Services d'impression 3D en titane
Les solutions d'impression 3D proposées par Wstitanium incluent : DMLS et EBM. Fabriquez des prototypes en titane entièrement fonctionnels et des pièces en titane sur mesure en 7 jours maximum pour des applications finales.
- Prototypage de matériaux de qualité industrielle
- Géométries complexes arbitraires
- Tolérances serrées +/- 0.002"
- Réduire les étapes d'assemblage
- Pièces fonctionnelles d'utilisation finale
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Services d'impression 3D pour pièces en titane
Le titane est un métal difficile à usiner, surtout lorsqu'il s'agit de Usinage CNCD'une part, le titane présente une faible conductivité thermique. Cela signifie que lorsqu'une machine CNC, par exemple, effectue un fraisage, la chaleur générée est stockée dans l'outil. Cela peut entraîner une usure rapide de l'outil. De plus, l'usinage impliquant la découpe et l'enlèvement de matière, le processus peut entraîner d'importants déchets. Par conséquent, de nombreuses entreprises recherchent de meilleures solutions alternatives pour la fabrication de pièces en titane. L'impression 3D métal du titane s'avère être une alternative viable. La nuance de titane la plus couramment utilisée est l'alliage Ti6Al4V (Ti64). Outre le Ti64, le titane pur peut également être utilisé pour l'impression 3D.
Atelier d'impression 3D en titane
Avantages de l'impression 3D en titane
Le titane imprimé en 3D peut être fabriqué de manière économique en petites et moyennes séries. Il s'agit d'une option plus rentable que des méthodes telles que le fraisage, le tournage ou le moulage CNC, car le coût ne dépend pas de la complexité de la pièce. Pour fabriquer avec succès des produits en titane, il suffit d'une imprimante 3D et de poudre métallique, sans recourir à des outils coûteux ni à des solutions spécialisées complexes.
Réduction du gaspillage de matériaux
Comparée aux procédés de fabrication soustractive traditionnels, tels que l'usinage CNC, l'impression 3D est une technologie de fabrication additive qui génère peu de déchets de matière. Durant le processus de fabrication, la poudre de titane restante peut être utilisée pour l'impression suivante. De plus, l'impression 3D de titane permet de produire des pièces très proches de la forme finale souhaitée, réduisant ainsi les besoins importants en post-traitement et les déchets.
Optimisation de la conception
L'impression 3D permet de créer des pièces aux structures complexes et légères, difficiles, voire impossibles à fabriquer avec les méthodes traditionnelles. Cela permet d'utiliser moins de matériaux tout en préservant résistance et fonctionnalité. L'optimisation topologique des logiciels de CAO permet aux ingénieurs d'optimiser leur conception. Elle permet de consolider plusieurs pièces en une seule pièce imprimée, réduisant ainsi le temps d'assemblage, les coûts de main-d'œuvre et les risques de défaillance.
Aucun coût d'outillage ou d'installation
Pour la fonderie ou l'usinage CNC de pièces en titane, un outillage sur mesure, tel que des moules, des montages, etc., est nécessaire. L'impression 3D élimine le besoin d'outillage supplémentaire, car les pièces sont imprimées directement à partir du fichier numérique. Les modifications de conception peuvent être mises en œuvre rapidement sans nécessiter de nouvel outillage, réduisant ainsi les coûts associés aux modifications de conception.
Délai de livraison plus court
Wstitanium utilise une imprimante 3D métal interne, et la livraison d'une pièce peut prendre seulement une journée, tandis que l'usinage et le moulage CNC peuvent prendre plus de temps (comme mentionné précédemment, ils nécessitent l'utilisation d'outils ou de montages). Les services d'impression 1D offrent des délais de fabrication plus courts et permettent de commander des pièces à la demande sans avoir à constituer de stocks. Cela réduit considérablement le risque lié au capital.
Personnalisation et flexibilité
L'impression 3D permet de fabriquer des pièces sur mesure sans réassemblage, ce qui simplifie et rend plus rentable la production de petites séries ou de produits personnalisés, réduisant ainsi les coûts d'exploitation. Par exemple, pour les instruments chirurgicaux spécifiques aux patients.
L'efficacité énergétique
Les services d'impression 3D de titane, tels que la fusion par faisceau d'électrons (EBM) ou la fusion sélective par laser (SLM), sont plus économes en énergie que l'usinage CNC, en particulier si l'on considère le besoin réduit de post-traitement et de recyclage des matériaux.
Technologie d'impression 3D interne de Wstitanium
Depuis 2019, Wstitanium a investi plus de 2 millions de dollars dans les technologies d'impression 3D métal, telles que DMLM, DMLS, LPBF et LMF. Parmi elles, la fusion laser sur lit de poudre (LPBF) est la plus courante.
Le frittage laser direct de métal (DMLS) est similaire au frittage laser (SLS), mais au lieu d'utiliser du polyamide, une fine poudre de titane est utilisée pour construire le modèle couche par couche. Un mince lit de poudre de titane est déposé dans l'imprimante 3D. Cette couche est ensuite frittée et solidifiée par un laser très puissant et deviendra la couche inférieure de la pièce. Le faisceau laser se déplace sur un bac rempli de poudre. Après chaque couche, une nouvelle couche de poudre est appliquée. Le processus est ensuite répété. Retirez votre pièce de l'imprimante 3D et nettoyez toute poudre non frittée. Dans la plupart des cas, des structures de support d'impression 3D en titane sont présentes sur et autour de votre pièce. Ces supports doivent être retirés manuellement à l'aide de scies circulaires très puissantes et d'autres outils. Une fois les supports retirés, un polissage manuel est nécessaire pour éliminer les traces de support. Des étapes de post-finition peuvent ensuite être nécessaires, comme le polissage de la pièce entière.
- Dimensions maximales des pièces en titane : 250 x 250 x 320 mm
- Taille minimale de la pièce en titane : 5 mm x 5 mm x 5 mm
- Hauteur de couche par défaut : 0.04 mm
- Hauteurs de couche facultatives : 0.05 mm
- Quantité minimale de commande = 1
- Tolérance ： ± 0.02 mm
- Rugosité de surface : 150-400 Ra
- Coût : dépend principalement du poids
La fusion par faisceau d'électrons (EBM) consiste à appliquer un faisceau d'électrons sur une couche de poudre de titane, la faisant fondre et fusionner avec la couche précédente. L'EBM utilise un faisceau d'électrons à haute énergie sous vide pour fondre la poudre de titane. Le faisceau balaie un lit de poudre de titane, fondant et solidifiant le matériau couche par couche selon une conception numérique. L'EBM est considéré comme plus précis que la DMLS et convient à la fabrication de pièces en titane plus petites et plus complexes. L'EBM est particulièrement efficace pour contrôler les propriétés réactives du titane, car le vide empêche l'oxydation, un problème fréquent lorsque le titane est chauffé à l'air. Le faisceau d'électrons peut également ajuster dynamiquement la focalisation et la puissance, permettant un contrôle précis du processus de fusion, essentiel au maintien des performances et de l'intégrité structurelle des pièces en titane.
- Dimensions maximales des pièces en titane : 210 x 210 x 400 mm
- Taille minimale de la pièce en titane : 5 mm x 5 mm x 5 mm
- Module élastique : 113.8 GPa
- UTS Mpa: 1033
- Quantité minimale de commande = 1
- YS 0,2 Mpa : 973
- Allongement : 15,6 %
- Tolérance ： ± 0.02 mm
Le procédé EBM, quant à lui, est réalisé sous vide et à haute température. Il en résulte des contraintes résiduelles minimales dans les pièces imprimées en 3D, ce qui signifie également que ces pièces en titane imprimées en 3D ne nécessitent pas de traitement thermique ultérieur.
Nuances d'alliages de titane pour l'impression 3D
La nuance de titane la plus couramment utilisée pour l'impression 3D est l'alliage Ti6Al4V (Ti64). Outre le Ti64, le titane pur peut également être utilisé pour l'impression 3D. Avec le développement de la technologie d'impression 3D, les fabricants de matériaux créent une variété de poudres de titane adaptées à l'impression 3D. Ces poudres métalliques sont soigneusement conçues avec une granulométrie et une forme uniformes, ce qui améliore la fluidité et la densité de tassement sur le plateau d'impression. Cette amélioration permet une impression plus fluide et plus détaillée, et améliore les propriétés mécaniques en réduisant les inclusions et la porosité. La plupart des impressions 3D au titane utilisent des alliages de titane (matériaux métalliques contenant des alliages de titane et d'autres éléments) plutôt que du titane pur. Le type d'alliage de titane utilisé dépend de l'application d'impression 3D spécifique. Le tableau ci-dessous présente quelques variétés courantes.
| Aluminium | Alliage | Description | Applications |
| Ti-6Al-4V | 5 | L'alliage de titane le plus courant et le plus important pour l'impression 3D, avec un excellent rapport résistance/poids, résistance à la corrosion et biocompatibilité | Composants aérospatiaux, composants automobiles, instruments chirurgicaux, implants médicaux |
| Ti-6Al-4V-ELI | 23 | Cet alliage de titane plus pur présente un « interstitiel extra-faible », ce qui le rend légèrement plus faible que le grade 5 mais meilleur pour les applications biomédicales | Instruments chirurgicaux, implants médicaux |
| Ti-6Al 2Sn-4Zr-2Mo | Un alliage de titane quasi alpha à haute résistance et excellente résistance à la corrosion | Composants aérospatiaux, composants aéronautiques, composants marins | |
| Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr | Un alliage de titane bêta à haute résistance et ténacité qui s'avère prometteur dans l'impression 3D en raison de sa faible usinabilité | Composants industriels |
Le titane grade 5 6Al-4V est l'alliage de titane le plus couramment utilisé en fabrication additive. Il est idéal pour les prototypes et les pièces fonctionnelles dans les secteurs aérospatial, automobile et militaire. C'est également un excellent matériau pour la fabrication de pièces à géométrie complexe et de précision, ainsi que pour les outils de production. Le titane grade 23 6Al-4V est un alliage biocompatible souvent utilisé dans les implants médicaux et les prothèses. Le titane grade 21S présente une résistance supérieure à celle des alliages de titane traditionnels tels que le Ti-6Al-4V, ainsi qu'une meilleure résistance à l'oxydation et au fluage que les alliages de titane traditionnels tels que le Ti-15V-3Cr. De tous les alliages de titane, le titane grade 21 présente la plus faible efficacité d'absorption d'hydrogène. Il est idéal pour les implants orthopédiques et les applications pour moteurs aérospatiaux. Le titane grade 1 est largement utilisé en correction dentaire. Les grades 2 et 15 de Cp-Ti (titane pur) sont largement utilisés dans le domaine médical en raison de leur biocompatibilité avec le corps humain. Le TA15 est un alliage de titane quasi-alpha additionné d'aluminium et de zirconium. Les pièces fabriquées en TAXNUMX ont une résistance spécifique élevée, une capacité de charge élevée et une résistance à la température, de sorte qu'elles peuvent être utilisées pour les pièces lourdes dans la fabrication d'avions et de moteurs.
Traitement de surface des pièces en titane imprimées en 3D
Wstitanium propose des composants en titane avec des finitions de surface spécifiques. Des options telles que la robustesse, la résistance à la rouille et la conductivité métallique peuvent être ajoutées aux pièces en titane lors du post-traitement. Les traitements de surface proposés par les services d'impression 3D titane de Wstitanium incluent le grenaillage, le polissage électrochimique, l'usinage CNC, le traitement thermique, et bien plus encore.
Sablage
Le sablage permet d'éliminer les défauts, les piqûres, la rouille et autres contaminants de la surface des pièces. Il est souvent utilisé pour préparer les pièces au revêtement. Différentes méthodes de sablage sont utilisées, notamment le micro-sablage, le grenaillage à la brosse, le grenaillage à la bille, etc. Le sablage utilise des abrasifs tels que des grains d'acier, du carbure de silicium, de la pierre ponce, etc.
Grenaillage
Le grenaillage de précontrainte permet d'améliorer la résistance d'une pièce et de réduire sa répartition des contraintes. Lors du grenaillage, la pièce est soumise à de multiples tirs, ce qui provoque des déformations à sa surface. Ce procédé ajoute une couche de contrainte de compression.
Polissage optique
Le polissage optique est économique et produit un effet de surface brillant. Il crée une micro-finition ou une super-finition à la surface de la pièce, en préparation du traitement ultérieur. Les procédés de polissage optique sont particulièrement adaptés aux projets à faible volume et aux géométries indépendantes des tolérances.
Polissage électrochimique
Le polissage électrochimique produit un fini miroir sur les pièces métalliques et peut également servir à préparer une pièce à une finition ultérieure. Dans ce procédé, la pièce est placée dans une solution électrolytique contenant une cathode en cuivre ou en plomb. Un courant électrique traverse la solution, lissant la surface de la pièce.
Electroplating
La galvanoplastie consiste à ajouter une couche métallique à l'extérieur d'une pièce, augmentant ainsi sa résistance et sa durabilité. Elle dissout le métal dans une solution électrolytique et le transfère à la surface de la pièce. Le cuivre et le zinc sont parmi les métaux les plus couramment utilisés dans le procédé de galvanoplastie.
Finition/Usinage CNC
L'usinage CNC améliore la résistance à l'usure, la conductivité du métal, la robustesse, la résistance à la rouille, et bien plus encore. La finition CNC peut améliorer l'apparence de la pièce et la préparer au revêtement final. La finition peut impliquer un revêtement par poudre, un sablage, une passivation et une anodisation.
Traitement thermique
Le traitement thermique améliore les propriétés mécaniques du titane, telles que sa résistance et sa ténacité. Il s'agit d'une étape cruciale pour les pièces soumises à de fortes contraintes.
| Titane TiAl4V traité thermiquement | Valeur |
|---|---|
| Limite d'élasticité Rp 0.2 % | 950-1050 MPa |
| Résistance ultime à la traction Rm | 1000-1150 MPa |
| Allongement à la rupture | 9 to 15 % |
| Module d'Young | GPU 105-125 |
| Densité Relative | 99.5% |
Pressage isostatique à chaud (HIP)
Le procédé HIP élimine la porosité interne des pièces en titane, les rendant plus denses et plus résistantes. Au cours de ce procédé, l'alliage de titane est chauffé à 1000 60 °C pendant XNUMX minutes sous atmosphère d'argon, puis refroidi lentement.
| Titane TiAl4V HIP | Valeur |
|---|---|
| Limite d'élasticité Rp 0.2 % | 870-950 MPa |
| Résistance ultime à la traction Rm | 950-1050 MPa |
| Allongement à la rupture | 13-16% |
| Module d'Young | 105h125-XNUMXhXNUMX GPA |
| Densité Relative | 99.5% |
Application de l'impression 3D de pièces en titane
Les pièces en titane imprimées en 3D sont un enjeu majeur de l'industrie manufacturière. L'impression 3D en titane a révolutionné de nombreux secteurs, permettant de proposer des produits légers et robustes aux designs innovants (souvent personnalisés). Les principaux domaines d'application des pièces imprimées en 3D sont : l'aérospatiale, le médical, l'automobile, le cyclisme/la course automobile, la chimie, la marine, etc.
L'absence de toxicité, la grande solidité et la résistance à la corrosion du titane en font un matériau attractif pour les implants orthopédiques et dentaires. De plus en plus de fabricants de produits médicaux intègrent l'impression 3D à leurs processus de fabrication, et le nombre d'implants chirurgicaux imprimés à base de titane approuvés par la FDA américaine ne cesse de croître. Grâce à l'impression 3D, les fabricants de dispositifs médicaux peuvent fabriquer des implants aux structures poreuses complexes. Ces structures imitent notamment la structure osseuse humaine, permettant ainsi aux cellules osseuses de les reconnaître comme des supports de croissance. Dans le secteur médical, les implants en titane imprimés en 3D ont fait leurs preuves dans les applications pour la colonne vertébrale, la hanche, le genou et les membres grâce à la biocompatibilité intrinsèque et aux excellentes propriétés mécaniques du titane. De plus, la possibilité d'imprimer en 3D des structures poreuses personnalisées (permettant ainsi une intégration osseuse) et la personnalisation de masse permettent d'obtenir de meilleurs résultats thérapeutiques pour les patients.
En 2023, les pièces imprimées en 3D de Wstitanium pour les remplacements de poignet et de cheville destinés aux patients traités à l'hôpital universitaire de North Midlands au Royaume-Uni ont reçu de nombreux éloges de la part du personnel médical et des patients.
Le rapport résistance/poids du titane permet la production de composants complexes plus légers et plus durables que ceux fabriqués à partir de matériaux traditionnels, rendant les avions non seulement plus économes en carburant, mais aussi capables de résister aux contraintes extrêmes du vol. Dans l'industrie aérospatiale, certaines pièces imprimées en 3D à base de titane sont actuellement utilisées dans des applications commerciales et militaires, et de nombreux autres prototypes sont en cours de certification auprès de la Federal Aviation Administration. Les pièces en titane imprimées en 3D sont très appréciées pour leur faible ratio « buy to fly », un terme aérospatial qui désigne le rapport entre le poids du matériau initial et celui de la pièce imprimée. Les pièces en titane imprimées en 3D contribuent à réduire le poids des structures fortement sollicitées, ce qui les rend idéales pour les moteurs à réaction, les turbines à gaz et de nombreux composants de cellule.
Par exemple, Liebherr a réduit le poids du support de 29 % et augmenté sa rigidité. L'équipementier aéronautique Liebherr-Aerospace & Transportation SAS lancera la production en série de supports de train d'atterrissage avant en titane imprimés en 3D pour l'Airbus A350 XWB en 2023. Ces supports seront les premières pièces Airbus à être produites en titane imprimé en 3D.
L'industrie automobile a adopté l'impression 3D titane plus lentement que les secteurs aérospatial et médical. Malgré les mêmes avantages, le marché automobile grand public est très soucieux des coûts, ce qui limite l'utilisation de ce matériau coûteux dans la plupart des véhicules. Les pièces en titane imprimées en 3D facilitent le développement de voitures personnalisées hautes performances. Les constructeurs peuvent créer des pièces en titane légères mais robustes, telles que des engrenages et des supports, ce qui contribue à réduire le poids total du véhicule et à améliorer ses performances. Cette application est cruciale dans le secteur des véhicules électriques, où l'efficacité et l'autonomie des batteries peuvent être considérablement améliorées grâce à la réduction du poids du véhicule. Actuellement, les pièces imprimées en 3D titane sont largement utilisées dans les voitures de course et de luxe, où le poids et les performances sont des facteurs importants.
Dans le secteur automobile, l'un des exemples les plus marquants de l'impression 3D en titane est l'étrier de frein développé par Bugatti pour sa supercar Bugatti Chiron. Cet étrier, élément essentiel du système de freinage, mesure 41 x 21 x 13.6 cm et a été imprimé en 3D en 45 heures grâce à la technologie DSLM. La pièce finie serait environ 40 % plus légère que la version en aluminium usiné. En 2022, Wstitanium a conçu un pot d'échappement en titane pour la Formule 50 de l'équipe étudiante d'Oxford Brookes au Royaume-Uni, obtenant une réduction de poids de XNUMX %.
Le titane imprimé en 3D est quasiment omniprésent sur les vélos haute performance actuels, où chaque gramme de poids et de résistance est crucial. Un cadre léger tout en titane, qui compte pour des secondes cruciales en course et permet de nouvelles géométries, est 400 grammes plus léger que la version précédente en aluminium 7075. Le titane est également utilisé pour fabriquer des manivelles, des leviers de frein, des potences, des pattes de dérailleur et même des cadres complets, se révélant aussi résistant que l'aluminium et aussi léger que la fibre de carbone, sans les contraintes de durabilité de cette dernière. Le titane imprimé en 3D permet de personnaliser le vélo selon les préférences du cycliste, et le cadre ne nécessite ni peinture ni revêtement.
Wstitanium intensifiera ses efforts d'impression 3D en titane en 2024 et prévoit d'utiliser cette technologie pour fabriquer des cadres et des composants de vélo en titane, avec une production annuelle de plus de 3 2,000 pièces. Les composants en titane équiperont divers modèles de vélos, offrant ainsi aux clients des produits plus résistants, plus légers et plus durables.
Optimisation de la conception des pièces en titane imprimées en 3D
Le titane est de loin le matériau d'impression 3D le plus résistant parmi les matériaux Wstitanium. Vous le constaterez également lors de la conception de modèles 3D pour ce matériau. Pour obtenir les meilleures impressions 3D en titane que vous recherchez, voici quelques conseils simples à garder à l'esprit :
EpaisseurL'épaisseur minimale de la paroi peut descendre jusqu'à 0.4 mm ! Pour la plupart des matériaux, cette valeur est généralement comprise entre 1 et 3 mm. Wstitanium recommande de respecter une épaisseur de paroi minimale d'au moins 1 mm pour les pièces en titane.
Taille de détailAvec une imprimante DMLS, vous pouvez imprimer des détails très fins. La distance entre la paroi du modèle et la surface détaillée peut être aussi faible que 0.25 mm !
La précisionEn raison de la dilatation et de la contraction thermiques du titane, les impressions 3D peuvent être légèrement plus grandes ou plus petites que votre modèle d'origine. Cependant, le DMLS est de loin le procédé d'impression 3D métal le plus précis en termes de dimensions. Pour les alliages de titane, la précision est généralement supérieure à 2 %.
GéométrieLes angles droits et les lignes droites ont tendance à être moins esthétiques que les formes organiques ou libres. Les angles inférieurs à 35° ont tendance à produire une qualité de surface médiocre. Les angles raides supérieurs à 35° produisent des surfaces plus fines, plus lisses et plus esthétiques. Le DMLS est la meilleure option pour la fabrication de pièces en forme de maillage.
Galerie de pièces en titane imprimées en 3D
Wstitanium fabrique des pièces en titane imprimées en 3D pour divers secteurs, notamment le vélo, l'aérospatiale, le médical, etc. Le titane (TiAl6V4) est un matériau métallique très solide, léger et résistant à la corrosion. L'impression 3D consiste à imprimer de la poudre de titane avec un laser pour la fritter et créer des pièces aussi performantes que des modèles usinés. Le titane imprimé en 3D (non poli) ne ressemble pas au titane fraisé brillant traditionnel. Il présente plutôt une finition gris mat, légèrement plus rugueuse et moins définie, ou une finition satinée légèrement réfléchissante.
