Serviços de impressão 3D em titânio
As soluções de impressão 3D fornecidas pela Wstitanium incluem: DMLS, EBM. Produzimos protótipos de titânio totalmente funcionais e peças personalizadas de titânio em 7 dias ou menos para peças finais para aplicações de uso final.
- Prototipagem de materiais de nível de produção
- Geometrias complexas arbitrárias
- Tolerâncias estreitas +/- 0.002”
- Reduza as etapas na montagem
- Peças de uso final funcionais
Oficina de titânio
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Serviços de impressão 3D para peças de titânio
O titânio é um metal difícil de usinar, especialmente quando se trata de usinagem CNCPor um lado, o titânio tem baixa condutividade térmica. Isso significa que, quando uma máquina CNC, por exemplo, realiza fresamento, o calor gerado é armazenado na ferramenta. Isso pode causar desgaste rápido da ferramenta. Além disso, como a usinagem envolve corte e remoção de material, o processo pode resultar em muito desperdício de material. Como resultado, muitas empresas estão buscando melhores soluções alternativas para fabricar peças de titânio. A impressão 3D de titânio em metal está se mostrando uma alternativa viável. O tipo de titânio mais comumente usado é a liga Ti6Al4V (Ti64). Além do Ti64, o titânio puro também pode ser usado para impressão 3D.
Workshop de Impressão 3D de Titânio
Vantagens da impressão 3D de titânio
O titânio impresso em 3D pode ser fabricado economicamente em lotes pequenos e médios. É uma opção mais econômica em comparação com métodos como fresamento CNC, torneamento ou fundição, pois o custo não depende da complexidade da peça. Tudo o que é necessário para fabricar produtos de titânio com sucesso é uma impressora 3D e pó metálico, em vez de depender de ferramentas caras ou soluções especializadas complexas.
Redução do desperdício de material
Em comparação com os processos tradicionais de manufatura subtrativa, como a usinagem CNC, a impressão 3D é uma tecnologia de manufatura aditiva que não gera muito desperdício de material. Durante o processo de fabricação, o pó de titânio restante pode ser usado para a próxima impressão. Além disso, a impressão 3D de titânio pode produzir peças muito próximas do formato final desejado, reduzindo a necessidade de pós-processamento extenso e reduzindo ainda mais o desperdício.
Otimização de Design
A impressão 3D permite criar peças com estruturas complexas e leves, difíceis ou impossíveis de fabricar com métodos tradicionais. Isso significa usar menos material, mantendo a resistência e a funcionalidade. Uma das maneiras pelas quais os engenheiros alcançam a otimização do projeto é por meio da otimização topológica em softwares CAD, que consolidam várias peças em uma única peça impressa, o que pode reduzir o tempo de montagem, os custos de mão de obra e potenciais pontos de falha.
Sem custos de ferramentas ou configuração
Tanto para peças de titânio fundidas quanto usinadas em CNC, são necessárias ferramentas personalizadas, como moldes, fixações, etc. A impressão 3D elimina a necessidade de ferramentas adicionais, pois as peças são impressas diretamente do arquivo digital. Alterações no design das peças podem ser implementadas rapidamente sem a necessidade de novas ferramentas, reduzindo os custos associados a modificações no projeto.
Prazo de entrega mais curto
Titânio Utilizando uma impressora 3D de metal própria, a entrega de uma única peça pode levar apenas um dia, enquanto a usinagem CNC e a fundição podem demorar mais (como mencionado anteriormente, exigem o uso de ferramentas ou dispositivos de fixação). Os serviços de impressão 3D têm tempos de fabricação mais curtos e permitem encomendar peças sob demanda, sem a necessidade de reservas de estoque. Isso reduz significativamente o risco de capital.
Customização e flexibilidade
A impressão 3D permite a fabricação de peças personalizadas sem necessidade de remontagem, facilitando e reduzindo custos a produção de pequenos lotes ou produtos personalizados, reduzindo ainda mais os custos operacionais. Por exemplo, instrumentos cirúrgicos específicos para cada paciente.
Eficiência energética
Serviços de impressão 3D de titânio, como fusão por feixe de elétrons (EBM) ou fusão seletiva a laser (SLM), são mais eficientes em termos de energia do que a usinagem CNC, especialmente quando se considera a menor necessidade de pós-processamento e reciclagem de material.
Tecnologia de impressão 3D interna da Wsitanium
Desde 2019, a Wstitanium investiu mais de US$ 2 milhões em tecnologias de impressão 3D em metal, como DMLM, DMLS, LPBF e LMF. Entre elas, a fusão a laser em leito de pó (LPBF) é a mais comum.
A Sinterização Direta a Laser de Metal (DMLS) é semelhante à Tecnologia de Sinterização a Laser (SLS), mas em vez de usar poliamida, pó fino de titânio é usado para construir o modelo camada por camada. Uma fina camada de pó de titânio é depositada na impressora 3D. Essa camada é então sinterizada e solidificada por um laser muito potente e se tornará a camada inferior da peça. O feixe de laser se move sobre uma caixa cheia de pó. Após cada camada, uma nova camada de pó é aplicada. O processo é então repetido. Remova a peça da impressora 3D e limpe qualquer pó solto e não sinterizado. Na maioria dos casos, haverá estruturas de suporte de impressão 3D feitas de titânio sobre e ao redor da peça. Esses suportes devem ser removidos manualmente usando serras circulares muito potentes e outras ferramentas. Uma vez que os suportes são removidos, o polimento manual é necessário para remover vestígios dos suportes. Etapas de pós-acabamento podem ser necessárias, como o polimento de toda a peça.
- Tamanho máximo da peça de titânio: 250 x 250 x 320 mm
- Tamanho mínimo da peça de titânio: 5 mm x 5 mm x 5 mm
- Altura da camada padrão: 0.04 mm
- Alturas de camada opcionais: 0.05 mm
- Quantidade mínima=1
- Tolerância:±0.02mm
- Rugosidade da superfície: 150-400 Ra
- Custo: Depende principalmente do peso
EBM (fusão por feixe de elétrons) refere-se à aplicação de um feixe de elétrons a uma camada de pó de titânio, fundindo-o e fundindo-o com a camada anterior. A EBM utiliza um feixe de elétrons de alta energia sob vácuo para fundir o pó de titânio. O feixe varre um leito de pó de titânio, fundindo e solidificando o material camada por camada, de acordo com um projeto digital. A EBM é considerada mais precisa do que a DMLS e é adequada para a fabricação de peças de titânio menores e complexas. A EBM é particularmente eficaz no controle das propriedades reativas do titânio, pois o ambiente de vácuo previne a oxidação, um problema comum quando o titânio é aquecido ao ar. O feixe de elétrons também pode ajustar dinamicamente o foco e a potência, permitindo o controle preciso do processo de fusão, o que é fundamental para manter o desempenho e a integridade estrutural das peças de titânio.
- Tamanho máximo da peça de titânio: 210 x 210 x 400 mm
- Tamanho mínimo da peça de titânio: 5 mm x 5 mm x 5 mm
- Módulo elástico: 113.8 GPa
- UTS Mpa: 1033
- Quantidade mínima=1
- YS 0,2 Mpa : 973
- Alongamento: 15,6%
- Tolerância:±0.02mm
O processo EBM, por outro lado, é realizado sob vácuo e em altas temperaturas. Isso resulta em tensão residual mínima nas peças impressas em 3D, o que também significa que essas peças de titânio impressas em 3D não requerem tratamento térmico subsequente.
Graus de liga de titânio para impressão 3D
O grau de titânio mais comumente usado para impressão 3D é a liga Ti6Al4V (Ti64). Além do Ti64, o titânio puro também pode ser usado para impressão 3D. À medida que a tecnologia de impressão 3D se desenvolve, os fabricantes de materiais criam uma variedade de pós de titânio adequados para impressão 3D. Esses pós metálicos são cuidadosamente projetados com tamanho e formato de partícula uniformes, o que melhora a fluidez e a densidade de compactação na cama de impressão. Esse aprimoramento permite uma impressão mais suave e detalhada e aprimora as propriedades mecânicas, reduzindo inclusões e porosidade. A maioria das impressões 3D de titânio usa ligas de titânio (materiais metálicos que contêm ligas de titânio com outros elementos) em vez de titânio puro. O tipo de liga de titânio usado depende da aplicação específica de impressão 3D. Algumas variedades comuns são mostradas na tabela abaixo.
| Liga | Grade | Descrição | Aplicações |
| Ti-6Al-4V | 5 | A liga de titânio mais comum e importante para impressão 3D, com excelente relação resistência-peso, resistência à corrosão e biocompatibilidade | Componentes aeroespaciais, componentes automotivos, instrumentos cirúrgicos, implantes médicos |
| Ti-6Al-4V-ELI | 23 | Esta liga de titânio mais pura tem um “intersticial extra baixo”, tornando-a ligeiramente mais fraca do que o Grau 5, mas melhor para aplicações biomédicas | Instrumentos cirúrgicos, implantes médicos |
| Ti-6Al 2Sn-4Zr-2Mo | Uma liga de titânio quase alfa com alta resistência e excelente resistência à corrosão | Componentes aeroespaciais, componentes de aviação, componentes marítimos | |
| Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr | Uma liga de titânio beta com alta resistência e tenacidade que se mostra promissora na impressão 3D devido à sua baixa usinabilidade | Componentes industriais |
O titânio grau 5 6Al-4V é a liga de titânio mais comumente usada na manufatura aditiva e é ideal para protótipos e peças funcionais nos setores aeroespacial, automotivo e militar. Também é um excelente material para a fabricação de peças com geometrias complexas e precisão, bem como ferramentas de produção. O titânio grau 23 6Al-4V é uma liga biocompatível frequentemente usada em implantes médicos e próteses. O titânio grau Beta 21S tem maior resistência do que as ligas de titânio tradicionais, como Ti-6Al-4V, e também tem melhor resistência à oxidação e à fluência do que ligas de titânio tradicionais, como Ti-15V-3Cr. De todas as ligas de titânio, o titânio grau 21 tem a menor eficiência de absorção de hidrogênio. É ideal para implantes ortopédicos e aplicações em motores aeroespaciais. O titânio beta é amplamente utilizado em correções odontológicas. Os graus 1 e 2 do Cp-Ti (titânio puro) são amplamente utilizados na área médica devido à sua biocompatibilidade com o corpo humano. TA15 é uma liga de titânio quase alfa com aditivos de alumínio e zircônio. As peças fabricadas com TA15 apresentam alta resistência específica, alta capacidade de carga e resistência à temperatura, podendo ser utilizadas em peças pesadas na fabricação de aeronaves e motores.
Tratamento de superfície de peças de titânio impressas em 3D
A Wstitanium oferece componentes de titânio com acabamentos de superfície especializados. Opções como resistência, resistência à ferrugem e condutividade metálica podem ser adicionadas às peças de titânio durante o pós-processamento. Os tratamentos de superfície oferecidos pelos serviços de impressão 3D de titânio da Wstitanium incluem jateamento, polimento eletroquímico e usinagem CNC, tratamento térmico e muito mais.
jateamento
O jateamento de areia pode remover defeitos, corrosão, ferrugem e outros contaminantes da superfície das peças. O jateamento de areia é frequentemente usado para preparar peças para revestimento. Diferentes métodos de jateamento de areia incluem microjateamento, jateamento com escova, jateamento com esferas, etc. O jateamento de areia utiliza abrasivos como granalha de aço, carboneto de silício, pedra-pomes, etc.
Peening de tiro
O jateamento com granalha pode aumentar a resistência de uma peça e reduzir sua distribuição de tensões. Durante o processo de jateamento com granalha, a peça é submetida a múltiplos jateamentos, que causam deformações na superfície da peça. O processo adiciona uma camada de tensão compressiva.
Polimento Óptico
O polimento óptico é econômico e proporciona um efeito de superfície brilhante. O polimento óptico cria um microacabamento ou superacabamento na superfície da peça, preparando-a para o processamento posterior. Os processos de polimento óptico são mais adequados para projetos com geometrias de baixo volume e que não dependem de tolerâncias.
Polimento Eletroquímico
O polimento eletroquímico produz um acabamento espelhado em peças metálicas e também pode ser usado para preparar a peça para acabamento posterior. Nesse processo, a peça é colocada em uma solução eletrolítica com um cátodo de cobre ou chumbo. Uma corrente elétrica flui através da solução, alisando a superfície da peça.
galvanoplastia
A galvanoplastia adiciona uma camada metálica à parte externa de uma peça, aumentando sua resistência e durabilidade. A galvanoplastia dissolve o metal em uma solução eletrolítica e o transfere para a superfície da peça. Alguns dos metais mais comuns usados no processo de galvanoplastia são cobre e zinco.
Acabamento/Usinagem CNC
A usinagem CNC aumenta a resistência ao desgaste, a condutividade do metal, a resistência, a resistência à ferrugem e muito mais. O acabamento CNC pode melhorar a aparência da peça e prepará-la para o revestimento final. O acabamento pode envolver pintura a pó, jateamento de areia, passivação e anodização.
Tratamento térmico
O tratamento térmico melhora as propriedades mecânicas do titânio, como resistência e tenacidade. Esta é uma etapa crítica para peças sujeitas a altas tensões.
| Titânio TiAl4V tratado termicamente | Valor |
|---|---|
| Limite de escoamento Rp 0.2% | 950-1050 MPa |
| Resistência à Tração Máxima Rm | 1000-1150 MPa |
| Alongamento na ruptura | 9-15% |
| Módulo de Young | 105-125 GPa |
| Densidade relativa | 99.5% |
Prensagem Isostática a Quente (HIP)
O HIP elimina a porosidade interna das peças de titânio, tornando-as mais densas e resistentes. Durante esse processo, a liga de titânio é aquecida a 1000⁰C por 60 minutos em atmosfera de argônio e, em seguida, resfriada lentamente.
| Titânio TiAl4V HIP | Valor |
|---|---|
| Limite de escoamento Rp 0.2% | 870-950 MPa |
| Resistência à Tração Máxima Rm | 950-1050 MPa |
| Alongamento na ruptura | 13-16% |
| Módulo de Young | 105-125 GPA |
| Densidade relativa | 99.5% |
Aplicação de peças de titânio para impressão 3D
Peças de titânio impressas em 3D são um foco importante na indústria de manufatura. A impressão 3D de titânio mudou as regras do jogo em diversos setores, com o objetivo de fornecer produtos leves e resistentes com designs inovadores (muitas vezes personalizados). As áreas de aplicação mais importantes de peças impressas em 3D são: aeroespacial, médica, automotiva, ciclismo/corrida, química, marítima, etc.
A atoxicidade, a alta resistência e a corrosão do titânio o tornam um material atraente para implantes ortopédicos e dentários. À medida que mais e mais fabricantes médicos permitem serviços de impressão 3D em suas capacidades de fabricação, o número de implantes cirúrgicos impressos à base de titânio aprovados pela FDA dos EUA continua a crescer. Quando combinados com a impressão 3D, os fabricantes de dispositivos médicos podem fabricar implantes com estruturas porosas complexas. Notavelmente, essas estruturas imitam a estrutura dos ossos humanos, de modo que as células ósseas as reconhecem como arcabouços para crescimento. Na indústria médica, os implantes de titânio impressos em 3D têm sido bem-sucedidos em aplicações na coluna, quadril, joelho e membros devido à biocompatibilidade inerente do titânio e às boas propriedades mecânicas. Além disso, a capacidade de imprimir em 3D estruturas porosas personalizadas (obtendo assim a integração óssea) e os recursos de personalização em massa proporcionam melhores efeitos terapêuticos para os pacientes.
Em 2023, as peças impressas em 3D da Wstitanium para substituições de pulso e tornozelo para pacientes tratados no Hospital Universitário de North Midlands, no Reino Unido, receberam muitos elogios de médicos e pacientes.
A relação resistência-peso do titânio permite a produção de componentes complexos, mais leves e duráveis do que aqueles feitos de materiais tradicionais, tornando as aeronaves não apenas mais eficientes em termos de combustível, mas também capazes de suportar as tensões extremas do voo. Na indústria aeroespacial, algumas peças fabricadas por impressão 3D à base de titânio são atualmente utilizadas em aplicações comerciais e militares, e muitos outros protótipos estão em processo de certificação pela Administração Federal de Aviação (FAA). As peças de titânio impressas em 3D são altamente conceituadas por sua baixa relação "comprar para voar", um termo aeroespacial que se refere à correlação entre o peso do material inicial e o peso da peça impressa. As peças de titânio impressas em 3D ajudam a reduzir o peso de estruturas altamente carregadas, tornando-as ideais para motores a jato, turbinas a gás e muitos componentes de fuselagem.
Por exemplo, a Liebherr reduziu o peso do suporte em 29% e aumentou sua rigidez. A fornecedora aeroespacial Liebherr-Aerospace & Transportation SAS iniciará a produção em série de suportes de trem de pouso dianteiro de titânio impressos em 3D para o Airbus A350 XWB em 2023. Esses suportes serão as primeiras peças da Airbus a serem produzidas com titânio impresso em 3D.
A indústria automotiva não adotou a impressão 3D de titânio tão rapidamente quanto as indústrias aeroespacial e médica. Apesar de oferecer os mesmos benefícios, o mercado automotivo consumidor é muito preocupado com os custos, o que limita o uso desse material caro na maioria dos veículos. Peças de titânio impressas em 3D facilitam o desenvolvimento de carros personalizados de alto desempenho. Os fabricantes podem criar peças de titânio leves, mas resistentes, como engrenagens e suportes, o que ajuda a reduzir o peso total do veículo e a melhorar o desempenho. Essa aplicação é crucial no setor de veículos elétricos, onde a eficiência e a autonomia da bateria podem ser significativamente melhoradas com a redução do peso do veículo. Atualmente, as peças impressas em 3D de titânio são amplamente utilizadas em carros de corrida e de luxo, onde peso e desempenho são fatores importantes.
No setor automotivo, um dos exemplos mais proeminentes de impressão 3D em titânio é a pinça de freio desenvolvida pela Bugatti para seu supercarro Bugatti Chiron. A pinça de freio, uma parte importante do sistema de freios, mede 41 x 21 x 13.6 cm e foi impressa em 3D em 45 horas usando a tecnologia DSLM. A peça finalizada é cerca de 40% mais leve do que a alternativa de alumínio usinado. Em 2022, a Wstitanium projetou um escapamento de titânio para o carro de Fórmula 50 da equipe de estudantes Oxford Brookes, no Reino Unido, alcançando uma redução de peso de XNUMX%.
O titânio impresso em 3D é quase comum nas bicicletas de alto desempenho atuais, onde cada grama de peso e alta resistência é crucial. Um quadro leve totalmente em titânio, responsável por segundos cruciais nos tempos de corrida e possibilita novas geometrias de design, é 400 gramas mais leve do que a versão anterior em alumínio 7075. O titânio também é usado na fabricação de pedivelas, alavancas de freio, mesas, suportes de câmbio e até quadros inteiros, provando ser tão resistente quanto o alumínio e tão leve quanto a fibra de carbono, sem enfrentar os desafios de sustentabilidade da fibra de carbono. O titânio impresso em 3D permite personalizar a bicicleta de acordo com as preferências do ciclista, e o quadro não requer pintura ou revestimento.
A Wstitanium intensificará seus esforços de impressão 3D em titânio em 2024, planejando usar a tecnologia para fabricar quadros e componentes de bicicletas de titânio, com uma produção anual de mais de 3 peças. Os componentes de titânio serão usados em diversos modelos de bicicletas, com o objetivo de fornecer aos clientes produtos de titânio com maior resistência, menor peso e maior durabilidade.
Otimização do design de peças de titânio para impressão 3D
O titânio é de longe o material de impressão 3D mais resistente da Wstitanium. Você também notará isso ao projetar modelos 3D para este material. Para obter as melhores impressões 3D em titânio que você procura, aqui estão algumas dicas simples que você deve ter em mente:
Espessura da parede: A espessura mínima da "parede" pode ser de apenas 0.4 mm! Para a maioria dos materiais, esse valor costuma ser de 1 a 3 mm. A Wstitanium recomenda manter uma espessura mínima de parede de pelo menos 1 mm para peças de titânio.
Tamanho do detalhe: Com uma impressora DMLS, você pode imprimir detalhes extremamente precisos. A distância entre a parede do modelo e a superfície de detalhe pode ser de apenas 0.25 mm!
PrecisãoDevido à expansão e contração térmicas do titânio metálico, as impressões 3D podem ser ligeiramente maiores ou menores do que o seu design original. No entanto, o DMLS é de longe o processo de impressão 3D em metal com maior precisão dimensional. Para ligas de titânio, a precisão é normalmente superior a 2%.
GeometriaÂngulos retos e linhas retas tendem a parecer menos atraentes do que formas orgânicas ou livres. Ângulos menores que 35° tendem a resultar em superfícies de baixa qualidade. Ângulos acentuados acima de 35° tendem a produzir superfícies mais finas, suaves e com melhor aparência. DMLS é a melhor opção para a criação de peças em formato de malha.
Galeria de peças de titânio impressas em 3D
A Wstitanium fabrica peças de titânio impressas em 3D para uma variedade de setores, incluindo bicicletas, aeroespacial, médico e muito mais. O titânio (TiAl 6 V 4 ) é um material metálico muito forte, leve e resistente à corrosão. A impressão 3D consiste na impressão de pó de titânio juntamente com um laser para sinterizá-lo e criar peças tão boas quanto modelos usinados. O titânio impresso em 3D (sem polimento) não se parece com o titânio fresado brilhante tradicional. Em vez disso, ele tem um acabamento cinza fosco, ligeiramente mais áspero e menos definido, ou um acabamento acetinado levemente reflexivo.
