Servicios de impresión 3D de titanio
Las soluciones de impresión 3D que ofrece Wstitanium incluyen: DMLS y EBM. Fabricación de prototipos de titanio totalmente funcionales y piezas personalizadas de titanio en 7 días o menos para piezas finales destinadas a aplicaciones de uso final.
- Prototipado de materiales de calidad de producción
- Geometrías complejas arbitrarias
- Tolerancias estrictas +/- 0.002”
- Reducir los pasos en el montaje
- Piezas funcionales de uso final
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Servicios de impresión 3D para piezas de titanio
El titanio es un metal difícil de mecanizar, especialmente cuando se trata de Mecanizado CNCPor un lado, el titanio tiene una baja conductividad térmica. Esto significa que, cuando una máquina CNC, por ejemplo, realiza fresado, el calor generado se almacena en la herramienta. Esto puede provocar un desgaste rápido de la herramienta. Además, dado que el mecanizado implica cortar y eliminar material, el proceso puede generar un gran desperdicio de material. Por ello, muchas empresas buscan mejores alternativas para la fabricación de piezas de titanio. La impresión 3D de titanio en metal está demostrando ser una alternativa viable. El grado de titanio más utilizado es la aleación Ti6Al4V (Ti64). Además del Ti64, el titanio puro también se puede utilizar para la impresión 3D.
Taller de impresión 3D de Wstitanium
Ventajas de la impresión 3D de titanio
El titanio impreso en 3D se puede fabricar de forma económica en lotes pequeños y medianos. Es una opción más rentable en comparación con métodos como el fresado CNC, el torneado o la fundición, ya que el coste no depende de la complejidad de la pieza. Para fabricar con éxito productos de titanio, basta con una impresora 3D y polvo metálico, en lugar de recurrir a herramientas costosas o soluciones especializadas complejas.
Reducción del desperdicio de material
En comparación con los procesos de fabricación sustractiva tradicionales, como el mecanizado CNC, la impresión 3D es una tecnología de fabricación aditiva que genera poco desperdicio de material. Durante el proceso de fabricación, el polvo de titanio restante se puede utilizar para la siguiente impresión. Además, la impresión 3D de titanio permite producir piezas con una forma muy similar a la final deseada, lo que reduce la necesidad de un posprocesamiento exhaustivo y, en consecuencia, los desperdicios.
Optimización del diseño
La impresión 3D permite crear piezas con estructuras complejas y ligeras que son difíciles o imposibles de fabricar con métodos tradicionales. Esto implica utilizar menos material, manteniendo la resistencia y la funcionalidad. Una de las maneras en que los ingenieros optimizan el diseño es mediante la optimización topológica en software CAD, que consolida varias piezas en una sola pieza impresa, lo que puede reducir el tiempo de ensamblaje, los costos de mano de obra y los posibles puntos de falla.
Sin costos de herramientas ni de configuración
Tanto para la fundición como para el mecanizado CNC de piezas de titanio, se requieren herramientas personalizadas, como moldes, accesorios, etc. La impresión 3D elimina la necesidad de herramientas adicionales, ya que las piezas se imprimen directamente desde el archivo digital. Los cambios en el diseño de la pieza se pueden implementar rápidamente sin necesidad de nuevas herramientas, lo que reduce los costos asociados a las modificaciones de diseño.
Plazo de entrega más corto
Wstitanium utiliza una impresora 3D de metal propia, y la entrega de una sola pieza puede tardar solo un día, mientras que el mecanizado CNC y la fundición pueden tardar más (como se mencionó anteriormente, requieren herramientas o accesorios). Los servicios de impresión 1D ofrecen tiempos de fabricación más cortos y permiten solicitar piezas bajo demanda sin necesidad de reservas de inventario. Esto reduce considerablemente el riesgo de capital.
Personalización y flexibilidad
La impresión 3D permite fabricar piezas personalizadas sin necesidad de reensamblarlas, lo que facilita y hace más rentable la producción de lotes pequeños o productos personalizados, reduciendo aún más los costos operativos. Por ejemplo, herramientas quirúrgicas específicas para cada paciente.
La eficiencia energética
Los servicios de impresión 3D de titanio, como la fusión por haz de electrones (EBM) o la fusión selectiva por láser (SLM), son más eficientes energéticamente que el mecanizado CNC, especialmente si se tiene en cuenta la menor necesidad de posprocesamiento y reciclaje de material.
Tecnología de impresión 3D propia de Wstitanium
Desde 2019, Wstitanium ha invertido más de 2 millones de dólares en tecnologías de impresión 3D de metal, como DMLM, DMLS, LPBF y LMF. Entre ellas, la fusión láser de lecho de polvo (LPBF) es la más común.
La sinterización directa de metal por láser (DMLS) es similar a la tecnología de sinterización láser (SLS), pero en lugar de usar poliamida, se utiliza polvo fino de titanio para construir el modelo capa por capa. Se deposita una fina capa de polvo de titanio en la impresora 3D. Esta capa se sinteriza y solidifica mediante un láser muy potente y se convertirá en la capa inferior de la pieza. El rayo láser se mueve sobre una caja llena de polvo. Después de cada capa, se aplica una nueva capa de polvo. El proceso se repite. Retire la pieza de la impresora 3D y limpie el polvo suelto sin sinterizar. En la mayoría de los casos, habrá estructuras de soporte de impresión 3D hechas de titanio sobre y alrededor de la pieza. Estos soportes deben retirarse manualmente utilizando sierras circulares muy potentes y otras herramientas. Una vez retirados los soportes, es necesario pulirlos manualmente para eliminar cualquier rastro de ellos. Es posible que se requieran pasos posteriores al acabado, como pulir toda la pieza.
- Tamaño máximo de la pieza de titanio: 250 x 250 x 320 mm
- Tamaño mínimo de la pieza de titanio: 5 mm x 5 mm x 5 mm
- Altura de capa predeterminada: 0.04 mm
- Alturas de capa opcionales: 0.05 mm
- MOQ = 1
- Tolerancia: ± 0.02 mm
- Rugosidad superficial: 150-400 Ra
- Costo: Depende principalmente del peso.
La fusión por haz de electrones (EBM) se refiere a la aplicación de un haz de electrones sobre una capa de polvo de titanio, fundiéndola y fusionándola con la capa anterior. La EBM utiliza un haz de electrones de alta energía al vacío para fundir el polvo de titanio. El haz barre un lecho de polvo de titanio, fundiendo y solidificando el material capa por capa según un diseño digital. La EBM se considera más precisa que la DMLS y es adecuada para fabricar piezas de titanio más pequeñas y complejas. La EBM es particularmente eficaz para controlar las propiedades reactivas del titanio, ya que el entorno de vacío previene la oxidación, un problema común cuando el titanio se calienta al aire. El haz de electrones también puede ajustar dinámicamente el enfoque y la potencia, lo que permite un control preciso del proceso de fusión, fundamental para mantener el rendimiento y la integridad estructural de las piezas de titanio.
- Tamaño máximo de la pieza de titanio: 210 x 210 x 400 mm
- Tamaño mínimo de la pieza de titanio: 5 mm x 5 mm x 5 mm
- Módulo elástico: 113.8 GPa
- UTS Mpa: 1033
- MOQ = 1
- YS 0,2 Mpa: 973
- Alargamiento: 15,6 %
- Tolerancia: ± 0.02 mm
El proceso EBM, por otro lado, se realiza al vacío y a altas temperaturas. Esto minimiza la tensión residual en las piezas impresas en 3D, lo que también significa que estas piezas de titanio impresas en 3D no requieren tratamiento térmico posterior.
Grados de aleación de titanio para impresión 3D
El grado de titanio más utilizado para la impresión 3D es la aleación Ti6Al4V (Ti64). Además del Ti64, también se puede utilizar titanio puro. A medida que la tecnología de impresión 3D evoluciona, los fabricantes de materiales crean diversos polvos de titanio adecuados para la impresión 3D. Estos polvos metálicos se diseñan cuidadosamente con partículas de tamaño y forma uniformes, lo que mejora la fluidez y la densidad de empaquetamiento en la cama de impresión. Esta mejora permite una impresión más suave y detallada, y mejora las propiedades mecánicas al reducir las inclusiones y la porosidad. La mayoría de las impresiones 3D con titanio utilizan aleaciones de titanio (materiales metálicos que contienen aleaciones de titanio con otros elementos) en lugar de titanio puro. El tipo de aleación de titanio utilizado depende de la aplicación específica de la impresión 3D. Algunas variedades comunes se muestran en la tabla a continuación.
| Aleación | Grado | Descripción | Aplicaciones |
| Ti-6Al-4V | 5 | La aleación de titanio más común e importante para la impresión 3D, con excelente relación resistencia-peso, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad. | Componentes aeroespaciales, componentes automotrices, instrumentos quirúrgicos, implantes médicos |
| Ti-6Al-4V-ELI | 23 | Esta aleación de titanio más pura tiene un “intersticial extra bajo”, lo que la hace ligeramente más débil que el Grado 5, pero mejor para aplicaciones biomédicas. | Instrumentos quirúrgicos, implantes médicos |
| Ti-6Al 2Sn-4Zr-2Mo | Una aleación de titanio casi alfa con alta resistencia y excelente resistencia a la corrosión. | Componentes aeroespaciales, componentes de aviación, componentes marinos | |
| Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr | Una aleación de titanio beta con alta resistencia y tenacidad que muestra potencial en la impresión 3D debido a su baja maquinabilidad. | Componentes industriales |
El titanio grado 5 6Al-4V es la aleación de titanio más utilizada en la fabricación aditiva y es ideal para prototipos y piezas funcionales en los sectores aeroespacial, automotriz y militar. También es un material excelente para la fabricación de piezas con geometrías complejas y precisión, así como para herramientas de producción. El titanio grado 23 6Al-4V es una aleación biocompatible que se utiliza a menudo en implantes médicos y prótesis. El titanio grado Beta 21S presenta mayor resistencia que las aleaciones de titanio tradicionales, como el Ti-6Al-4V, y también mejor resistencia a la oxidación y a la fluencia que las aleaciones de titanio tradicionales, como el Ti-15V-3Cr. De todas las aleaciones de titanio, el titanio grado 21 presenta la menor eficiencia de absorción de hidrógeno. Es ideal para implantes ortopédicos y aplicaciones en motores aeroespaciales. El titanio Beta se utiliza ampliamente en correcciones dentales. Los grados Cp-Ti (titanio puro) 1 y 2 se utilizan ampliamente en el campo médico debido a su biocompatibilidad con el cuerpo humano. El TA15 es una aleación de titanio casi alfa con aditivos de aluminio y circonio. Las piezas fabricadas con TA15 tienen una alta resistencia específica, alta capacidad de carga y resistencia a la temperatura, por lo que se pueden utilizar para piezas pesadas en la fabricación de aeronaves y motores.
Tratamiento superficial de piezas de titanio impresas en 3D
Wstitanium ofrece componentes de titanio con acabados superficiales especializados. Durante el posprocesamiento, se pueden añadir opciones como resistencia, resistencia a la corrosión y conductividad metálica a las piezas de titanio. Los tratamientos superficiales que ofrecen los servicios de impresión 3D de titanio de Wstitanium incluyen granallado, pulido electroquímico, mecanizado CNC, tratamiento térmico y más.
chorro de arena
El arenado permite eliminar defectos, picaduras, óxido y otros contaminantes de la superficie de las piezas. Se utiliza a menudo para preparar piezas para su recubrimiento. Entre los diferentes métodos de arenado se incluyen el microarenado, el granallado con cepillo y el granallado con microesferas, entre otros. El arenado utiliza abrasivos como granalla de acero, carburo de silicio y piedra pómez.
Peening de disparo
El granallado puede mejorar la resistencia de una pieza y reducir la distribución de tensiones. Durante el proceso, la pieza se somete a múltiples impactos, que producen deformaciones en su superficie. El proceso añade una capa de tensión compresiva.
Pulido óptico
El pulido óptico es rentable y proporciona un efecto superficial brillante. Crea un microacabado o superacabado en la superficie de la pieza como preparación para su posterior procesamiento. Los procesos de pulido óptico son ideales para proyectos con geometrías de bajo volumen y sin tolerancias.
Pulido electroquímico
El pulido electroquímico produce un acabado de espejo en piezas metálicas y también puede utilizarse para preparar una pieza para un acabado posterior. En este proceso, la pieza se sumerge en una solución electrolítica con un cátodo de cobre o plomo. Una corriente eléctrica fluye a través de la solución, alisando la superficie de la pieza.
galvanoplastia
La galvanoplastia añade una capa metálica al exterior de una pieza, aumentando su resistencia y durabilidad. La galvanoplastia disuelve el metal en una solución electrolítica y lo transfiere a la superficie de la pieza. Algunos de los metales más comunes utilizados en el proceso de galvanoplastia son el cobre y el zinc.
Acabado/mecanizado CNC
El mecanizado CNC mejora la resistencia al desgaste, la conductividad del metal, la resistencia, la resistencia a la oxidación y mucho más. El acabado CNC puede mejorar la apariencia de la pieza y prepararla para el recubrimiento final. El acabado puede incluir recubrimiento en polvo, arenado, pasivación y anodizado.
Tratamiento térmico
El tratamiento térmico mejora las propiedades mecánicas del titanio, como la resistencia y la tenacidad. Este es un paso crucial para piezas sometidas a altas tensiones.
| Titanio TiAl4V tratado térmicamente | Value alto |
|---|---|
| Fuerza de fluencia Rp 0.2% | 950-1050 MPa |
| Resistencia máxima a la tracción Rm | 1000-1150 MPa |
| Elongación en Break | 9-15% |
| El módulo de Young | 105-125 GPa |
| Densidad relativa | 99.5% |
Prensado isostático en caliente (HIP)
El HIP elimina la porosidad interna de las piezas de titanio, haciéndolas más densas y resistentes. Durante este proceso, la aleación de titanio se calienta a 1000 °C durante 60 minutos en atmósfera de argón y luego se enfría lentamente.
| Titanio TiAl4V HIP | Value alto |
|---|---|
| Fuerza de fluencia Rp 0.2 % | 870-950 MPa |
| Resistencia máxima a la tracción Rm | 950-1050 MPa |
| Elongación en Break | 13 16-% |
| El módulo de Young | 105-125 GPA |
| Densidad relativa | 99.5% |
Aplicación de piezas de titanio de impresión 3D
Las piezas de titanio impresas en 3D son un foco importante en la industria manufacturera. La impresión 3D de titanio ha revolucionado el sector en múltiples campos, con el objetivo de ofrecer productos ligeros y resistentes con diseños innovadores (a menudo, piezas personalizadas). Las principales áreas de aplicación de las piezas impresas en 3D son: aeroespacial, medicina, automoción, ciclismo/carreras, química, marina, etc.
La no toxicidad, alta resistencia y resistencia a la corrosión del titanio lo convierten en un material atractivo para implantes ortopédicos y dentales. A medida que más fabricantes médicos incorporan servicios de impresión 3D a sus capacidades de fabricación, la cantidad de implantes quirúrgicos impresos a base de titanio aprobados por la FDA de EE. UU. continúa creciendo. Al combinarse con la impresión 3D, los fabricantes de dispositivos médicos pueden fabricar implantes con estructuras porosas complejas. Cabe destacar que estas estructuras imitan la estructura de los huesos humanos, por lo que las células óseas las reconocen como andamios para el crecimiento. En la industria médica, los implantes de titanio impresos en 3D han tenido éxito en aplicaciones de columna vertebral, cadera, rodilla y extremidades debido a la biocompatibilidad inherente del titanio y sus buenas propiedades mecánicas. Además, la capacidad de imprimir en 3D estructuras porosas personalizadas (logrando así la integración ósea) y las capacidades de personalización en masa logran mejores efectos terapéuticos para los pacientes.
En 2023, las piezas impresas en 3D de Wstitanium para reemplazos de muñeca y tobillo para pacientes tratados en el Hospital Universitario de North Midlands en el Reino Unido recibieron grandes elogios de médicos y pacientes.
La relación resistencia-peso del titanio permite la producción de componentes complejos más ligeros y duraderos que los fabricados con materiales tradicionales, lo que permite que las aeronaves no solo sean más eficientes en consumo de combustible, sino también capaces de soportar las tensiones extremas del vuelo. En la industria aeroespacial, algunas piezas fabricadas mediante impresión 3D a base de titanio se utilizan actualmente en aplicaciones comerciales y militares, y muchos otros prototipos están en proceso de obtener la certificación de la Administración Federal de Aviación (FAA). Las piezas de titanio impresas en 3D gozan de gran reconocimiento por su baja relación entre la compra y el vuelo, un término aeroespacial que se refiere a la correlación entre el peso del material inicial y el peso de la pieza impresa. Las piezas de titanio impresas en 3D ayudan a reducir el peso de estructuras sometidas a cargas elevadas, lo que las hace ideales para motores a reacción, turbinas de gas y numerosos componentes de fuselaje.
Por ejemplo, Liebherr redujo el peso del soporte en un 29 % y aumentó su rigidez. El proveedor aeroespacial Liebherr-Aerospace & Transportation SAS comenzará la producción en serie de soportes de titanio para el tren de aterrizaje delantero del Airbus A3 XWB impresos en 350D en 2023. Estos soportes serán las primeras piezas de Airbus producidas con titanio impreso en 3D.
La industria automotriz no ha adoptado la impresión 3D de titanio con la misma rapidez que las industrias aeroespacial y médica. A pesar de ofrecer las mismas ventajas, el mercado automotriz de consumo es muy consciente de los costes, lo que limita el uso de este costoso material en la mayoría de los vehículos. Las piezas de titanio impresas en 3D facilitan el desarrollo de coches personalizados de alto rendimiento. Los fabricantes pueden crear piezas de titanio ligeras pero resistentes, como engranajes y soportes, lo que ayuda a reducir el peso total del vehículo y a mejorar su rendimiento. Esta aplicación es crucial en el sector de los vehículos eléctricos, donde la eficiencia y la autonomía de la batería pueden mejorarse significativamente al reducir el peso del vehículo. Actualmente, las piezas de titanio impresas en 3D se utilizan ampliamente en coches de competición y de lujo, donde el peso y el rendimiento son factores importantes.
En el sector automovilístico, uno de los ejemplos más destacados de impresión 3D de titanio es la pinza de freno desarrollada por Bugatti para su superdeportivo Bugatti Chiron. La pinza, un componente importante del sistema de frenado, mide 41 x 21 x 13.6 cm y se imprimió en 3D en 45 horas con tecnología DSLM. Se dice que la pieza terminada es aproximadamente un 40 % más ligera que la alternativa de aluminio mecanizado. En 2022, Wstitanium diseñó un tubo de escape de titanio para el monoplaza de Fórmula 50 del equipo estudiantil Oxford Brookes del Reino Unido, logrando una reducción de peso del XNUMX %.
El titanio impreso en 3D es casi común en las bicicletas de alto rendimiento actuales, donde cada gramo de peso y su alta resistencia son cruciales. Un cuadro ligero de titanio, que contribuye a segundos cruciales en los tiempos de carrera y permite nuevas geometrías de diseño, es 400 gramos más ligero que la versión anterior de aluminio 7075. El titanio también se utiliza para fabricar bielas, palancas de freno, potencias, patillas de cambio e incluso cuadros completos, demostrando ser tan resistente como el aluminio y tan ligero como la fibra de carbono, sin enfrentarse a los retos de sostenibilidad de esta última. El titanio impreso en 3D permite personalizar la bicicleta según las preferencias del ciclista, y el cuadro no requiere pintura ni recubrimiento.
Wstitanium intensificará sus esfuerzos en la impresión 3D de titanio en 2024, con la intención de utilizar esta tecnología para fabricar cuadros y componentes de titanio para bicicletas, con una producción anual de más de 3 piezas. Los componentes de titanio se utilizarán en diversos modelos de bicicletas, con el objetivo de ofrecer a los clientes productos de titanio para bicicletas con mayor resistencia, ligereza y durabilidad.
Optimización del diseño de piezas de titanio con impresión 3D
El titanio es, sin duda, el material de impresión 3D más resistente de Wstitanium. Esto también lo notarás al diseñar modelos 3D con este material. Para obtener las mejores impresiones 3D de titanio que buscas, aquí tienes algunos consejos sencillos que debes tener en cuenta:
Espesor de la paredEl espesor mínimo de la pared puede ser de tan solo 0.4 mm. Para la mayoría de los materiales, este valor suele ser de 1 a 3 mm. Wstitanium recomienda un espesor mínimo de pared de al menos 1 mm para las piezas de titanio.
Tamaño del detalleCon una impresora DMLS, puede imprimir detalles muy finos. ¡La distancia entre la pared del modelo y la superficie de detalle puede ser de tan solo 0.25 mm!
PrecisiónDebido a la expansión y contracción térmica del titanio, las impresiones 3D pueden ser ligeramente más grandes o más pequeñas que el diseño original. Sin embargo, DMLS es, con diferencia, el proceso de impresión 3D de metal con mayor precisión dimensional. En aleaciones de titanio, la precisión suele ser superior al 2 %.
GeometríaLos ángulos rectos y las líneas rectas tienden a ser menos atractivos que las formas orgánicas o libres. Los ángulos inferiores a 35° suelen dar como resultado una superficie de baja calidad. Los ángulos pronunciados superiores a 35° tienden a producir superficies más finas, lisas y atractivas. El DMLS es la mejor opción para fabricar piezas con forma de malla.
Galería de piezas de titanio impresas en 3D
Wstitanium fabrica piezas de titanio impresas en 3D para diversos sectores, como bicicletas, aeroespacial, medicina y más. El titanio (TiAl 6 V 4 ) es un metal muy fuerte, ligero y resistente a la corrosión. La impresión 3D consiste en imprimir polvo de titanio junto con un láser para sinterizarlo y crear piezas con la misma calidad que los modelos mecanizados. El titanio impreso en 3D (sin pulir) no se parece al titanio fresado brillante tradicional. En cambio, presenta un acabado gris mate ligeramente más rugoso y menos definido, o un acabado satinado ligeramente reflectante.
