Servizi di stampa 3D in titanio
Le soluzioni di stampa 3D fornite da Wstitanium includono: DMLS, EBM. Realizza prototipi in titanio completamente funzionali e componenti personalizzati in titanio in 7 giorni o meno per applicazioni finali.
- Prototipazione di materiali di qualità produttiva
- Geometrie complesse arbitrarie
- Tolleranze strette +/- 0.002"
- Ridurre i passaggi di assemblaggio
- Parti funzionali per uso finale
Laboratorio Wstitanium
Le nostre potenti strutture
Servizi di stampa 3D per parti in titanio
Il titanio è un metallo difficile da lavorare, soprattutto quando si tratta di Lavorazione CNCInnanzitutto, il titanio ha una bassa conduttività termica. Ciò significa che quando una macchina CNC, ad esempio, esegue una fresatura, il calore generato viene immagazzinato nell'utensile. Questo può causarne una rapida usura. Inoltre, poiché la lavorazione prevede il taglio e la rimozione di materiale, il processo può comportare un notevole spreco di materiale. Di conseguenza, molte aziende sono alla ricerca di soluzioni alternative migliori per la produzione di componenti in titanio. La stampa 3D in metallo del titanio si sta dimostrando una valida alternativa. Il grado di titanio più comunemente utilizzato è la lega Ti6Al4V (Ti64). Oltre al Ti64, anche il titanio puro può essere utilizzato per la stampa 3D.
Laboratorio di stampa 3D Wstitanium
Vantaggi della stampa 3D del titanio
Il titanio stampato in 3D può essere prodotto in modo economico in lotti piccoli e medi. Rappresenta un'opzione più conveniente rispetto a metodi come la fresatura CNC, la tornitura o la fusione, poiché il costo non dipende dalla complessità del pezzo. Per realizzare con successo prodotti in titanio, sono sufficienti una stampante 3D e polvere metallica, anziché affidarsi a costosi utensili o complesse soluzioni specializzate.
Riduzione degli sprechi di materiale
Rispetto ai tradizionali processi di produzione sottrattiva, come la lavorazione CNC, la stampa 3D è una tecnologia di produzione additiva che non genera grandi sprechi di materiale. Durante il processo di produzione, la polvere di titanio rimanente può essere utilizzata per la stampa successiva. Inoltre, la stampa 3D del titanio può produrre parti molto vicine alla forma finale desiderata, riducendo la necessità di lunghe fasi di post-lavorazione e riducendo ulteriormente gli sprechi.
Ottimizzazione del design
La stampa 3D è in grado di creare componenti con strutture complesse e leggere, difficili o impossibili da produrre con i metodi tradizionali. Ciò significa utilizzare meno materiale mantenendo resistenza e funzionalità. Uno dei modi in cui gli ingegneri ottengono l'ottimizzazione del progetto è attraverso l'ottimizzazione topologica nei software CAD, che consolida più parti in un unico pezzo stampato, riducendo così i tempi di assemblaggio, i costi di manodopera e i potenziali punti di guasto.
Nessun costo di attrezzaggio o installazione
Sia per la fusione che per la lavorazione CNC di componenti in titanio, è necessario utilizzare utensili personalizzati come stampi, attrezzature, ecc. La stampa 3D elimina la necessità di utensili aggiuntivi poiché i componenti vengono stampati direttamente dal file digitale. Le modifiche al design del componente possono essere implementate rapidamente senza la necessità di nuovi utensili, riducendo i costi associati alle modifiche progettuali.
Tempi di consegna più brevi
Wstitanium utilizza una stampante 3D in metallo interna e la consegna di un singolo pezzo può richiedere solo un giorno, mentre la lavorazione CNC e la fusione possono richiedere più tempo (come accennato in precedenza, richiedono l'ausilio di utensili o attrezzature). I servizi di stampa 1D offrono tempi di produzione più brevi ed è possibile ordinare pezzi su richiesta senza dover disporre di scorte di magazzino. Questo riduce notevolmente il rischio di capitale.
Personalizzazione e flessibilità
La stampa 3D consente di realizzare parti personalizzate senza riassemblarle, rendendo più semplice ed economica la produzione di piccoli lotti o prodotti personalizzati, riducendo ulteriormente i costi operativi. Ad esempio, strumenti chirurgici specifici per il paziente.
Efficienza energetica
I servizi di stampa 3D del titanio, come la fusione a fascio di elettroni (EBM) o la fusione laser selettiva (SLM), sono più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alla lavorazione CNC, soprattutto se si considera la ridotta necessità di post-elaborazione e riciclaggio dei materiali.
Tecnologia di stampa 3D interna Wstitanium
Dal 2019, Wstitanium ha investito oltre 2 milioni di dollari in tecnologie di stampa 3D in metallo, come DMLM, DMLS, LPBF e LMF. Tra queste, la fusione laser a letto di polvere (LPBF) è la più comune.
La sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) è simile alla tecnologia di sinterizzazione laser (SLS), ma invece di utilizzare poliammide, viene utilizzata polvere di titanio fine per costruire il modello strato per strato. Un sottile letto di polvere di titanio viene depositato nella stampante 3D. Questo strato viene quindi sinterizzato e solidificato da un laser molto potente e diventerà lo strato inferiore del pezzo. Il raggio laser si muove su un contenitore pieno di polvere. Dopo ogni strato, viene applicato un nuovo strato di polvere. Il processo viene quindi ripetuto. Rimuovi il pezzo dalla stampante 3D e rimuovi eventuali residui di polvere non sinterizzata. Nella maggior parte dei casi, sul pezzo e attorno ad esso saranno presenti strutture di supporto per la stampa 3D in titanio. Questi supporti devono essere rimossi manualmente utilizzando seghe circolari molto potenti e altri utensili. Una volta rimossi i supporti, è necessaria una lucidatura manuale per rimuoverne le tracce. Potrebbero quindi essere necessari passaggi di post-finitura, come la lucidatura dell'intero pezzo.
- Dimensione massima della parte in titanio: 250 x 250 x 320 mm
- Dimensione minima della parte in titanio: 5 mm x 5 mm x 5 mm
- Altezza livello predefinita: 0.04 mm
- Altezze degli strati opzionali: 0.05 mm
- Quantità minima richiesta=1
- Tolleranza ： ± 0.02 mm
- Rugosità superficiale: 150-400 Ra
- Costo: dipende principalmente dal peso
L'EBM (Electron Beam Melting) si riferisce all'applicazione di un fascio di elettroni a uno strato di polvere di titanio, fondendolo e fondendolo con lo strato precedente. L'EBM utilizza un fascio di elettroni ad alta energia sotto vuoto per fondere la polvere di titanio. Il fascio esplora un letto di polvere di titanio, fondendo e solidificando il materiale strato per strato secondo un progetto digitale. L'EBM è considerata più precisa della DMLS ed è adatta alla realizzazione di componenti in titanio più piccoli e complessi. L'EBM è particolarmente efficace nel controllo delle proprietà reattive del titanio perché l'ambiente sotto vuoto previene l'ossidazione, un problema comune quando il titanio viene riscaldato in aria. Il fascio di elettroni può anche regolare dinamicamente la messa a fuoco e la potenza, consentendo un controllo preciso del processo di fusione, fondamentale per mantenere le prestazioni e l'integrità strutturale dei componenti in titanio.
- Dimensione massima della parte in titanio: 210 x 210 x 400 mm
- Dimensione minima della parte in titanio: 5 mm x 5 mm x 5 mm
- Modulo elastico: 113.8 GPa
- UTS Mpa: 1033
- Quantità minima richiesta=1
- YS 0,2 Mpa : 973
- Allungamento: 15,6 %
- Tolleranza ： ± 0.02 mm
Il processo EBM, invece, viene eseguito sotto vuoto e ad alte temperature. Ciò si traduce in stress residui minimi nei pezzi stampati in 3D, il che significa anche che questi pezzi in titanio stampati in 3D non richiedono trattamenti termici successivi.
Gradi di lega di titanio per la stampa 3D
Il grado di titanio più comunemente utilizzato per la stampa 3D è la lega Ti6Al4V (Ti64). Oltre al Ti64, anche il titanio puro può essere utilizzato per la stampa 3D. Con lo sviluppo della tecnologia di stampa 3D, i produttori di materiali creano una varietà di polveri di titanio adatte alla stampa 3D. Queste polveri metalliche sono accuratamente progettate con dimensioni e forma delle particelle uniformi, il che migliora la fluidità e la densità di compattazione sul piano di stampa. Questo miglioramento consente una stampa più fluida e dettagliata e migliora le proprietà meccaniche riducendo inclusioni e porosità. La maggior parte della stampa 3D del titanio utilizza leghe di titanio (materiali metallici contenenti leghe di titanio con altri elementi) anziché titanio puro. Il tipo di lega di titanio utilizzata dipende dalla specifica applicazione di stampa 3D. Alcune varietà comuni sono mostrate nella tabella seguente.
| Lega | Classe | Descrizione | Applicazioni |
| Ti-6Al-4V | 5 | La lega di titanio più comune e importante per la stampa 3D, con eccellente rapporto resistenza/peso, resistenza alla corrosione e biocompatibilità | Componenti aerospaziali, componenti automobilistici, strumenti chirurgici, impianti medici |
| Ti-6Al-4V-ELI | 23 | Questa lega di titanio più pura ha un “interstizio extra-basso”, rendendola leggermente più debole del Grado 5 ma migliore per le applicazioni biomediche | Strumenti chirurgici, impianti medici |
| Ti-6Al 2Sn-4Zr-2Mo | Una lega di titanio quasi alfa con elevata resistenza ed eccellente resistenza alla corrosione | Componenti aerospaziali, componenti aeronautici, componenti marini | |
| Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr | Una lega di titanio beta con elevata resistenza e tenacità che si dimostra promettente nella stampa 3D grazie alla sua scarsa lavorabilità | Componenti industriali |
Il titanio grado 5 6Al-4V è la lega di titanio più comunemente utilizzata nella produzione additiva ed è ideale per prototipi e parti funzionali nei settori aerospaziale, automobilistico e militare. È anche un materiale eccellente per la produzione di componenti con geometrie complesse e precisione, nonché per utensili di produzione. Il titanio grado 23 6Al-4V è una lega biocompatibile spesso utilizzata in impianti e protesi mediche. Il titanio grado Beta 21S ha una resistenza maggiore rispetto alle leghe di titanio tradizionali come il Ti-6Al-4V e presenta anche una migliore resistenza all'ossidazione e al creep rispetto alle leghe di titanio tradizionali come il Ti-15V-3Cr. Tra tutte le leghe di titanio, il titanio grado 21 ha la più bassa efficienza di assorbimento dell'idrogeno. È ideale per impianti ortopedici e applicazioni nei motori aerospaziali. Il titanio beta è ampiamente utilizzato nelle correzioni dentali. I gradi 1 e 2 del Cp-Ti (titanio puro) sono ampiamente utilizzati in campo medico grazie alla loro biocompatibilità con il corpo umano. Il TA15 è una lega di titanio quasi alfa con additivi di alluminio e zirconio. I componenti realizzati in TA15 presentano un'elevata resistenza specifica, un'elevata capacità di carico e una buona resistenza alle temperature, il che ne consente l'utilizzo per componenti pesanti nella produzione di aeromobili e motori.
Trattamento superficiale di parti in titanio stampate in 3D
Wstitanium offre componenti in titanio con finiture superficiali specializzate. Opzioni come resistenza, resistenza alla ruggine e conduttività del metallo possono essere aggiunte ai componenti in titanio durante la post-lavorazione. I trattamenti superficiali offerti dai servizi di stampa 3D in titanio di Wstitanium includono pallinatura, lucidatura elettrochimica e lavorazione CNC, trattamento termico e altro ancora.
Sabbiatura
La sabbiatura può rimuovere difetti, corrosioni, ruggine e altri contaminanti dalla superficie dei componenti. Viene spesso utilizzata per preparare i componenti al rivestimento. Diversi metodi di sabbiatura includono la microsabbiatura, la sabbiatura a spazzola, la pallinatura, ecc. La sabbiatura utilizza abrasivi come graniglia d'acciaio, carburo di silicio, pomice, ecc.
Pallinatura
La pallinatura può aumentare la resistenza di un componente e ridurne la distribuzione delle tensioni. Durante il processo di pallinatura, il componente viene sottoposto a più colpi, che causano deformazioni superficiali. Il processo crea uno strato di tensioni compressive.
Lucidatura ottica
La lucidatura ottica è conveniente e offre un effetto superficiale brillante. La lucidatura ottica crea una micro-finitura o una super-finitura sulla superficie del componente, preparandolo per le successive lavorazioni. I processi di lucidatura ottica sono particolarmente adatti per progetti con geometrie a basso volume e non soggette a tolleranze.
Lucidatura elettrochimica
La lucidatura elettrochimica produce una finitura a specchio sui componenti metallici e può essere utilizzata anche per preparare un pezzo per un'ulteriore finitura. In questo processo, il pezzo viene immerso in una soluzione elettrolitica con un catodo di rame o piombo. Una corrente elettrica scorre attraverso la soluzione, levigando la superficie del pezzo.
Galvanotecnica
La galvanoplastica aggiunge uno strato metallico all'esterno di un componente, aumentandone la resistenza e la durata. La galvanoplastica dissolve il metallo in una soluzione elettrolitica e lo trasferisce sulla superficie del componente. Alcuni dei metalli più comuni utilizzati nel processo di galvanoplastica sono rame e zinco.
Finitura/lavorazione CNC
La lavorazione CNC aggiunge resistenza all'usura, conduttività del metallo, robustezza, resistenza alla ruggine e altro ancora. La finitura CNC può migliorare l'aspetto del pezzo e prepararlo per il rivestimento finale. La finitura può includere verniciatura a polvere, sabbiatura, passivazione e anodizzazione.
Trattamento termico
Il trattamento termico migliora le proprietà meccaniche del titanio, come resistenza e tenacità. Questo è un passaggio fondamentale per i componenti sottoposti a sollecitazioni elevate.
| Titanio TiAl4V trattato termicamente | Valore |
|---|---|
| Limite di snervamento Rp 0.2% | 950-1050 MPa |
| Resistenza alla trazione massima Rm | 1000-1150 MPa |
| Allungamento a rottura | 9-15% |
| Modulo di Young | 105-125 GPa |
| Densità relativa | 99.5% |
Pressatura Isostatica a Caldo (HIP)
L'HIP elimina la porosità interna nei componenti in titanio, rendendoli più densi e resistenti. Durante questo processo, la lega di titanio viene riscaldata a 1000 °C per 60 minuti in atmosfera di argon e poi raffreddata lentamente.
| Titanio TiAl4V HIP | Valore |
|---|---|
| Limite di snervamento Rp 0.2% | 870-950 MPa |
| Resistenza alla trazione massima Rm | 950-1050 MPa |
| Allungamento a rottura | 13-16% |
| Modulo di Young | 105-125 GPA |
| Densità relativa | 99.5% |
Applicazione di parti in titanio per stampa 3D
I componenti in titanio stampati in 3D sono un'importante priorità nel settore manifatturiero. La stampa 3D del titanio ha cambiato le regole del gioco in diversi settori, con l'obiettivo di fornire prodotti leggeri e resistenti con design innovativi (spesso personalizzati). I principali settori di applicazione dei componenti stampati in 3D sono: aerospaziale, medicale, automobilistico, ciclistico/da corsa, chimico, navale, ecc.
La non tossicità, l'elevata resistenza e la resistenza alla corrosione del titanio lo rendono un materiale interessante per impianti ortopedici e dentali. Con l'aumento del numero di produttori di dispositivi medicali che includono servizi di stampa 3D nelle loro capacità produttive, il numero di impianti chirurgici stampati in titanio approvati dalla FDA statunitense continua a crescere. In combinazione con la stampa 3D, i produttori di dispositivi medicali possono realizzare impianti con strutture porose complesse. In particolare, queste strutture imitano la struttura delle ossa umane, quindi le cellule ossee le riconoscono come impalcature per la crescita. Nel settore medicale, gli impianti in titanio stampati in 3D hanno avuto successo in applicazioni su colonna vertebrale, anca, ginocchio e arti grazie all'intrinseca biocompatibilità del titanio e alle buone proprietà meccaniche. Inoltre, la possibilità di stampare in 3D strutture porose personalizzate (ottenendo così l'integrazione ossea) e la personalizzazione di massa consentono di ottenere migliori effetti terapeutici per i pazienti.
Nel 2023, le parti stampate in 3D di Wstitanium per le protesi di polso e caviglia destinate ai pazienti ricoverati presso l'ospedale universitario di North Midlands nel Regno Unito hanno ricevuto grandi elogi da medici e pazienti.
Il rapporto resistenza/peso del titanio consente la produzione di componenti complessi più leggeri e resistenti rispetto a quelli realizzati con materiali tradizionali, rendendo gli aeromobili non solo più efficienti nei consumi, ma anche in grado di resistere alle sollecitazioni estreme del volo. Nell'industria aerospaziale, alcuni componenti realizzati in titanio tramite stampa 3D sono attualmente utilizzati in applicazioni commerciali e militari, e molti altri prototipi sono in fase di certificazione da parte della Federal Aviation Administration. I componenti in titanio stampati in 3D sono molto apprezzati per il loro basso rapporto "buy to fly", un termine aerospaziale che si riferisce alla correlazione tra il peso del materiale iniziale e il peso del componente stampato. I componenti in titanio stampati in 3D contribuiscono a ridurre il peso delle strutture sottoposte a carichi elevati, rendendoli ideali per motori a reazione, turbine a gas e molti componenti della cellula.
Ad esempio, Liebherr ha ridotto il peso della staffa del 29% e ne ha aumentato la rigidità. Il fornitore aerospaziale Liebherr-Aerospace & Transportation SAS inizierà la produzione in serie di staffe per il carrello di atterraggio anteriore in titanio stampate in 3D per l'Airbus A350 XWB nel 2023. Queste staffe saranno i primi componenti Airbus ad essere prodotti utilizzando titanio stampato in 3D.
L'industria automobilistica non è stata altrettanto rapida nell'adottare la stampa 3D in titanio rispetto ai settori aerospaziale e medicale. Pur offrendo gli stessi vantaggi, il mercato automobilistico di consumo è molto attento ai costi, il che limita l'uso di questo costoso materiale nella maggior parte dei veicoli. I componenti in titanio stampati in 3D facilitano lo sviluppo di auto personalizzate ad alte prestazioni. I produttori possono creare componenti in titanio leggeri ma resistenti, come ingranaggi e staffe, contribuendo a ridurre il peso complessivo del veicolo e a migliorarne le prestazioni. Questa applicazione è fondamentale nel settore dei veicoli elettrici, dove l'efficienza e l'autonomia della batteria possono essere significativamente migliorate riducendo il peso del veicolo. Attualmente, i componenti in titanio stampati in 3D sono ampiamente utilizzati nelle auto da corsa e di lusso, dove peso e prestazioni sono fattori importanti.
Nel settore automobilistico, uno degli esempi più importanti di stampa 3D in titanio è la pinza freno sviluppata da Bugatti per la sua supercar Bugatti Chiron. La pinza freno, parte fondamentale del sistema frenante, misura 41 x 21 x 13.6 cm ed è stata stampata in 3D in 45 ore utilizzando la tecnologia DSLM. Si dice che il pezzo finito sia circa il 40% più leggero rispetto all'alternativa in alluminio lavorato. Nel 2022, Wstitanium ha progettato un tubo di scarico in titanio per la monoposto di Formula 50 del team studentesco Oxford Brookes nel Regno Unito, ottenendo una riduzione del peso del XNUMX%.
Il titanio stampato in 3D è ormai un materiale pressoché comune nelle bici ad alte prestazioni di oggi, dove ogni grammo di peso e l'elevata resistenza sono fondamentali. Un telaio leggero interamente in titanio, che contribuisce a determinare secondi cruciali nei tempi di gara e consente nuove geometrie di design, è 400 grammi più leggero della precedente versione in alluminio 7075. Il titanio viene utilizzato anche per realizzare pedivelle, leve freno, attacchi manubrio, forcellini del deragliatore e persino telai completi, dimostrandosi resistente come l'alluminio e leggero come la fibra di carbonio, senza dover affrontare le sfide di sostenibilità di quest'ultima. Il titanio stampato in 3D permette di personalizzare la bici in base alle preferenze del ciclista e il telaio non richiede alcuna verniciatura o rivestimento.
Wstitanium incrementerà i suoi sforzi nella stampa 3D del titanio nel 2024, prevedendo di utilizzare la tecnologia di stampa 3D per produrre telai e componenti per biciclette in titanio, con una produzione annua di oltre 2,000 pezzi. I componenti in titanio saranno utilizzati su una varietà di modelli di biciclette, con l'obiettivo di fornire ai clienti prodotti in titanio con maggiore resistenza, leggerezza e durata.
Ottimizzazione del design delle parti in titanio per la stampa 3D
Il titanio è di gran lunga il materiale per stampa 3D più resistente di Wstitanium. Lo noterai anche quando progetterai modelli 3D con questo materiale. Per ottenere le migliori stampe 3D in titanio che stai cercando, ecco alcuni semplici consigli da tenere a mente:
Spessore parete: Lo spessore minimo della "parete" può arrivare fino a 0.4 mm! Per la maggior parte dei materiali, questo valore è in genere compreso tra 1 e 3 mm. Wstitanium raccomanda di attenersi a uno spessore minimo della parete di almeno 1 mm per le parti in titanio.
Dimensione del dettaglioCon una stampante DMLS, è possibile stampare dettagli molto precisi. La distanza tra la parete del modello e la superficie del dettaglio può essere di soli 0.25 mm!
Precisione: A causa dell'espansione e della contrazione termica del titanio, le stampe 3D potrebbero risultare leggermente più grandi o più piccole del progetto originale. Tuttavia, la DMLS è di gran lunga il processo di stampa 3D in metallo con la maggiore precisione dimensionale. Per le leghe di titanio, la precisione è in genere superiore al 2%.
Geometria: Angoli retti e linee rette tendono ad avere un aspetto meno gradevole rispetto alle forme organiche o libere. Angoli inferiori a 35° tendono a causare una scarsa qualità superficiale. Angoli ripidi superiori a 35° tendono a produrre superfici più fini, lisce e dall'aspetto migliore. La DMLS è l'opzione migliore per realizzare parti a forma di mesh.
Galleria di parti in titanio stampate in 3D
Wstitanium produce componenti in titanio stampati in 3D per una varietà di settori, tra cui biciclette, aerospaziale, medicale e altro ancora. Il titanio (TiAl6V4) è un materiale metallico molto robusto, leggero e resistente alla corrosione. La stampa 3D consiste nella stampa di polvere di titanio con un laser per sinterizzarla e creare parti di qualità pari a quella dei modelli lavorati meccanicamente. Il titanio stampato in 3D (non lucidato) non ha l'aspetto del tradizionale titanio fresato lucido. Presenta invece una finitura grigia opaca leggermente più ruvida e meno definita, oppure una finitura satinata leggermente riflettente.
