titanpulver 3d-utskrift Tillämpningar

Med sitt höga förhållande mellan styrka och vikt, temperaturprestanda, korrosionsbeständighet och hållbarhet är titan ett exceptionellt material för additiv tillverkning i kritiska kommersiella och industriella applikationer. I kombination med de komplexa designfriheterna som underlättas av moderna metoder för pulverbäddsfusion, 3d-utskrift av titanpulver frigör ny potential.

Denna översiktsguide utforskar vanliga titanlegeringar som utnyttjas, motsvarande mekaniska egenskaper som uppnås, efterbehandlingsbehandlingar för att ytterligare förbättra egenskaperna, tillgängliga leverantörer som tillhandahåller tryckpulver med hög renhet och praktiska exempel på användningsfall per slutanvändningsindustri. Jämförelsetabeller belyser de relativa styrkorna hos olika titanmaterial och tryckmetoder.

Översikt över 3d-utskrift av titanpulver

Jämfört med konventionell subtraktiv bearbetning ger additiv tryckning med hjälp av fina titanmetallpulver råvaror:

• Minskat råvaruspill – högt förhållande mellan inköp och flygning på över 90
• Lägre komponentmassa – optimerad lättviktskonstruktion
• Designfrihet – komplexiteten begränsas inte av tillgången till verktyg
• Anpassning – platsspecifik anpassning av funktioner
• Förenklade monteringar – integrerade komponenter
• Prestandaförbättringar – starkare än gjutna och smidda

Både laserpulverbäddsfusion och DED-teknik (directed energy deposition) kan framgångsrikt användas för att tillverka komplexa titandelar. Kvalitetssäkring genom hela AM-arbetsflödet, som börjar med ett tryckpulver med hög renhet, ger tillförlitliga, konsekventa och högpresterande komponenter.

Alternativ för titanlegeringar för 3D-utskrift

De vanligaste varianterna av titanmaterial som används för additiva tillämpningar är kommersiellt rena kvaliteter och titan 6Al-4V (Ti64). Nya legeringar som Ti6462 ger förbättrad kapacitet.

Standardmatris för tryckning av titanlegeringar

Legering	Sammansättning	Fastigheter	Vanliga användningsområden
CP klass 1	Ti 99,2%, Fe/O/N/C-gränser	Utmärkt korrosionsbeständighet, genomsnittliga mekaniska egenskaper	Kemiska anläggningar, marina
CP klass 2	Ti 99,4%, Fe/O/N/C-gränser	Bättre hållfasthet än Gr1, lika korrosionsbeständig	Flygplansskrov, implantat
Ti-6Al-4V	Ti 90%, Al 6%, V 4%	Hårdare, utmärkt förhållande mellan styrka och vikt	Flyg- och rymdindustrin samt motorsport
Ti6462	Ti Bal, Al 5,8-6,8 %, Mo 3	Hög utmattningshållfasthet. Specifikation för flyg- och rymdindustrin under utveckling	Nästa generations komponenter för flyg- och rymdindustrin

Spårämnen som Fe, C, N och O kontrolleras noggrant för att uppfylla de strikta kemikraven för AM.

Specifikationer för 3d-utskrift av titanpulver

Sfäriska pulver med kontrollerad partikelstorleksfördelning, minimal inre porositet och stränga kemiska renhetsnivåer är absolut nödvändiga för högkvalitativa tryck med titan.

Partikelstandarder för pulverråvara

Mätning	Krav
Storleksintervall	15 – 53 mikron
Genomsnittlig partikelstorlek	25-35 mikrometer
Partikelform	Mycket sfärisk
Skenbar densitet	2.7 – 3,7 g/cm3
Tappdensitet	3.2 – 4,2 g/cm3

Standarderna skärper de morfologiska parametrarna för att förbättra pulverbäddens packning och spridningsbeteende under tryckcyklerna.

Metoder för efterbearbetning av AM-delar i titan

Vanliga efterbearbetningstekniker som används för att förbättra materialprestanda hos tryckta titanbaserade komponenter:

Primära efterbehandlingar som använts

Stresslindring

Åldring vid låg temperatur för att avlägsna restspänningar. Förhindrar potentiell skevhet eller sprickbildning.

Ytbehandling

Förbättrar precisionsmått, bryter vassa kanter eller jämnar ut det estetiska utseendet.

HIP (het isostatisk pressning)

Samtidig förhöjd temperatur och isostatiskt tryck förtätar interna hålrum/porositet som uppstår i AM-processer.

Värmebehandling

Ändrar mikrostrukturen hos Ti-6Al-4V för att optimera duktilitet, brottseghet och utmattningslivslängd.

Maskinbearbetning

Ger extremt hög måttnoggrannhet och ytfinhet som bäst hanteras genom CNC-bearbetning av delar med nära nettovorm.

Jämförelse av 3D-utskriftstekniker för metall för titan

Modern teknik möjliggör mikrosvetsning av fint titanpulver med hjälp av precisionslaser eller elektronstrålar i täta inerta miljöer:

Matris med alternativ för tryckprocessen för titan

Metod	Beskrivning	Fördelar	Begränsningar
Laserpulverbäddsfusion	Laser smälter selektivt samman delar av pulverbädden baserat på CAD-modell	Störst kommersiellt genomslag; bäst lämpade materialegenskaper för slutanvändning	Jämförelsevis långsammare bygghastigheter
Smältning med elektronstråle	Elektronstrålen smälter samman pulver som spridits över byggplattan i högvakuum	Exceptionellt konsekvent från del till del; stora potentiella byggvolymer	Utmanande att bearbeta reaktivt elementärt titan utan rigorösa atmosfärskontroller
Deposition med direkt energi	Fokuserad laser smälter metallpulverspray som påverkar tryckområdet	Större komponenter genomförbara; reparationer möjliga	Betydande porositet utmanar titans mekaniska prestanda

Laserbaserade pulverbäddsmetoder används främst för att trycka krävande titankomponenter tack vare den exakta måttnoggrannheten och materialrenheten.

Tillämpningar för AM-delar av titanmetall

De skräddarsydda mekaniska egenskaperna, den låga vikten, korrosions- och biotåligheten som titan ger över ett brett temperaturområde passar bra för:

Olika branscher använder 3D-utskrift av titan

Flyg- och rymdindustrin – Motorfästen, delar till drönare, satellitutrustning Motorsport – vevstakar, insugningsrör, turboladdare Medicin & tandvård – Specialanpassade ortopediska implantat, proteser Olja & Gas – Rörledningsarmaturer, djupvattenventiler/pumpar Kraftgenerering – Lättviktsimpellorer och turbinblad

Möjligheten att tillverka komplexa komponenter i små volymer med avancerad metallurgi påskyndar införandet av titan. Partnerskap i hela leveranskedjan säkerställer materialspårbarhet och processrepeterbarhet.

Industriella leverantörer som tillhandahåller 3d-utskrift av titanpulver

Ledande företag som tillhandahåller sfäriska titanpulver med hög renhet specifikt för additiva tillverkningsprocesser:

Titanpulver Producenter Matris

Företag	Gemensamma betyg	Typisk prissättning, $/Kg
AP&C	Ti-6Al-4V, Gr2, Gr5, Ti6462	$100 – $500
LPW-teknik	Ti-6Al-4V, Gr23, Ti64	$150 – $600
Tekna	Ti-6Al-4V	$250 – $400
Sandvik	Ti-6Al-4V	$200 – $350

Prisintervallet på $/Kg-basis beror i hög grad på renhet, täthet i pulverstorleksfördelningen, provtagning, nödvändiga certifieringar och inköpsvolymer. Lokal leveranskedja bidrar till att minska ledtiderna.

VANLIGA FRÅGOR

Vilket titanlegeringspulver anses vara optimalt för medicintekniska produkter och implantat?

Tack vare sin utmärkta biokompatibilitet i kombination med enastående utmattningsprestanda vid höga cykler uppfyller titan av medicinsk kvalitet 5 enligt ASTM F67 stränga kemikontroller och är idealisk för patientnära enheter och bärande implantatapplikationer.

Hur många gånger kan råmaterial för titan AM-pulver återanvändas?

Titantryckpulver kan effektivt återanvändas 5-10 gånger innan de behöver förnyas, förutsatt att strikta övervakningsprotokoll över acceptabla syreupptagningsnivåer från upprepad termisk cykling hålls under maximala tröskelvärden genom blandning och siktning.

Vilken densitet kan man förvänta sig för lasersmälta titandelar utan någon efterbearbetning?

Direkt efter borttagning från ett pulverbäddsystem med optimerade bearbetningsparametrar kan man förvänta sig nästan fulla densiteter på över 98% för färdigbyggda titankomponenter, vilket konkurrerar med och överträffar gjutna eller smidda produkter som kräver omfattande efterbearbetning för att uppnå liknande prestanda.

Vilken efterbearbetningsteknik ökar livslängden mest?

För framträdande delar i Ti-6Al-4V-legering som utsätts för cykliska påfrestningar ger HIP (Hot Isostatic Pressing) upp till ~30% längre utmattningslivslängd genom att minimera inre hålrum och restporositet som vanligtvis förekommer efter AM-processer för metall från oundvikliga lokala mikrokrympningseffekter mellan smälta pulverpartiklar.

Vilka andra ytförbättringsmetoder än deponeringstekniker med riktad energi lyckas modifiera AM-delar av titan?

Termisk sprutningsteknik som PTA (plasma transferred arc), HVAF (high velocity air fuel) och HVOF (high velocity oxygen fuel) möjliggör tjocka skyddande ytbeläggningar, inklusive keramik; kallsprutning ger pulverimpulser på ytor som ger förtjockade sektioner och slitageskydd; laserplätering eller lasermetalldeponering ger ytterligare metallegeringar som förbättrar korrosions-, friktions- och slagtåligheten genom överlägsen metallurgisk bindning.

få veta mer om 3D-utskriftsprocesser