskrift, revolutionerar produktionen i alla branscher. Den här guiden ger en djupgående titt på AM-teknik för titandelar, inklusive processer, material, applikationer, efterbehandling, kvalitetskontroll och mer.

Översikt över additiv tillverkning av titan

Titan är en stark och lätt metall som är idealisk för högpresterande tillämpningar inom flyg, rymd och medicin. Additiv tillverkning öppnar upp för nya designfriheter och anpassningspotential med titan.

Fördelar	Detaljer
Komplexa geometrier	Intrikata former som inte är möjliga med maskinbearbetning
Lättvikt	Gitterstrukturer och topologioptimering
Konsolidering av delar	Minska antalet monteringsdelar
Anpassning	Patientspecifika medicintekniska produkter
Kortare ledtider	Snabb produktion direkt från konstruktionen

Med sjunkande kostnader och kvalitetsförbättringar accelererar införandet av AM för titan.

Titanmaterial för AM

Olika titanlegeringar används för additiv tillverkning:

Legering	Egenskaper
Ti-6Al-4V (klass 5)	Vanligast förekommande. Balans mellan styrka, duktilitet och korrosionsbeständighet.
Ti-6Al-4V ELI	Extra låg interstitial. Förbättrad duktilitet och brottseghet.
Ti-5553	Hög hållfasthet för komponenter inom flyg- och rymdindustrin.
Ti-1023	Bra kallformbarhet för fästelement.
Ti-13V-11Cr-3Al	Korrosionsbeständig legering för medicinskt bruk.

Pulveregenskaper som partikelstorleksfördelning, morfologi och renhet optimeras för AM-bearbetning.

additiv tillverkning av titan Processmetoder

Populära AM-tekniker för titan:

Metod	Beskrivning
Fusion av pulverbäddar	Laser- eller elektronstråle smälter pulverlager
Deposition med riktad energi	Fokuserad värmekälla smälter metallpulver eller metalltråd
Binder Jetting	Vätskeformigt bindemedel sammanfogar selektivt pulverpartiklar

Varje process har sina specifika fördelar beroende på detaljens tillämpning och krav.

Metallpulverbädd Fusion

En pulverbädd smälts selektivt av en värmekälla lager för lager:

Typ	Detaljer
Fusion av laserpulverbäddar (L-PBF)	Använder laser för smältning. Högre upplösning.
Smältning med elektronstråle (EBM)	Värmekälla med elektronstråle. Snabbare bygghastighet.

L-PBF möjliggör finare detaljer medan EBM ger högre produktivitet. Båda producerar delar med nästan full densitet.

Deposition med riktad energi

Fokuserad termisk energi används för att smälta metallpulver/tråd för att deponera material lager för lager:

Metod	Värmekälla
Lasermetalldeponering	Laserstråle
Additiv tillverkning med elektronstråle	Elektronstråle
Laserkonstruerad nätformning	Laserstråle

DED används ofta för att reparera eller lägga till funktioner i befintliga komponenter.

Jettingprocess för bindemedel

Flytande bindemedel sammanfogar selektivt lager av metallpulver:

• Pulverspridning - Nytt lager av pulver sprids över byggplattformen
• Binder jetting - Skrivhuvudet lägger bindemedlet i önskat mönster
• Bindning - Bindemedel binder samman pulverpartiklarna
• Ytterligare torknings-, härdnings- och infiltrationssteg används för att uppnå full densitet

Binder jetting producerar porösa "gröna" delar som kräver sintring och infiltration för att förtätas. Den erbjuder höghastighetsutskrift.

AM-parametrar för titan

Viktiga AM-processparametrar för titan:

Parameter	Typiskt intervall
Skiktets tjocklek	20-100 μm
Laserkraft (L-PBF)	150-500 W
Skanningshastighet	600-1200 mm/s
Strålens storlek	50-100 μm
Avstånd mellan luckor	60-200 μm

Genom att optimera dessa parametrar balanseras bygghastighet, detaljkvalitet och materialegenskaper.

Efterbearbetning av additiv tillverkning av titan Delar

Vanliga efterbearbetningssteg:

Metod	Syfte
Stöd för borttagning	Ta bort stödstrukturer
Ytbearbetning	Förbättra ytfinishen
Borrning och gängtappning	Lägg till skruvhål och gängor
Varm isostatisk pressning	Eliminerar inre hålrum och porositet
Ytbehandlingar	Förbättrad slitstyrka/korrosionsbeständighet

Efterbearbetning skräddarsyr delarna så att de uppfyller kraven för den slutliga applikationen.

Tillämpningar av additiv tillverkning av titan

Viktiga användningsområden för AM-delar i titan:

Industri	Användningsområden
Flyg- och rymdindustrin	Strukturella fästen, motordelar, UAV-komponenter
Medicinsk	Ortopediska implantat, kirurgiska instrument
Fordon	Lättviktsdelar till bilar, anpassade prototyper
Kemisk	Korrosionsbeständiga delar för vätskehantering
Olja och gas	Ventiler, pumpar för korrosiva miljöer

AM möjliggör innovativ design av titankomponenter i krävande branscher.

Kvalitetskontroll för additiv tillverkning av titan Delar

Kritiska kvalitetskontroller för AM-delar i titan:

• Dimensionell noggrannhet - Mät mot konstruktionen med hjälp av CMM och 3D-skannrar.
• Ytjämnhet - Kvantifiera ytstrukturen med hjälp av profilometrar.
• Porositet - Röntgentomografi för att kontrollera om det finns inre hålrum.
• Kemisk sammansättning - Bekräfta legeringskvalitet med hjälp av spektrometriska tekniker.
• Mekaniska egenskaper - Utföra drag-, utmattnings- och brottseghetsprovning.
• Icke-förstörande provning - Röntgen, ultraljud, penetrantprovning.
• Mikrostruktur - Metallografi och mikroskopi för att kontrollera om det finns defekter.

Omfattande tester validerar komponenternas kvalitet och funktionella prestanda.

Globala leverantörer av additiv tillverkning av titan

Ledande leverantörer av AM-tjänster och -system för titan:

Företag	Plats
GE Additiv	USA
Velo3D	USA
3D-system	USA
Trumpf	Tyskland
EOS	Tyskland

Dessa företag erbjuder en rad olika AM-utrustningar, material och tjänster för tillverkning av delar i titan.

Kostnadsanalys

Titan AM delkostnader beror på:

• Storlek på del - Större delar kräver mer material och byggtid.
• Produktionsvolym - Höga volymer fördelar kostnaderna på fler delar.
• Material - Titanlegeringar har högre materialkostnader än stål.
• Efterbearbetning - Ytterligare bearbetningssteg ökar kostnaderna.
• Köpa eller lägga ut på entreprenad - Anskaffningskostnader för AM-system jämfört med kostnader för kontraktstillverkning.

AM för titan är ekonomiskt lönsamt för komplexa delar i låg volym. Den konkurrerar med subtraktiva metoder som CNC-bearbetning.

Utmaningar vid additiv tillverkning av titan

Några pågående utmaningar med titan AM inkluderar:

• Höga restspänningar kan orsaka deformationer och defekter i detaljerna.
• Uppnår konsekventa mekaniska egenskaper som är jämförbara med smidda material.
• Anisotropiskt materialbeteende beroende på byggriktning.
• Begränsad storlekskapacitet jämfört med andra tillverkningsmetoder.
• Processinkonsekvenser mellan AM-maskiner och repeterbarhetsproblem.
• Höga initiala systemkostnader och materialpriser.
• Brist på kvalificerade operatörer och ämnesexperter.

Fortlöpande framsteg hjälper dock till att övervinna många av dessa begränsningar.

Framtidsutsikter för additiv tillverkning av titan

Framtidsutsikterna för titan AM är positiva:

• Utökat utbud av legeringar och materialalternativ som är speciellt framtagna för AM.
• Större byggvolymer möjliggör större detaljer och högre produktivitet.
• Förbättrad kvalitet, ytfinish och materialegenskaper som ligger närmare smidda material.
• Utveckling inom in-situ inspektion, processövervakning och kontroll.
• Hybridtillverkning som kombinerar AM med CNC-bearbetning och andra metoder.
• Tillväxt inom flyg-, medicin-, fordons- och industrigasturbinsektorerna.
• Bredare användning eftersom kostnaderna för AM-systemet minskar och expertisen ökar.

AM för titan har en enorm potential att förändra leveranskedjor inom flera olika branscher i takt med att tekniken fortsätter att utvecklas.

Att välja en servicebyrå för titan AM

Här är några tips när du väljer en tjänsteleverantör för titan AM:

• Gå igenom deras specifika erfarenheter och exempel med titandelar.
• Leta efter kompletta funktioner från början till slut, inklusive efterbearbetning.
• Utvärdera deras kvalitetssystem och certifieringar som ISO och AS9100.
• Utvärdera deras tekniska stöd och design för AM-kunskap.
• Tänk på plats och logistik för snabb leverans.
• Förstå deras AM-utrustnings kapacitet och kapacitet.
• Jämför prismodeller (per del, volymrabatter etc.).
• Kontrollera ledtider och leverans i tid.
• Granska kundomdömen och nöjdhetsnivåer.

Att välja rätt partner säkerställer högkvalitativa delar som levereras i tid och inom budget.

För- och nackdelar med Titanium AM

Fördelar och begränsningar med AM i titan:

Proffs

• Designfrihet möjliggör komplexa geometrier.
• Lättviktsarbete med hjälp av gitter och topologioptimering.
• Snabbare prototyptillverkning och begränsade produktionsserier.
• Konsolidera sammansättningar till enskilda delar.
• Anpassade medicintekniska produkter som skräddarsys efter anatomin.
• Minskat materialspill jämfört med maskinbearbetning.

Nackdelar

• Relativt höga produktionskostnader jämfört med andra processer.
• Begränsningar av maximal storlek på detaljerna.
• Efterbearbetning krävs ofta för att förbättra finishen.
• Anisotropa materialegenskaper.
• Standarder och koder är fortfarande under utveckling.
• Specialiserad expertis krävs för design och bearbetning.

För små till medelstora volymer av komplexa titandelar är AM en teknik som förändrar spelplanen, trots vissa begränsningar som kvarstår när tekniken mognar.

Vanliga frågor

Frågor och svar	Svar på frågor
Vilken AM-process är bäst lämpad för titan?	Pulverbäddsfusion som DMLS och EBM tillåter full smältning för att uppnå nästan smidda egenskaper.
Kräver titan AM några stödstrukturer?	Ja, de flesta AM-processer i titan kräver avtagbara stödstrukturer.
Vilken efterbearbetning behövs vanligtvis för AM-delar i titan?	De flesta delar kräver borttagning av stöd, bearbetning och ofta varm isostatisk pressning.
Vilka branscher använder titan AM mest?	Flyg- och rymdindustrin, medicinteknik, fordonsindustrin samt olja och gas är ledande användare av titan AM.
Vilka materialegenskaper kan man förvänta sig med titan AM?	Med optimala parametrar närmar sig egenskaperna 90-100% av smidda material.

Slutsats

Additiv tillverkning av titan möjliggör banbrytande konstruktioner och lättviktskomponenter inom flyg-, medicin- och fordonsindustrin samt andra högvärdiga sektorer. I takt med att tekniken fortsätter att mogna kan man förvänta sig en bredare användning av titan AM i fler branscher för att förändra leveranskedjorna och möjliggöra nästa generations produkter.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser