titanyum 3d baskı tozu havacılık, tıp, otomotiv ve diğer endüstriyel uygulamalarda karmaşık ve dayanıklı parçaların 3D baskısı için ideal olan güçlü, hafif ve korozyona dayanıklı bir metaldir. Bu makale, eklemeli üretim için titanyum tozu metalurjisine kapsamlı bir genel bakış sunmaktadır.
Genel Bakış titanyum 3d baskı tozu
Titanyum, toz yatağı füzyonu ve yönlendirilmiş enerji biriktirme 3D baskı teknolojilerinde kullanılan en popüler metallerden biridir. 3D baskılı titanyum parçaların bazı önemli avantajları şunlardır:
- Yüksek mukavemet/ağırlık oranı
- Aşırı sıcaklıklara ve korozyona karşı dayanıklıdır
- Tıbbi implantlar için biyouyumlu
- Döküm veya talaşlı imalat ile mümkün olmayan karmaşık geometriler
- Eksiltici yöntemlere kıyasla daha az atık
- Geleneksel titanyum üretimine kıyasla daha kısa teslim süreleri ve maliyetler
Bununla birlikte, titanyum yüksek sıcaklıklarda reaktiftir ve argon veya nitrojen gazları kullanılarak baskı sırasında inert oda ortamları gerektirir. 3D baskılı titanyumun özellikleri çeşitli faktörlere bağlıdır:
Titanyum 3D Baskı Özelliklerini Etkileyen Temel Faktörler
| Parametre | Açıklama | Özellikler Üzerindeki Etkisi |
|---|---|---|
| Titanyum alaşım sınıfı | Titanyum, alüminyum, vanadyum vb. saflık seviyeleri. | Mukavemet, sertlik, süneklik, korozyon direnci |
| Toz boyutu dağılımı | İnce ila kaba toz partikülleri aralığı | Yoğunluk, yüzey kalitesi, hassasiyet |
| Katman kalınlığı | Daha ince katmanlar çözünürlüğü artırır ancak baskı sürelerini uzatır | Doğruluk, toleranslar, yüzey pürüzlülüğü |
| Enerji kaynağı | Lazer, elektron ışını, plazma arkı | Lokalize erime, ısıtma, soğutma hızları mikroyapıyı etkiler |
| Baskı yönü | Dikey ve yatay yapılar | Anizotropik mukavemet, destek gerektirebilir |
| Sıcak izostatik presleme | Gözenekleri ortadan kaldırmak için işlem sonrası | Yoğunluğu ve yorulma ömrünü önemli ölçüde artırır |
Optimum parametrelerle, 3D baskılı titanyum parçalar, dövme değirmen ürünü özelliklerini karşılar veya aşarken, eksiltici yöntemlerle mümkün olmayan yenilikçi tasarımlara olanak tanır.
Türleri titanyum 3d baskı tozu AM için
Titanyum alaşımları, farklı katkılı üretim süreçleri için formüle edilmiş çeşitli sınıflarda mevcuttur. En yaygın titanyum tozları şunlardır:
3D Baskı için Yaygın Titanyum Tozu Sınıfları
| Alaşım | Açıklama | Uygulamalar |
|---|---|---|
| Ti-6Al-4V ELI | İş gücü Ti64 alaşımının ekstra düşük interstisyel versiyonu | Havacılık ve uzay bileşenleri, biyomekanik implantlar |
| Ti 6Al-4V | En popüler kalite, iyi mukavemet ve korozyon direnci | Otomotiv, denizcilik donanımı, spor malzemeleri |
| Ti-6Al-7Nb | Ti64'e göre daha yüksek biyouyumluluk | Ortopedik ve diş implantları, cerrahi aletler |
| CP-Ti Sınıf 2 | Ticari olarak saf titanyum, alaşımlardan daha yumuşak | Gıda/kimyasal proses ekipmanları |
| Ti-555 | Yüksek mukavemetli havacılık ve uzay sınıfı | Uçak yapısal bileşenleri, roket motorları |
| Ti-1023 | Olağanüstü yorulma ve sürünme direnci | Türbin kanatları, iniş takımları, bağlantı elemanları |
Partikül boyutu dağılımı, nihai yoğunluğu ve yüzey kalitesini belirleyen önemli bir özelliktir. 10-45 mikron civarındaki daha ince tozlar daha iyi akar ve sıkıştırılırken, 100 mikronun üzerindeki daha iri tozlar tozun daha kolay çıkarılmasını sağlar ve malzeme maliyetlerini azaltır.
Titanyum Tozu Özellikleri
| Parametre | Tipik Aralık |
|---|---|
| Parçacık boyutu | 15-45 mikron, 150 μm'ye kadar |
| Akış hızı | <15 sn/50 g |
| Görünür yoğunluk | 2.1-3.0 g/cm3 |
| Musluk yoğunluğu | 3,2-4,1 g/cm3 |
| Saflık | >99,5% titanyum |
| Oksijen içeriği | <0,20% |
| Azot içeriği | <0,03% |
| Hidrojen içeriği | <0,015% |
Üreticiler, endüstriler genelinde yüksek performanslı katkılı olarak üretilen titanyum bileşenlere yönelik artan talebi karşılamak için titanyum tozu üretim yöntemlerini ve alaşım bileşimlerini sürekli olarak geliştirmektedir.
Titanyum Tozu Nasıl Yapılır?
Titanyum metal tozu, külçe veya hammadde teli gibi katı formlara kıyasla daha yüksek bir yüzey alanı/hacim oranına sahiptir. Birkaç modern toz üretim tekniği vardır:
- Plazma Atomizasyonu - Yüksek hızlı inert gaz jetleri, erimiş titanyum akışlarını, pürüzsüz yüzey morfolojisine sahip küresel tozlara hızla katılaşan ince damlacıklara ayırır. Bu, az sayıda uydu ile tutarlı parçacık boyutları üretir.
- Gaz Atomizasyonu - Plazma atomizasyonuna benzer şekilde, daha düşük gaz basınçları EBM baskı için uygun daha az ince tozlar üretir. Tozlar düzensiz şekiller ve uydular ile bir miktar sıçrama gösterir.
- Dönen Elektrot Süreci - Titanyum alaşımından çubuklar veya teller inert atmosfer altında arklarla eritilir ve santrifüj kuvvetleri metali fırlatır ve daha sonra düzleştirilmiş küresel parçacıklar halinde katılaşır. Sünger benzeri tozların ekonomik üretimi.
- Hidrür-Dehidrür Prosesi - İnce bölünmüş titanyum hidrit tozu vakumda ayrıştırılarak 0,35-0,5% civarında daha yüksek oksijen safsızlığı ile ince metalik titanyum tozuna parçalanmasına neden olur.
Tüm yöntemler, 3D baskı tekniğine uygun, tipik olarak 10-150 mikron civarında belirli boyut fraksiyonları elde etmek için kapsamlı toz eleme ve ayırma gerektirir. Pürüzsüz küresel partiküller daha iyi paketleme yoğunluğu ve akışkanlık sağlar. Kullanmadan önce uygun toz yenileme, harmanlama ve inert atmosfer altında depolama kritik önem taşır.
Titanyum Tozu Üreticileri
Titanyum baskı tozlarının başlıca küresel tedarikçilerinden bazıları şunlardır:
| Şirket | Konum | Ürünler |
|---|---|---|
| AP&C | Kanada | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-7Nb, Özel alaşımlar |
| Marangoz Katkısı | ABD | Ti-6Al-4V, Ti 6-4 ELI, Özel kaliteler |
| GKN Katkı Maddesi | İsveç | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, Ti-64 kaliteleri |
| LPW Teknoloji | BIRLEŞIK KRALLIK | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Karışımlı alaşımlar |
| Praxair | ABD | CP Ti sınıf 2, Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI |
| TLS Technik | Almanya | Ti-6Al-4V, Ti-Al-Fe alaşımları |
Bu şirketler, tüm büyük metal 3D baskı makineleri için özelleştirilmiş hatasız titanyum tozları tedarik etmek için üretim süreçlerini ve kalite standartlarını sürekli olarak geliştirmektedir.
Titanyum Tozu Maliyetleri
Hafif bir yapısal malzeme olan titanyum metal tozları, alüminyumdan yaklaşık 4-5 kat daha pahalıdır ve ağırlık olarak yaygın çeliklerden 2-3 kat daha pahalıdır. Fiyatlar alaşım derecesine, kaliteye, parti büyüklüğüne göre birkaç kg'dan bir tona kadar değişir.
| Alaşım | Kg Başına Fiyat Aralığı |
|---|---|
| CP Ti Gr 2 | $50 – $150 |
| Ti-6Al-4V | $80 – $450 |
| Ti-6Al-4V ELI | $100 – $650 |
| Ti 6Al-7Nb | $250 – $1000 |
| Ti-555 | $150 – $850 |
| Ti-1023 | $500 – $2000 |
3D baskıdan elde edilen hurda titanyum tozu, kontaminasyon testi yapıldıktan ve özellikler doğrulandıktan sonra malzeme maliyetlerini dengelemek için yeniden kullanılabilir. Genel parça maliyetleri, hammadde giderlerinin yanı sıra üretim hızlarına, işçiliğe, tasarım karmaşıklığına ve işlem sonrası süreçlere bağlıdır.
3D Baskılı Titanyum Parçaların Uygulamaları
Dayanıklılığı, biyouyumluluğu ve tasarım özgürlüğü sayesinde metal 3D baskı, çeşitli sektörlerde titanyum kullanımını genişletiyor:
Havacılık ve Uzay - Uçak ve roket motoru bileşenleri, uçak gövdeleri, helikopterler, dronlar. Montajlı yapılara kıyasla parça sayısını 90%'ye kadar azaltır.
Medikal ve Dental - Yüksek mukavemet ve biyo-uyumluluğun hayati önem taşıdığı ortopedik implantlar, protezler, fiksasyonlar ve aletler. Hasta anatomisine uygun özelleştirilmiş tasarımlar sağlar.
Otomotiv ve Motor Sporları - Bağlantı çubukları, vites değiştiriciler, pervane şaftları gibi parçaları hafifletirken güvenlik gereksinimlerini aşar. Topoloji optimizasyonu ile performans kazanımı sağlar.
Endüstriyel Ekipmanlar - Korozyona/erozyona dayanıklı katı titanyum çarklar, valfler, borular, ısı eşanjörleri. Konformal soğutma kanalları enjeksiyon kalıplama sırasında takım aşınmasını en aza indirir.
Tüketim Malları - Bisiklet çerçeveleri, golf sopası kafaları, entegre ergonomik titanyum kafes yapılara sahip kano kürekleri gibi özelleştirilmiş spor malzemeleri.
3D baskı, titanyumda dökümle mümkün olmayan yeni geometrilerin kilidini açarken, hızlandırılmış teslim süreleri ve yaşam döngüsü maliyet tasarrufu ile özel uygulamalar için tipik olan düşük hacimli üretimi destekler.
Titanyum için Metal 3D Baskı Süreçleri
Titanyum toz yatağı füzyonu için uygun birkaç eklemeli üretim tekniği vardır:
Toz Yatağı Füzyon Prosesleri
| Süreç | Açıklama | Donanım Örnekleri |
|---|---|---|
| DMLS | Doğrudan metal lazer sinterleme, fiber lazer kullanarak tozu kaynaştırır | EOS M serisi |
| SLM | Seçici lazer eritme, tozu tamamen eriterek yoğun parçalara dönüştürür | SLM Çözümleri |
| EBM | Elektron ışını tozu vakumda seçici olarak eritir | Arcam A2X |
Bu toz yatağı işlemleri, ince bir titanyum tozu tabakasının yayılmasını, odaklanmış bir ısı kaynağı kullanılarak seçici olarak eritilmesini, yapı plakasının indirilmesini ve parçaları aşağıdan yukarıya doğru oluşturmak için işlemin tekrarlanmasını içerir. İnert gaz odası yüksek sıcaklıklarda oksidasyonu önler. Eriyik havuzları hızla katılaşarak ince eş eksenli titanyum taneleri oluşturur ve işlenmiş ürünlere benzer izotopik özellikler ortaya çıkar.
SLM ve DMLS daha yüksek çözünürlük ve yüzey kalitesi sunarken, EBM daha ucuz düşük yoğunluklu prototipler için daha hızlı üretim hızlarına sahiptir. Hibrit çoklu lazer sistemleri parça maliyetlerini ve üretim sürelerini düşürüyor.
Yönlendirilmiş Enerji Biriktirme
Lazerle tasarlanmış ağ şekillendirme (LENS) gibi DED süreçleri, metal tozunu odaklanmış bir lazer veya ark tarafından oluşturulan erimiş bir havuza üfleyerek boncukları yan yana biriktirmek için bir alt tabaka plakası üzerine üfler. DED, nihai işlemeye tabi tutulan ağ şekline yakın büyük parçalar için idealdir. Daha yüksek mukavemet, süneklik, kırılma tokluğu ve sürünme direncine sahip titanyum alaşımları, optimize edilmiş LENS parametreleri ile üretilebilir.
Binder Jetting
Mürekkep püskürtmeli baskı kafası teknolojisini kullanan bağlayıcı püskürtme, yeşil kompakt parçaları katman katman oluşturmak için bir sıvı bağlayıcı maddeyi titanyum tozu yatağına seçici olarak bırakır. Yüksek sıcaklıklarda sinterleme, baskı sırasında artık gerilmeleri önlerken ~95% yoğunluğa ulaşır. Bağlayıcı püskürtme, orta düzeyde yapısal yüklere ve işlenmiş malzemelerin altında özelliklere sahip daha küçük titanyum bileşenler için daha uygundur.
Post-Processing of titanyum 3d baskı tozu Parçalar
Üretim sürecinden sonra, titanyum bileşenler birkaç işlem sonrası aşamadan geçebilir:
- EDM tel kesme yoluyla destek yapısının kaldırılması
- Stres giderici ısıl işlem
- Sıcak İzostatik Presleme (HIP)
- Çözüm tedavisi ve yaşlanma
- Basınç gerilmelerini indüklemek için bilyeli çekiçleme
- İşleme - kritik eşleşme yüzeylerinde tolerans gereksinimlerini karşılamak için tornalama, delme, frezeleme
- Yüzey bitirme - pürüzsüz yüzeyler için taşlama, kumlama, parlatma, aşındırma
- Tıbbi parçalar için temizlik ve sterilizasyon
HIP işlemi, yüksek sıcaklık kullanılarak vakum altında yüksek basınçlı argon gazı uygular. Bu, iç boşlukları ve mikro gözenekliliği ortadan kaldırmaya yardımcı olur ve böylece görev açısından kritik havacılık ve uzay bileşenleri için yorulma ömrünü 5-10 kat artırır. Ancak HIP, basıldığı haliyle mikro yapıyı değiştirir.
Kalite açısından kritik uygulamalar için kapsamlı manuel son işlem adımları nedeniyle genel parça maliyetleri artmaktadır. AM değer zincirindeki kalite standardizasyon çabalarıyla birlikte metal yazıcıların yanında entegre, otomatik son işlem istasyonları ortaya çıkmakta ve son kullanım titanyum bileşenleri için daha yüksek tutarlılık ve tekrarlanabilirlik vaat etmektedir.
3D Baskılı Titanyum Alaşımlarının Özellikleri
Yaygın olarak kullanılan titanyum alaşımlarının mekanik özellikleri toz kalitesi, katman kalınlığı, lazer parametreleri, yapı oryantasyonu, ısıl işlemler ve HIP gibi çeşitli faktörlere bağlıdır.
Ti-6Al-4V ELI Özellikleri
| Parametre | Basıldığı gibi | HIP Sonrası | Dövme Ti-6Al-4V ELI |
|---|---|---|---|
| Çekme mukavemeti | 1050 - 1250 MPa | ~980 MPa | 860 - 965 MPa |
| Akma dayanımı (0,2% ofset) | 1000 - 1150 MPa | ~930 MPa | 795 - 880 MPa |
| Kopma uzaması | 8 – 15% | 10 – 18% | 10 – 16% |
| Elastisite modülü | 100 - 114 GPa | 110 - 115 GPa | 110 - 114 GPa |
| Yorulma dayanımı (10^7 döngü) | 400 - 600 MPa | 500 - 800 MPa | 550 - 750 MPa |
| Sertlik | 34 - 44 HRC | 32 - 40 HRC | 33 - 37 HRC |
Ti-6Al-4V ELI, geleneksel dövme ürünlerle karşılaştırılabilir veya daha iyi çekme mukavemeti ve sertlik gösterirken, süneklik ve yüksek çevrimli yorulma, HIP sonrası dövme malzeme özelliklerine yaklaşır.
Ti-6Al-7Nb Özellikleri
| Parametre | Tipik Basılı Değerler | Dövme |
|---|---|---|
| Çekme mukavemeti | 900 - 1300 MPa | 860 - 1100 MPa |
| Akma dayanımı (0,2% ofset) | 800 - 1250 MPa | 795 - 965 MPa |
| Kopma uzaması | 5 – 15 % | 8 – 20% |
| Elastisite modülü | 95 - 115 GPa | 100 - 115 GPa |
| Sertlik | ~334 HV | ~302 HV |
Niyobyum ilavesi, vanadyuma kıyasla biyouyumluluğu artırırken geleneksel Ti-6Al-4V implantlarını aşan bir mukavemet sağlar. Optimize edilmiş SLM parametreleri, dövme özelliklerine rakip yoğun tıbbi sınıf Ti-6Al-7Nb yapıları üretir.
Tasarım Yönergeleri ve Sınırlamalar
Toz yatağı füzyonunun faydalarından tam olarak yararlanmak için mühendislerin parçaları özellikle eklemeli üretim için tasarlamaları gerekir:
Optimal Tasarım Uygulamaları
- Kafes yapıları kullanarak ağırlık tasarrufu için gereksiz kütleyi en aza indirin
- Alt montajları tek bileşenler halinde birleştirin
- Talaşlı imalatta kullanılamayan organik şekilleri, konturları dahil edin
- Dökümlerde mümkün olmayan gömülü yakınsak soğutma kanalları
- Yüksek gerilimli bölgeleri jiroid dolgu veya doku ile güçlendirin
- Modüler montajlar için arayüzleri, bağlantı parçalarını ve fikstürleri standartlaştırın
- Kritik özellikleri ortak tutarak parça ailelerini parametrelendirin
Tasarım Sınırları
- Çıkıntı açılarının 60 derecenin üzerinde olması destek gerektirir
- 5:1'in üzerindeki aşırı en-boy oranları çökme veya deformasyon riski taşır
- Minimum duvar kalınlığı ~0,8 mm, ince özellikler > 0,4 mm
- Sıkı cepler, tahliye deliklerine ihtiyaç duyan sinterlenmemiş tozu hapsedebilir
- Toz çıkarma erişiminden izole edilmiş içi boş boşluklardan kaçının
- Artık gerilmeleri azaltmak için cömert filetolar gereklidir
- Geçmeler, contalar, rulmanlar için işleme sonrası gerekli
Mühendisler için önceden DfAM eğitimi ve AM konusunda deneyimli tasarımcılar, son kullanım metal baskılı parçalar için gereken üretime hazır tasarımların eksikliği nedeniyle yeniden çalışmayı önleyebilir.
Karşılaştırmalı Analiz
3D Baskı vs Döküm veya İşlenmiş Titanyum
Katmanlı Üretim Profesyonelleri
- Hafif yapılar için tasarım özgürlüğü
- Konsolidasyon yoluyla parça sayısının azaltılması
- Saha gereksinimlerine uygun özelleştirilmiş şekiller
- Döküm kalıpları veya CNC için gereken aletleri ortadan kaldırır
- Daha az atıkla daha güvenli, sürdürülebilir süreç
- Düşük hacimli partiler için daha kısa teslim süresi
Eksiler
- Seri üretime göre daha yavaş inşa oranları
- Daha küçük yapı odalarının getirdiği boyut sınırları
- Orta miktarlarda parça başına daha yüksek maliyet
- Yüzey kusurlarına neden olan kapsamlı destek temizliği
- İşlem sonrası baskılı malzeme özelliklerini düşürür
- Anizotropi yönsel zayıflıklara yol açar
- Standartlar ve yeterlilikler hala olgunlaşıyor
3D Baskılı Titanyum ve Diğer Metaller
| Parametre | Titanyum | Alüminyum | Paslanmaz Çelik | Nikel Alaşımları |
|---|---|---|---|---|
| Güç | Yüksek | Orta | Orta | Çok yüksek |
| Sertlik | Orta | Orta | Yüksek | Yüksek |
| Yoğunluk | Hafif | Çok hafif | Daha ağır | Daha ağır |
| Maliyet | Yüksek | Düşük | Orta | Yüksek |
| Sıcaklıkta ömür | Mükemmel | Adil | Daha iyi | En iyisi |
| Korozyon direnci | Mükemmel | Fuar/Kaplamalar | En iyisi | Daha iyi |
| Biyo-uyumluluk | Mükemmel | İyi | Adil | Zayıf |
| Manyetik özellikler | Hayır | Hayır | Hafif manyetik | Manyetik |
Titanyum, yüksek sıcaklık mekanik performansının tasarım esnekliği, düşük kütle ve aşırı uçlara karşı dayanıklılıkla birleştiği yerlerde öne çıkıyor. AM'nin genişletilmiş yetenekleri, olağanüstü özelliklere rağmen daha önce uygulamaları sınırlayan yüksek satın alma-uçuş oranları ve uzun teslim süreleri gibi geleneksel üretim zorluklarının üstesinden gelmeye yardımcı olur.
Titanyum AM'nin Sektörel Görünümü ve Geleceği
Katmanlı üretim, çoklu lazerler ve robotik kollar kullanan yazıcıların daha büyük ve daha hızlı hale gelmesiyle en hızlı büyüyen üretim segmentlerinden biridir. Titanyum parçalar havacılık, uzay, enerji, motor sporları ve tıp sektörlerinde seri üretim için kalifiye hale getiriliyor.
Titanyum toz yatağı füzyonunun benimsenmesini etkileyen bazı eğilimler:
- Azalan sistem maliyetleri satın alınabilirliği artırıyor
- Tekrarlanabilirliği artıran otomatik son işlem
- Büyük titanyum yapılar için büyük alan katkılı üretim (BAAM) teknikleri
- Üstün sürünme ve yorulma dayanımına sahip yeni özel alaşımlar
- Kusur tahmini, süreç optimizasyonu, kalite güvencesi için simülasyon ve yapay zeka
- Katmanlı, eksiltici, denetim ve otomasyonu birleştiren hibrit baskı
- Malzeme izlenebilirliğini ve süreç standartlarını sağlayan tedarik zinciri olgunluğu
Titanyum AM parçalar uçuş güvenliği ve tıbbi sertifikalar kazandıkça, 3D baskı, dağıtılmış üretim modelleri aracılığıyla havacılık ve uzay gibi envanter ağırlıklı endüstrileri dönüştürmeye hazırlanıyor. Şirketler değer zinciri boyunca işbirliği yaparak yenilikçi tasarımları görev açısından kritik uygulamalara daha önce hiç olmadığı kadar hızlı ve düşük maliyetlerle sunuyor.
