Usługi drukowania 3D z tytanu

Rozwiązania druku 3D dostarczane przez Wstitanium obejmują: DMLS, EBM. Produkcja w pełni funkcjonalnych prototypów tytanowych i niestandardowych części tytanowych w ciągu 7 dni lub krócej w przypadku części końcowych do zastosowań końcowych.

Usługi drukowania 3D dla części tytanowych

Tytan jest trudnym do obróbki metalem, szczególnie jeśli chodzi o Obróbka CNC. Po pierwsze, tytan ma niską przewodność cieplną. Oznacza to, że gdy maszyna CNC, na przykład, wykonuje frezowanie, generowane ciepło jest magazynowane w narzędziu. Może to spowodować szybkie zużycie narzędzia. Ponadto, ponieważ obróbka obejmuje cięcie i usuwanie materiału, proces ten może skutkować dużą ilością odpadów materiałowych. W rezultacie wiele firm poszukuje lepszych alternatywnych rozwiązań do produkcji części tytanowych. Metalowy druk 3D tytanu okazuje się być realną alternatywą. Najczęściej stosowanym gatunkiem tytanu jest stop Ti6Al4V (Ti64). Oprócz Ti64, do druku 3D można również używać czystego tytanu.

Pracownia druku 3D Wstitanium

Zalety drukowania 3D tytanu

Tytan drukowany w 3D można produkować ekonomicznie w małych i średnich partiach. Jest to bardziej opłacalna opcja w porównaniu z metodami takimi jak frezowanie CNC, toczenie lub odlewanie, ponieważ koszt nie zależy od złożoności części. Wszystko, czego potrzeba do pomyślnej produkcji wyrobów z tytanu, to drukarka 3D i proszek metalowy, zamiast polegać na drogich narzędziach lub skomplikowanych specjalistycznych rozwiązaniach.

Zmniejszone marnotrawstwo materiałów

W porównaniu do tradycyjnych procesów produkcji ubytkowej, takich jak obróbka CNC, drukowanie 3D jest technologią produkcji addytywnej, która nie generuje dużej ilości odpadów materiałowych. Podczas procesu produkcyjnego pozostały proszek tytanowy można wykorzystać do następnego wydruku. Ponadto drukowanie 3D tytanu może wytwarzać części bardzo zbliżone do ostatecznego pożądanego kształtu, zmniejszając potrzebę rozległej obróbki końcowej i jeszcze bardziej redukując odpady.

Optymalizacja projektu

Druk 3D umożliwia tworzenie części o złożonych, lekkich strukturach, które są trudne lub niemożliwe do wytworzenia tradycyjnymi metodami. Oznacza to użycie mniejszej ilości materiału przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości i funkcjonalności. Jednym ze sposobów, w jaki inżynierowie osiągają optymalizację projektu, jest optymalizacja topologii w oprogramowaniu CAD, która konsoliduje wiele części w jedną wydrukowaną część, co może skrócić czas montażu, koszty pracy i potencjalne punkty awarii.

Brak kosztów narzędzi i konfiguracji

Do odlewania lub obróbki CNC części tytanowych wymagane są niestandardowe narzędzia, takie jak formy, uchwyty itp. Drukowanie 3D eliminuje potrzebę dodatkowych narzędzi, ponieważ części są drukowane bezpośrednio z pliku cyfrowego. Zmiany w projekcie części można szybko wprowadzić bez potrzeby nowych narzędzi, co zmniejsza koszty związane ze zmianami w projekcie.

Krótszy czas realizacji

Wstitanium korzysta z własnej drukarki 3D do metalu, a dostawa pojedynczej części może zająć tylko 1 dzień, podczas gdy obróbka CNC i odlewanie mogą trwać dłużej (jak wspomniano powyżej, wymagają pomocy narzędzi lub oprzyrządowania). Usługi drukowania 3D mają krótsze czasy produkcji, a części można zamawiać na żądanie bez konieczności posiadania rezerw magazynowych. To znacznie zmniejsza ryzyko kapitału.

Dostosowanie i elastyczność

Druk 3D umożliwia tworzenie niestandardowych części bez ponownego montażu, co ułatwia i zwiększa opłacalność produkcji małych partii lub produktów niestandardowych, dodatkowo obniżając koszty operacyjne. Na przykład narzędzia chirurgiczne dostosowane do potrzeb pacjenta.

Efektywności energetycznej

Usługi druku 3D tytanu, takie jak topienie wiązką elektronów (EBM) lub selektywne topienie laserowe (SLM), są bardziej energooszczędne niż obróbka CNC, szczególnie jeśli weźmiemy pod uwagę mniejsze zapotrzebowanie na obróbkę końcową i recykling materiałów.

Wstitanium Wewnętrzna technologia druku 3D

Od 2019 r. Wstitanium wydało ponad 2 mln USD na inwestycje w technologie druku 3D metali, takie jak DMLM, DMLS, LPBF i LMF. Wśród nich najpowszechniejsza jest laserowa fuzja proszkowa (LPBF).

DMLS

Bezpośrednie spiekanie laserowe metalu (DMLS) jest podobne do technologii spiekania laserowego (SLS), ale zamiast poliamidu, do budowy modelu warstwa po warstwie stosuje się drobny proszek tytanowy. Cienka warstwa proszku tytanowego jest układana w drukarce 3D. Ta warstwa jest następnie spiekana i utwardzana przez bardzo mocny laser i stanie się dolną warstwą części. Wiązka laserowa przesuwa się nad pudełkiem wypełnionym proszkiem. Po każdej warstwie nakładana jest nowa warstwa proszku. Następnie proces jest powtarzany. Wyjmij część z drukarki 3D i wyczyść luźny, niespieczony proszek. W większości przypadków na części i wokół niej będą znajdować się struktury podporowe do druku 3D wykonane z tytanu. Te podpory należy usunąć ręcznie za pomocą bardzo mocnych pił tarczowych i innych narzędzi. Po usunięciu podpór wymagane jest ręczne polerowanie w celu usunięcia śladów podpór. Następnie mogą być wymagane czynności wykończeniowe, takie jak polerowanie całej części.

Topienie wiązki elektronów

EBM (Electron Beam Melting) odnosi się do wiązki elektronów nakładanej na warstwę proszku tytanowego, topiąc ją i łącząc z poprzednią warstwą. EBM wykorzystuje wiązkę elektronów o wysokiej energii w próżni do topienia proszku tytanowego. Wiązka skanuje warstwę proszku tytanowego, topiąc i krzepnąc materiał warstwa po warstwie zgodnie z cyfrowym projektem. EBM jest uważane za bardziej precyzyjne niż DMLS i nadaje się do wytwarzania mniejszych, złożonych części tytanowych. EBM jest szczególnie skuteczne w kontrolowaniu reaktywnych właściwości tytanu, ponieważ środowisko próżniowe zapobiega utlenianiu, powszechnemu problemowi, gdy tytan jest podgrzewany w powietrzu. Wiązka elektronów może również dynamicznie regulować ostrość i moc, umożliwiając precyzyjną kontrolę procesu topienia, co jest krytyczne dla utrzymania wydajności i integralności strukturalnej części tytanowych.

Proces EBM jest natomiast przeprowadzany w próżni i w wysokich temperaturach. Powoduje to minimalne naprężenia szczątkowe w drukowanych w 3D częściach, co oznacza również, że te drukowane w 3D części tytanowe nie wymagają późniejszej obróbki cieplnej.

Gatunki stopów tytanu do druku 3D

Najczęściej stosowanym gatunkiem tytanu do druku 3D jest stop Ti6Al4V (Ti64). Oprócz Ti64 do druku 3D można również stosować czysty tytan. Wraz z rozwojem technologii druku 3D producenci materiałów tworzą różnorodne proszki tytanowe odpowiednie do druku 3D. Te proszki metalowe są starannie projektowane z jednolitym rozmiarem i kształtem cząstek, co poprawia płynność i gęstość upakowania na stole roboczym. To ulepszenie umożliwia płynniejsze i bardziej szczegółowe drukowanie oraz poprawia właściwości mechaniczne poprzez redukcję wtrąceń i porowatości. Większość druku 3D tytanu wykorzystuje stopy tytanu (materiały metalowe zawierające stopy tytanu z innymi pierwiastkami), a nie czysty tytan. Rodzaj użytego stopu tytanu zależy od konkretnego zastosowania druku 3D. Niektóre popularne odmiany przedstawiono w poniższej tabeli.

Stop	Stopień	Opis	Zastosowania
Ti-6Al-4V	5	Najbardziej powszechny i najważniejszy stop tytanu do druku 3D, charakteryzujący się doskonałym stosunkiem wytrzymałości do wagi, odpornością na korozję i biokompatybilnością	Komponenty lotnicze, komponenty samochodowe, instrumenty chirurgiczne, implanty medyczne
Ti-6Al-4V-ELI	23	Ten czystszy stop tytanu ma „bardzo niską międzywęzłową”, co czyni go nieco słabszym od stopu 5, ale lepszym do zastosowań biomedycznych	Instrumenty chirurgiczne, implanty medyczne
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo		Stop tytanu zbliżony do alfa, o wysokiej wytrzymałości i doskonałej odporności na korozję	Komponenty lotnicze, komponenty lotnicze, komponenty morskie
Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr		Stop beta-tytanu o dużej wytrzymałości i twardości, który dobrze sprawdza się w druku 3D ze względu na słabą obrabialność	Komponenty przemysłowe

Tytan klasy 5 6Al-4V jest najczęściej stosowanym stopem tytanu w produkcji addytywnej i idealnie nadaje się do prototypów i części funkcjonalnych w sektorze lotniczym, motoryzacyjnym i wojskowym. Jest również doskonałym materiałem do produkcji części o złożonej geometrii i precyzji, a także narzędzi produkcyjnych. Tytan klasy 23 6Al-4V jest biokompatybilnym stopem, który jest często stosowany w implantach medycznych i protetyce. Tytan klasy Beta 21S ma większą wytrzymałość niż tradycyjne stopy tytanu, takie jak Ti-6Al-4V, a także lepszą odporność na utlenianie i pełzanie niż tradycyjne stopy tytanu, takie jak Ti-15V-3Cr. Ze wszystkich stopów tytanu tytan klasy 21 ma najniższą wydajność absorpcji wodoru. Jest idealny do implantów ortopedycznych i zastosowań w silnikach lotniczych. Beta tytan jest szeroko stosowany w korektach stomatologicznych. Stopy Cp-Ti (czysty tytan) klasy 1 i 2 są szeroko stosowane w medycynie ze względu na ich biokompatybilność z ludzkim ciałem. TA15 to stop tytanu zbliżony do alfa z dodatkami aluminium i cyrkonu. Części wykonane z TA15 mają wysoką wytrzymałość właściwą, wysoką nośność i odporność na temperaturę, dzięki czemu mogą być stosowane do ciężkich części w produkcji samolotów i silników.

Obróbka powierzchni części tytanowych drukowanych w technologii 3D

Wstitanium oferuje komponenty tytanowe ze specjalistycznym wykończeniem powierzchni. Opcje takie jak wytrzymałość, odporność na rdzę i przewodność metalu mogą być dodawane do części tytanowych podczas obróbki końcowej. Obróbka powierzchni oferowana przez usługi drukowania 3D tytanu Wstitanium obejmuje śrutowanie, polerowanie elektrochemiczne i obróbkę CNC, obróbkę cieplną i wiele innych.

piaskowanie

Piaskowanie może usuwać wady, wżery, rdzę i inne zanieczyszczenia z powierzchni części. Piaskowanie jest często stosowane w celu przygotowania części do powlekania. Różne metody piaskowania obejmują mikropiaskowanie, szczotkowanie, śrutowanie kulkowe itp. Piaskowanie wykorzystuje materiały ścierne, takie jak ścierniwo stalowe, węglik krzemu, pumeks itp.

Shot Peening

Śrutowanie może zwiększyć wytrzymałość części i zmniejszyć rozkład naprężeń. Podczas procesu śrutowania część jest poddawana wielokrotnym uderzeniom, które pozostawiają odkształcenia na powierzchni części. Proces ten dodaje warstwę naprężeń ściskających.

Polerowanie optyczne

Polerowanie optyczne jest opłacalne i zapewnia jasny efekt powierzchni. Polerowanie optyczne tworzy mikro-wykończenie lub super-wykończenie na powierzchni części w przygotowaniu do dalszej obróbki. Procesy polerowania optycznego najlepiej nadają się do projektów o małej objętości, geometrii niezależnej od tolerancji.

Polerowanie elektrochemiczne

Polerowanie elektrochemiczne daje lustrzane wykończenie na częściach metalowych i może być również stosowane do przygotowania części do dalszego wykańczania. W tym procesie część jest umieszczana w roztworze elektrolitycznym z katodą miedzianą lub ołowianą. Prąd elektryczny przepływa przez roztwór, wygładzając powierzchnię części.

Galwanotechnika

Galwanizacja dodaje warstwę metalu na zewnątrz części, zwiększając jej wytrzymałość i trwałość. Galwanizacja rozpuszcza metal w roztworze elektrolitycznym i przenosi go na powierzchnię części. Niektóre z najpopularniejszych metali stosowanych w procesie galwanizacji to miedź i cynk.

Obróbka wykańczająca/skrawaniem CNC

Obróbka CNC zwiększa odporność na zużycie, przewodność metalu, wytrzymałość, odporność na rdzę i wiele więcej. Wykańczanie CNC może poprawić wygląd części i przygotować ją do ostatecznego powlekania. Wykańczanie może obejmować malowanie proszkowe, piaskowanie, pasywację i anodowanie.

Obróbka cieplna

Obróbka cieplna poprawia właściwości mechaniczne tytanu, takie jak wytrzymałość i twardość. Jest to krytyczny krok dla części poddawanych dużym naprężeniom.

Tytan TiAl4V poddany obróbce cieplnej	Wartość:
Siła rentowności Rp 0.2%	950-1050 MPa
Wytrzymałość na rozciąganie Rm	1000-1150 MPa
Wydłużenie przy zerwaniu	9-15%
Moduł Younga	105-125 GPa
Gęstość względna	99.5%

Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP)

HIP eliminuje wewnętrzną porowatość w częściach tytanowych, czyniąc je gęstszymi i mocniejszymi. Podczas tego procesu stop tytanu jest podgrzewany do 1000⁰C przez 60 minut w atmosferze argonu, a następnie powoli chłodzony.

Tytan TiAl4V HIP	Wartość:
Granica plastyczności Rp 0.2%	870-950 MPa
Wytrzymałość na rozciąganie Rm	950-1050 MPa
Wydłużenie przy zerwaniu	13-16%
Moduł Younga	Średnia ocen 105-125
Gęstość względna	99.5%

Zastosowanie części z tytanu do druku 3D

Części z tytanu drukowane w technologii 3D są głównym celem w przemyśle wytwórczym. Drukowanie tytanu w technologii 3D zmieniło zasady gry w wielu dziedzinach, mając na celu dostarczanie lekkich i wytrzymałych produktów z innowacyjnymi (często dostosowanymi do potrzeb klienta) projektami. Najważniejsze obszary zastosowań części drukowanych w technologii 3D to: przemysł lotniczy, medyczny, motoryzacyjny, rowerowy/wyścigowy, chemiczny, morski itp.

Dyrektorem

Nietoksyczność, wysoka wytrzymałość i odporność na korozję tytanu sprawiają, że jest on atrakcyjnym materiałem do implantów ortopedycznych i stomatologicznych. Ponieważ coraz więcej producentów sprzętu medycznego dopuszcza usługi druku 3D w swoich możliwościach produkcyjnych, liczba implantów chirurgicznych drukowanych na bazie tytanu, zatwierdzonych przez amerykańską FDA, stale rośnie. W połączeniu z drukiem 3D producenci urządzeń medycznych mogą wytwarzać implanty o złożonych porowatych strukturach. Co ciekawe, struktury te naśladują strukturę ludzkich kości, więc komórki kostne rozpoznają je jako rusztowania do wzrostu. W branży medycznej implanty tytanowe drukowane w 3D odniosły sukces w zastosowaniach kręgosłupa, bioder, kolan i kończyn ze względu na wrodzoną biokompatybilność tytanu i dobre właściwości mechaniczne. Ponadto możliwość drukowania w 3D niestandardowych porowatych struktur (uzyskując w ten sposób integrację z kością) i możliwości masowej personalizacji lepiej osiągają efekty terapeutyczne dla pacjentów.

W 2023 roku drukowane w 3D części do endoprotez nadgarstków i kostek firmy Wstitanium dla pacjentów leczonych w University Hospital of North Midlands w Wielkiej Brytanii spotkały się z dużym uznaniem ze strony lekarzy i pacjentów.

Lotnictwo

Stosunek wytrzymałości do masy tytanu umożliwia produkcję złożonych komponentów, które są lżejsze i trwalsze niż te wykonane z tradycyjnych materiałów, dzięki czemu samoloty nie tylko są bardziej oszczędne pod względem zużycia paliwa, ale także wytrzymują ekstremalne obciążenia podczas lotu. W przemyśle lotniczym niektóre części drukowane w technologii 3D na bazie tytanu są obecnie wykorzystywane w zastosowaniach komercyjnych i wojskowych, a wiele innych prototypów jest w trakcie uzyskiwania certyfikacji od Federalnej Administracji Lotnictwa. Części tytanowe drukowane w technologii 3D są wysoko cenione za niski współczynnik „kup, aby latać”, termin lotniczy odnoszący się do korelacji między masą materiału początkowego a masą drukowanej części. Części tytanowe drukowane w technologii 3D pomagają zmniejszyć masę konstrukcji o dużym obciążeniu, dzięki czemu idealnie nadają się do silników odrzutowych, turbin gazowych i wielu elementów płatowca.

Na przykład firma Liebherr zmniejszyła wagę wspornika o 29% i zwiększyła jego sztywność. Dostawca sprzętu lotniczego Liebherr-Aerospace & Transportation SAS rozpocznie seryjną produkcję wsporników podwozia przedniego z tytanu drukowanych w technologii 3D dla Airbusa A350 XWB w 2023 r. Wsporniki te będą pierwszymi częściami Airbusa wyprodukowanymi przy użyciu tytanu drukowanego w technologii 3D.

Motoryzacja

Przemysł motoryzacyjny nie był tak szybki w przyjmowaniu druku 3D z tytanu w porównaniu z przemysłem lotniczym i medycznym. Pomimo oferowania tych samych korzyści, rynek motoryzacyjny jest bardzo świadomy kosztów, co ogranicza stosowanie tego drogiego materiału w większości pojazdów. Części z tytanu drukowane w 3D ułatwiają rozwój niestandardowych samochodów o wysokiej wydajności. Producenci mogą tworzyć lekkie, ale wytrzymałe części z tytanu, takie jak koła zębate i wsporniki, co pomaga zmniejszyć całkowitą masę pojazdu i poprawić wydajność. Ta aplikacja jest kluczowa w sektorze pojazdów elektrycznych, w którym wydajność i zasięg akumulatora można znacznie poprawić poprzez zmniejszenie masy pojazdu. Obecnie części z tytanu drukowane w 3D są szeroko stosowane w samochodach wyścigowych i luksusowych, gdzie ważnymi czynnikami są masa i wydajność.

W motoryzacji jednym z najbardziej znanych przykładów druku 3D z tytanu jest zacisk hamulcowy opracowany przez Bugatti do supersamochodu Bugatti Chiron. Zacisk hamulcowy, ważna część układu hamulcowego, ma wymiary 41 x 21 x 13.6 cm i został wydrukowany w technologii 3D w ciągu 45 godzin przy użyciu technologii DSLM. Gotowa część ma być około 40% lżejsza od obrabianej maszynowo aluminiowej alternatywy. W 2022 roku Wstitanium zaprojektowało tytanową rurę wydechową do samochodu Formuły 50 studenckiego zespołu Oxford Brookes w Wielkiej Brytanii, uzyskując XNUMX% redukcję masy.

Rower

Drukowany w 3D tytan jest niemal powszechny w dzisiejszych rowerach o wysokiej wydajności, gdzie każda uncja wagi i wysoka wytrzymałość są krytyczne. Lekka rama wykonana całkowicie z tytanu, która zapewnia kluczowe sekundy w czasie wyścigu i umożliwia nowe geometrie projektowe, jest o 400 gramów lżejsza od poprzedniej wersji z aluminium 7075. Tytan jest również używany do produkcji korb, dźwigni hamulcowych, mostków, haków przerzutki, a nawet pełnych ram, które są tak wytrzymałe jak aluminium i tak lekkie jak włókno węglowe, bez stawiania czoła wyzwaniom zrównoważonego rozwoju włókna węglowego. Drukowany w 3D tytan umożliwia dostosowanie roweru do preferencji rowerzysty, a rama nie wymaga żadnej farby ani powłoki.

Wstitanium zwiększy swoje wysiłki w zakresie druku 3D z tytanu w 2024 r., planując wykorzystanie technologii druku 3D do produkcji ram i komponentów rowerowych z tytanu, z roczną produkcją ponad 2,000 sztuk. Komponenty tytanowe będą używane w różnych modelach rowerów, mając na celu zapewnienie klientom produktów rowerowych z tytanu o większej wytrzymałości, mniejszej wadze i większej trwałości.

Optymalizacja projektowania części z tytanu do druku 3D

Tytan jest zdecydowanie najmocniejszym materiałem do druku 3D firmy Wstitanium. Zauważysz to również podczas projektowania modeli 3D dla tego materiału. Aby uzyskać lepsze wydruki 3D z tytanu, których szukasz, oto kilka prostych wskazówek, o których powinieneś pamiętać:

Grubość ściany:Minimalna grubość „ściany” może wynosić zaledwie 0.4 mm! W przypadku większości materiałów wartość ta wynosi zazwyczaj od 1 do 3 mm. Wstitanium zaleca trzymanie się minimalnej grubości ściany wynoszącej co najmniej 1 mm w przypadku części tytanowych.

Rozmiar szczegółów:Dzięki drukarce DMLS możesz drukować bardzo drobne szczegóły. Odległość między ścianą modelu a powierzchnią szczegółu może wynosić zaledwie 0.25 mm!

Detaliczność:Ze względu na rozszerzalność cieplną i kurczliwość tytanu wydruki 3D mogą być nieznacznie większe lub mniejsze od oryginalnego projektu. Jednak DMLS jest zdecydowanie najbardziej dokładnym wymiarowo procesem drukowania 3D metalu. W przypadku stopów tytanu dokładność jest zazwyczaj lepsza niż 2%.

Geometria: Kąty proste i linie proste wyglądają zazwyczaj mniej atrakcyjnie niż kształty organiczne lub o dowolnej formie. Kąty mniejsze niż 35° zazwyczaj skutkują słabą jakością powierzchni. Kąty strome powyżej 35° zazwyczaj dają drobniejsze, gładsze i lepiej wyglądające powierzchnie. DMLS jest najlepszą opcją do tworzenia części w kształcie siatki.

Galeria części z tytanu drukowanych w technologii 3D

Wstitanium produkuje drukowane w 3D części tytanowe do różnych dziedzin, w tym rowerów, lotnictwa, medycyny i innych. Tytan (TiAl 6 V 4 ) to bardzo mocny, lekki, odporny na korozję materiał metalowy. Drukowanie w 3D polega na drukowaniu proszku tytanowego razem z laserem w celu spiekania go w celu tworzenia części, które są tak dobre, jak modele obrabiane maszynowo. Drukowany w 3D tytan (niepolerowany) nie wygląda jak tradycyjny błyszczący frezowany tytan. Zamiast tego ma matowe, szare wykończenie, które jest nieco bardziej szorstkie i mniej zdefiniowane lub lekko odblaskowe satynowe wykończenie.

Usługi drukowania 3D z tytanu

Warsztat Wstitanium