Przegląd Proszek tytanowy do druku 3D
Tytan to wytrzymały, lekki i odporny na korozję metal, który idealnie nadaje się do drukowania 3D złożonych geometrii dla przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego, medycznego i innych wymagających zastosowań. Proszek tytanowy może być wykorzystywany do drukowania metalowych części o pełnej gęstości i doskonałych właściwościach mechanicznych przy użyciu technologii stapiania w złożu proszkowym, takich jak selektywne topienie laserowe (SLM) i topienie wiązką elektronów (EBM).
Niniejszy artykuł zawiera kompleksowy przewodnik po proszku tytanowym do druku 3D, obejmujący skład, właściwości, specyfikacje, zastosowania, zalety i wady, dostawców, koszty i nie tylko.
Skład Proszek tytanowy do druku 3D
Proszek tytanowy do produkcji addytywnej składa się niemal wyłącznie z tytanu. Mogą być w nim jednak obecne niewielkie ilości innych pierwiastków, takich jak aluminium, wanad, żelazo, tlen, azot i węgiel.
Gatunki tytanu do syntezy w złożu proszkowym
| Klasa | Skład |
|---|---|
| Ti 6Al-4V | 90% tytan, 6% aluminium, 4% wanad |
| Ti 6Al-4V ELI | Taki sam jak Ti 6Al-4V, ale z niższymi limitami dla międzywęzłowego tlenu, żelaza i azotu |
| Komercyjnie czysty tytan klasy 1 | 99.2% Minimum tytanu |
| Komercyjnie czysty tytan klasy 2 | 99.5% Minimum Titanium |
| Komercyjnie czysty tytan klasy 3 | 99.8% Minimum Titanium |
| Komercyjnie czysty tytan klasy 4 | 99.9% Minimum Titanium |
Ti 6Al-4V jest obecnie najpopularniejszym gatunkiem stosowanym w produkcji addytywnej ze względu na doskonały stosunek wytrzymałości do masy, spawalność i odporność na korozję. Wariant ELI charakteryzuje się lepszą ciągliwością i odpornością na pękanie.
Komercyjnie czyste gatunki tytanu mają niższą wytrzymałość, ale lepszą biokompatybilność dla implantów medycznych. Tytan klasy 5 z wyższą zawartością tlenu nie jest generalnie używany do fuzji w złożu proszkowym.
Właściwości Proszek tytanowy do druku 3D Części
Części tytanowe drukowane w 3D mogą osiągać właściwości podobne lub przewyższające tradycyjnie wytwarzany tytan, z dodatkową korzyścią w postaci swobody projektowania.
Właściwości mechaniczne
| Nieruchomość | Ti 6Al-4V | Ti 6Al-4V ELI | CP Ti Klasa 2 |
|---|---|---|---|
| Wytrzymałość na rozciąganie | 930 - 1050 MPa | 860 - 965 MPa | 345 - 485 MPa |
| Wytrzymałość na rozciąganie | 825 - 890 MPa | 795 - 875 Mpa | ≥ 275 MPa |
| Wydłużenie przy zerwaniu | 8 – 15% | ≥10% | 20% |
| Wytrzymałość zmęczeniowa | ≥ 400 MPa | ≥ 550 MPa | 275 - 550 MPa |
| Wytrzymałość na złamania | 55 - 115 MPa√m | ≥ 100 MPa√m | NIE DOTYCZY |
Tytan drukowany w 3D ma sztywność, twardość i odporność na zużycie porównywalną z tradycyjnymi metodami produkcji tytanu. Obróbka końcowa, taka jak prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP), może dodatkowo poprawić właściwości materiału.
Zalety
- Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi
- Odporność na korozję
- Biokompatybilność i osteointegracja
- Swoboda projektowania dla optymalizacji topologii
- Mniejsza ilość odpadów w porównaniu do metod subtraktywnych
- Konforemne kanały chłodzące zapewniają wzrost wydajności
Ograniczenia
- Wysoka reaktywność z tlenem utrudnia obsługę
- Wady druku, takie jak porowatość, mogą zmniejszyć trwałość zmęczeniową
- Drogie materiały proszkowe i wyzwania związane z recyklingiem
- W celu osiągnięcia specyfikacji materiału może być wymagana obróbka końcowa.
Specyfikacje Proszek tytanowy do druku 3D
Proszek tytanowy wykorzystywany do produkcji przyrostowej musi spełniać rygorystyczne normy dotyczące rozkładu wielkości cząstek, morfologii, składu chemicznego i innych atrybutów.
Rozkład wielkości
| Parametr | Typowa wartość | Rola |
|---|---|---|
| Zakres wielkości cząstek | 15 - 45 mikronów | Określa minimalną rozdzielczość funkcji, zdolność rozprowadzania proszku |
| D10 | 20 mikronów | Wskazuje drobniejszą frakcję proszku |
| D50 | 30 mikronów | Średni rozmiar cząstek |
| D90 | 40 mikronów | Wskazuje większe cząstki |
| Gęstość pozorna | 2,7 g/cm3 | Gęstość upakowania złoża proszku wpływa na odtwarzalność |
Proszek powinien mieć niemal kulistą morfologię z niewielką liczbą satelitów, aby zapewnić płynne rozprowadzanie proszku. Skład chemiczny musi być zgodny ze specyfikacją klasy z niskim poziomem zanieczyszczeń.
Inne krytyczne atrybuty
- Płynność
- Zawartość tlenu resztkowego i azotu
- Konsystencja gęstości pozornej i kranowej
- Możliwość recyklingu
- Zgodność chemiczna z procesem
- Charakterystyka obsługi
Spełnienie rygorystycznych wymagań jakościowych dla każdego parametru ma kluczowe znaczenie dla bezawaryjnej produkcji.
Zastosowania Proszek tytanowy do druku 3D
| Przemysł | Zastosowanie | Zalety druku 3D z tytanu |
|---|---|---|
| Lotnictwo i kosmonautyka | - Części samolotów (części skrzydeł, elementy podwozia) - Części silników rakietowych - Struktury satelitów | – Lekkość: Zmniejszona waga przekłada się na większą oszczędność paliwa i dłuższy zasięg lotu. - Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi: Tytanowe części mogą być wytrzymałe, a jednocześnie lekkie, co ma kluczowe znaczenie dla osiągów samolotu. - Swoboda projektowania: Złożone, wewnętrzne struktury mogą być drukowane w celu optymalizacji wydajności i rozkładu masy. |
| Medycyna i stomatologia | - Implanty (protezy stawu biodrowego, kolanowego, implanty dentystyczne, implanty czaszkowe) - Narzędzia chirurgiczne - Niestandardowe protezy | – Biokompatybilność: Tytan jest dobrze tolerowany przez ludzkie ciało, minimalizując ryzyko odrzucenia. - Personalizacja: Druk 3D pozwala na tworzenie implantów dostosowanych do potrzeb pacjenta, które idealnie pasują do jego anatomii, zapewniając lepsze dopasowanie i funkcjonalność. - Struktury porowate: Implanty mogą być drukowane z porowatą strukturą, która sprzyja wrastaniu kości dla lepszej długoterminowej stabilności. |
| Motoryzacja | - Wysokowydajne komponenty silnika (korbowody, tłoki) - Lekkie części samochodowe - Komponenty wyścigowe | – Wytrzymałość i trwałość: Tytan jest odporny na wysokie temperatury i ciśnienie występujące w silnikach. - Redukcja wagi: Lżejsze części przyczyniają się do zmniejszenia zużycia paliwa i poprawy właściwości jezdnych. - Geometrie złożone: Druk 3D umożliwia tworzenie skomplikowanych kanałów wewnętrznych do chłodzenia lub przepływu oleju. |
| Dobra konsumpcyjne i sport | - Wysokiej klasy ramy rowerowe - Protetyka sportowa - Biżuteria i okulary | – Unikalny design i personalizacja: Druk 3D umożliwia spersonalizowane projekty i funkcje. - Wytrzymałość i lekkość: Idealny do zastosowań wymagających zarówno trwałości, jak i minimalnej wagi. - Biokompatybilność: Nadaje się do protetyki i niektórych zastosowań jubilerskich, które mają kontakt ze skórą. |
| Ropa i gaz | - Narzędzia i sprzęt wiertniczy - Rury i zawory odporne na korozję | – Odporność na korozję: Tytan doskonale sprawdza się w trudnych warunkach, w których narażony jest na działanie substancji chemicznych i słonej wody. - Wysoka wytrzymałość: Wytrzymuje wysokie ciśnienie i naprężenia występujące podczas wydobycia ropy i gazu. - Redukcja wagi: Lżejsze narzędzia mogą być łatwiejsze w manewrowaniu w głębokich odwiertach. |
| Badania i rozwój | - Prototypowanie złożonych części - Testowanie nowych projektów i materiałów | – Szybka iteracja: Druk 3D pozwala na szybkie tworzenie i testowanie nowych projektów. - Swoboda projektowania: Złożone geometrie mogą być drukowane do celów badawczych. - Eksploracja materiałów: Umożliwia drukowanie z różnymi stopami tytanu lub kompozytami w celu oceny właściwości. |
Dostawcy proszku tytanowego do druku 3D
Większość dostawców proszku tytanowego oferuje gatunek Ti 6Al-4V dostosowany do produkcji addytywnej. Niektórzy z nich świadczą również usługi projektowania niestandardowych stopów.
Główne firmy produkujące proszek tytanowy
| Firma | Oferowane klasy | Usługi |
|---|---|---|
| AP&C | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Rozwój niestandardowych stopów |
| Tekna | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Zaawansowana sferoidyzacja plazmy |
| Carpenter Additive | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Szeroko zakrojone testy QA |
| Praxair | Ti 6Al-4V | Rozpylanie azotu |
| Epoka | Komercyjnie czysty tytan | Małe zamówienia ilościowe |
Wielu producentów OEM drukarek 3D, takich jak EOS i SLM Solutions, oferuje również powiązane proszki tytanowe. Proszki z recyklingu są tańsze, ale mają wyższy poziom zanieczyszczeń.
Koszt proszku tytanowego
| Klasa | Morfologia | Zakres cen |
|---|---|---|
| Ti 6Al-4V | Kulisty | $350-$1000 za kg |
| Ti 6Al-4V ELI | Kulisty | $500-$2000 na kg |
| CP Ti klasy 1-4 | Nieregularny | $100-$500 na kg |
Koszt zależy w znacznym stopniu od wielkości zamówienia, jakości, marży dostawcy i recyklingu.
Plusy i minusy Proszek tytanowy do druku 3D
| Cecha | Plusy | Wady |
|---|---|---|
| Właściwości materiału | * Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi: Tytan charakteryzuje się wyjątkową wytrzymałością przy zachowaniu lekkości, dzięki czemu idealnie nadaje się do zastosowań wymagających redukcji masy w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym. * Odporność na korozję: Naturalna odporność tytanu na korozję sprawia, że idealnie nadaje się on do komponentów narażonych na trudne warunki, takie jak środowisko morskie lub chemiczne. * Biokompatybilność: Biokompatybilna natura tytanu pozwala na jego bezpieczne stosowanie w implantach medycznych, promując osseointegrację (fuzję z kością) w celu zapewnienia długoterminowej funkcjonalności. | * Ograniczony wybór materiałów: W porównaniu do tradycyjnej produkcji z wykorzystaniem szerszej gamy materiałów, druk 3D z wykorzystaniem proszku tytanowego jest obecnie ograniczony do określonego zakresu stopów tytanu. |
| Projektowanie i produkcja | * Swoboda projektowania: Druk 3D umożliwia tworzenie złożonych geometrii, które wcześniej nie były możliwe do uzyskania przy użyciu tradycyjnych metod produkcji subtraktywnej. Pozwala to na tworzenie skomplikowanych projektów, które optymalizują wydajność i zmniejszają wagę. * Szybkie prototypowanie: Możliwość szybkiego drukowania prototypów z modeli cyfrowych ułatwia szybsze iteracje projektowe i cykle rozwoju produktu. * Zmniejszona ilość odpadów materiałowych: W przeciwieństwie do produkcji subtraktywnej, która generuje znaczną ilość odpadów, druk 3D z proszku tytanowego wykorzystuje tylko niezbędny materiał do projektu, minimalizując ilość odpadów i koszty produkcji. | * Wysoka inwestycja początkowa: Koszt drukarek 3D zaprojektowanych specjalnie dla proszku tytanowego może być znaczny, co sprawia, że jest to inwestycja odpowiednia przede wszystkim dla zastosowań o wysokiej wartości lub dużych zakładów produkcyjnych. * Wymagania dotyczące przetwarzania końcowego: Drukowane w 3D części tytanowe często wymagają dodatkowych etapów obróbki końcowej, takich jak obróbka cieplna, usuwanie podpór i wykańczanie powierzchni w celu osiągnięcia pożądanych właściwości mechanicznych i estetyki. |
| Zastosowania | * Aerospace: Możliwość tworzenia lekkich, wysokowytrzymałych komponentów do konstrukcji lotniczych, płatowców i części silników sprawia, że tytanowy druk 3D jest cennym narzędziem w przemyśle lotniczym. * Medyczne: Biokompatybilne implanty tytanowe, takie jak protezy, implanty dentystyczne i implanty czaszkowe, korzystają ze zdolności druku 3D do tworzenia niestandardowych części dostosowanych do potrzeb pacjenta. * Sporty motorowe: Redukcja wagi ma kluczowe znaczenie w sportach motorowych. Drukowane w 3D tytanowe komponenty, takie jak tłoki, korbowody i części zawieszenia, przyczyniają się do poprawy osiągów i prowadzenia. | * Ograniczona dostępność i wiedza specjalistyczna: Specjalistyczny sprzęt i wiedza wymagana do drukowania 3D proszku tytanowego mogą ograniczać jego powszechne zastosowanie, szczególnie w przypadku mniejszych producentów lub zastosowań o niższej wielkości produkcji. * Obawy dotyczące bezpieczeństwa: Proces obchodzenia się z proszkiem tytanowym może stanowić zagrożenie dla zdrowia ze względu na jego łatwopalność i potencjalne zagrożenie dla układu oddechowego. Odpowiednie protokoły bezpieczeństwa i sprzęt są niezbędne dla zapewnienia bezpiecznego środowiska pracy. |
Porównanie procesów drukowania na tytanie
| Proces | Technologia | Materiał wsadowy | Obudowa budynku (in³) | Zalety | Wady | Zastosowania |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Topienie wiązką elektronów (EBM) | Wiązka elektronów o dużej mocy topi proszek tytanu warstwa po warstwie w komorze próżniowej. | Tytan w proszku | Do 50 x 50 x 50 | - Doskonałe wykończenie powierzchni i dokładność wymiarowa - Mocne części o kształcie zbliżonym do siatki i wysokim stosunku wytrzymałości do masy - Minimalne naprężenia szczątkowe | - Wysoki koszt sprzętu i eksploatacji - Ograniczony zakres budowy w porównaniu z innymi metodami - Szorstka tekstura powierzchni na powierzchniach niepodpartych | - Komponenty lotnicze (łopatki turbin, podwozie) - Implanty medyczne (panewki biodrowe, implanty dentystyczne) |
| Topienie wiązką laserową (LBM) | Wiązka lasera o dużej mocy topi proszek tytanu warstwa po warstwie w środowisku gazu obojętnego. | Tytan w proszku | Do 120 x 120 x 120 | - Wysoka precyzja i rozdzielczość - Szeroki zakres kompatybilnych stopów tytanu - Dobre właściwości mechaniczne | - Wymaga szczelnej komory z gazem obojętnym - Wyższy pobór mocy lasera w porównaniu do EBM | - Implanty medyczne i dentystyczne - Części samochodowe (lekkie komponenty) - Komponenty lotnicze (części konstrukcyjne) |
| Bezpośrednie osadzanie energii (DED) | Skoncentrowane źródło energii (laser lub wiązka elektronów) topi tytanowy drut lub proszek, osadzając go na podłożu warstwa po warstwie. | Drut lub proszek tytanowy | Do 1000 x 1000 x 1000 | - Duży obszar roboczy do drukowania dużych części - Większa prędkość drukowania w porównaniu z drukowaniem proszkowym - Może być stosowany do napraw i okładzin | - Niższa rozdzielczość i wykończenie powierzchni w porównaniu do LBM/EBM - Wyższe ryzyko wypaczenia i zniekształcenia - Ograniczona obsługa złożonych geometrii | - Wielkogabarytowe elementy konstrukcyjne (mosty, zbiorniki ciśnieniowe) - Naprawa istniejących części - Funkcjonalne prototypy |
| Binder Jetting (BJ) | Głowica strumieniowa z ciekłym spoiwem selektywnie osadza spoiwo na złożu proszku tytanowego, tworząc stałą zieloną część. Część jest następnie usuwana i spiekana. | Proszek tytanowy i płynne spoiwo | Do 700 x 500 x 500 | - Niższy koszt w przeliczeniu na część w porównaniu do innych metod - Nadaje się do drukowania złożonych geometrii z wewnętrznymi kanałami - Szeroki zakres materiałów (nie ogranicza się do tytanu) | - Stosunkowo słabe części po usunięciu zgorzeliny, wymagające spiekania - Niższe właściwości mechaniczne w porównaniu z metodami stapiania - Etapy obróbki końcowej mogą być czasochłonne | - Niekrytyczne komponenty samochodowe (części wewnętrzne) - Prototypy medyczne - Części funkcjonalne o niskim obciążeniu |
Normy dotyczące proszku tytanowego i drukowanych części
| Aspekt | Organizacje normalizacyjne | Kluczowe kwestie | Typowe standardy |
|---|---|---|---|
| Surowiec w proszku | ASTM International (ASTM), ISO | - Skład chemiczny - Wielkość i rozkład cząstek - Płynność - Morfologia proszku | - ASTM B348: Standardowa specyfikacja taśm, blach i płyt z tytanu i stopów tytanu - ASTM F3056: Standardowa specyfikacja proszku tytanowego do produkcji addytywnej (AM) - ISO 5832-2: Aerospace series - Metallic materials - Titanium alloy bars, strips and sheets - Part 2: Technical specifications - UNS R56400 (Ti-6Al-4V) |
| Właściwości mechaniczne | ASTM International (ASTM) | - Wytrzymałość na rozciąganie - Granica plastyczności - Wydłużenie - Wytrzymałość zmęczeniowa - Twardość | - ASTM F136: Standardowa specyfikacja blach i płyt do zastosowań konstrukcyjnych - ASTM F3001: Standardowa specyfikacja proszków do wytwarzania przyrostowego (AM) do topienia wiązką laserową - ASTM F3302: Standard Specification for Densification of Titanium and Titanium Alloy Powders by Laser Beam Melting (LBM) (Standardowa specyfikacja zagęszczania proszków tytanu i stopów tytanu metodą topienia wiązką laserową (LBM)) |
| Mikrostruktura i porowatość | ASTM International (ASTM) | - Wielkość ziarna - Poziom i rozkład porowatości - Chropowatość powierzchni | - ASTM E112: Standardowe metody badań do określania średniego rozmiaru ziarna materiałów metalicznych - ASTM B924: Standard Test Methods for Examination and Classification of Oxide Discoloration in Titanium - ASTM F2904: Standard Practice for Microstructural Characterization of Additively Manufactured Metal Alloys - ASTM F2904. |
| Projektowanie części na potrzeby wytwarzania przyrostowego (AM) | ASTM International (ASTM), Raport Wohlersa | - Minimalna grubość ścianki - Projektowanie konstrukcji wsporczych - Cechy wewnętrzne i konstrukcje kratowe - Chropowatość powierzchni | - ASTM F4269: Standard Practice for Additive Manufacturing with Powder Bed Fusion of Metals - Raport Wohlersa [Wohlers Report on Additive Manufacturing State of the Industry] - Wytyczne projektowe producentów maszyn |
| Badania nieniszczące (NDT) | ASTM International (ASTM) | - Radiografia rentgenowska - Tomografia komputerowa (CT) - Badania ultradźwiękowe - Badania wiroprądowe | - ASTM E1742: Standardowa praktyka badania radiograficznego materiałów metalicznych pod kątem porowatości i wtrąceń - ASTM F2789: Standard Test Method for Computed Tomography (CT) Imaging of Additive Manufacturing (AM) Processes - ASTM E114: Standard Practice for Ultrasonic Examination of Metallic Materials - ASTM E2194: Standard Guide for Electromagnetic (Eddy Current) Testing of Metal Products - ASTM E2194. |
| Przetwarzanie końcowe | ASTM International (ASTM) | - Obróbka cieplna - Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) - Obróbka skrawaniem i wykańczanie | - ASTM F67: Standard Test Method for Determining the Shear Strength of Titanium Screws and Pins - ASTM B967: Standardowa specyfikacja chemicznego usuwania zgorzeliny, elektroczyszczenia i pasywacji tytanu i stopów tytanu - Wytyczne dotyczące obróbki skrawaniem i wykańczania od producentów maszyn |
FAQ
Jaki jest najlepszy stop tytanu do druku 3D?
Ti 6Al-4V jest obecnie najpopularniejszym proszkiem stopu tytanu stosowanym w produkcji addytywnej ze względu na jego doskonałe właściwości mechaniczne i odporność na korozję w połączeniu z dostępnością handlową. Ti 6Al-4V ELI zapewnia lepszą odporność na pękanie.
Jakimi metodami można drukować części tytanowe?
Selektywne topienie laserowe (SLM) i topienie wiązką elektronów (EBM) to główne technologie syntezy złoża proszku stosowane do drukowania tytanu. Metody bezpośredniego osadzania energii (DED) są również możliwe, ale mają większą porowatość.
Czy tytan wymaga podpór podczas drukowania 3D?
Tak, tytan wymaga podpór podczas drukowania, ponieważ szybko się zestala. Starannie zoptymalizowane podpory są potrzebne, aby uniknąć defektów powierzchni i marnowania materiału, zapewniając jednocześnie odpowiednie zakotwiczenie.
Czy taniej jest drukować 3D czy obrabiać tytan?
W przypadku jednorazowych części niestandardowych drukowanie 3D tytanu jest często tańsze, ponieważ nie wymaga oprzyrządowania. W przypadku produkcji masowej, obróbka CNC tytanu może mieć niższy koszt w przeliczeniu na część, ale wiąże się z wyższymi początkowymi kosztami konfiguracji i odpadami materiałowymi.
Jakie branże wykorzystują części tytanowe drukowane w 3D?
Przemysł lotniczy i kosmiczny jest obecnie największym odbiorcą druku tytanowego dzięki poprawie współczynnika zakupu do lotu w przypadku złożonych komponentów. Sektory medyczny, motoryzacyjny, naftowy i gazowy, sportowy i konsumencki również wykorzystują tytan drukowany w 3D.
Ile kosztuje proszek tytanowy do druku 3D?
Proszek tytanu może wahać się od $100-2000 za kilogram w zależności od składu, jakości, ilości zamówienia i innych czynników. Sferyczne proszki Ti 6Al-4V i Ti 6Al-4V ELI do zastosowań krytycznych mają ceny powyżej $500/kg.
Jakie są przykłady części tytanowych drukowanych w 3D?
Druk 3D umożliwia tworzenie innowacyjnych części tytanowych, takich jak wsporniki płatowca, turbiny, komponenty do sportów motorowych, niestandardowe protezy, chłodzone konformalnie formy wtryskowe, a nawet okulary lub biżuteria wykorzystujące złożone projekty kratowe.
