Overzicht van 3d printen van titaniumpoeder
Titanium is een sterk, lichtgewicht, corrosiebestendig metaal dat ideaal is voor het 3D-printen van complexe geometrieën voor de ruimtevaart, de automobielindustrie, de medische sector en andere veeleisende toepassingen. Titaniumpoeder kan worden gebruikt om metalen onderdelen met een volledige dichtheid en uitstekende mechanische eigenschappen te printen met poederbedfusietechnologieën zoals selectief lasersmelten (SLM) en elektronenbundelsmelten (EBM).
Dit artikel biedt een uitgebreide gids voor het 3d printen van titaniumpoeder met informatie over de samenstelling, eigenschappen, specificaties, toepassingen, voor- en nadelen, leveranciers, kosten en meer.
Samenstelling van 3d printen van titaniumpoeder
Titaanpoeder voor additieve productie bestaat bijna volledig uit het element titanium. Er kunnen echter kleine hoeveelheden van andere elementen zoals aluminium, vanadium, ijzer, zuurstof, stikstof en koolstof aanwezig zijn.
Titaankwaliteiten voor poederbedfusie
| Cijfer | Samenstelling |
|---|---|
| Ti 6Al-4V | 90% titanium, 6% aluminium, 4% vanadium |
| Ti 6Al-4V ELI | Zelfde als Ti 6Al-4V maar met lagere limieten voor interstitieel zuurstof, ijzer en stikstof |
| Commercieel zuiver titanium graad 1 | 99,2% Minimaal titanium |
| Commercieel zuiver titanium graad 2 | 99,5% Minimaal titanium |
| Commercieel zuiver titanium graad 3 | 99,8% Minimaal titanium |
| Commercieel zuiver titanium graad 4 | 99,9% Minimaal titanium |
Ti 6Al-4V is de meest gebruikte soort in additieve productie vanwege de uitstekende verhouding tussen sterkte en gewicht, lasbaarheid en corrosiebestendigheid. De ELI-variant heeft een verbeterde taaiheid en breuktaaiheid.
Commercieel zuivere titaniumsoorten hebben een lagere sterkte maar een betere biocompatibiliteit voor medische implantaten. Titaan van graad 5 met een hoger zuurstofgehalte wordt over het algemeen niet gebruikt voor poederbedfusie.
Eigenschappen van 3d printen van titaniumpoeder Onderdelen
3D-geprinte titanium onderdelen kunnen eigenschappen bereiken die vergelijkbaar zijn met of zelfs beter zijn dan traditioneel gefabriceerd titanium, met het extra voordeel van ontwerpvrijheid.
Mechanische eigenschappen
| Eigendom | Ti 6Al-4V | Ti 6Al-4V ELI | CP Ti graad 2 |
|---|---|---|---|
| Treksterkte | 930 - 1050 MPa | 860 - 965 MPa | 345 - 485 MPa |
| Opbrengststerkte | 825 - 890 MPa | 795 - 875 Mpa | ≥ 275 MPa |
| Verlenging bij breuk | 8 – 15% | ≥10% | 20% |
| Vermoeidheid Sterkte | ≥ 400 MPa | ≥ 550 MPa | 275 - 550 MPa |
| Breuktaaiheid | 55 - 115 MPa√m | ≥ 100 MPa√m | N.V.T. |
3D-geprint titanium heeft een stijfheid, hardheid en slijtvastheid die vergelijkbaar is met die van traditioneel titanium. Nabewerking zoals heet isostatisch persen (HIP) kan de materiaaleigenschappen verder verbeteren.
Voordelen
- Hoge sterkte-gewichtsverhouding
- Corrosieweerstand
- Biocompatibiliteit en osseointegratie
- Ontwerpvrijheid voor topologieoptimalisatie
- Minder afval vergeleken met subtractieve methoden
- Conforme koelkanalen zorgen voor betere prestaties
Beperkingen
- Hoge reactiviteit met zuurstof maakt hanteren moeilijk
- Printfouten zoals poreusheid kunnen de vermoeiingslevensduur verminderen
- Duur poedermateriaal en uitdagingen bij recycling
- Nabewerking kan nodig zijn om aan de materiaalspecificaties te voldoen
Specificaties van 3d printen van titaniumpoeder
Titaanpoeder dat wordt gebruikt voor additieve productie moet voldoen aan strenge normen voor deeltjesgrootteverdeling, morfologie, chemie en andere eigenschappen.
Grootteverdeling
| Parameter | Typische waarde | Rol |
|---|---|---|
| Bereik deeltjesgrootte | 15 – 45 micron | Bepaalt minimale kenmerkresolutie, poederverspreidbaarheid |
| D10 | 20 micron | Geeft fijnere poederfractie aan |
| D50 | 30 micron | Mediaan deeltjesgrootte |
| D90 | 40 micron | Geeft grotere deeltjes aan |
| Schijnbare dichtheid | 2,7 g/cc | Verpakte dichtheid van poederbed, beïnvloedt reproduceerbaarheid |
Het poeder moet een bijna-sferische morfologie hebben met weinig satellieten voor een soepele poederverspreiding. De chemische samenstelling moet voldoen aan de specificaties met lage onzuiverheidsniveaus.
Andere kritieke eigenschappen
- Vloeibaarheid
- Gehalte aan restzuurstof en -stikstof
- Schijnbare en kraan dichtheid consistentie
- Recycleerbaarheid
- Chemische compatibiliteit met proces
- Hanteringseigenschappen
Voldoen aan strenge kwaliteitseisen voor elke parameter is essentieel voor foutloze productie.
Toepassingen van 3d printen van titaniumpoeder
| Industrie | Sollicitatie | Voordelen van 3D-printen Titanium |
|---|---|---|
| Lucht- en ruimtevaart | – Vliegtuigonderdelen (vleugelonderdelen, onderdelen van het landingsgestel) – Raketmotoronderdelen – Satellietconstructies | – Lichtgewicht: Een lager gewicht vertaalt zich in een hoger brandstofverbruik en een groter vliegbereik. – Hoge verhouding sterkte/gewicht: Titaniumonderdelen kunnen sterk en toch licht zijn, wat cruciaal is voor de prestaties van vliegtuigen. – Ontwerpvrijheid: Complexe, interne structuren kunnen worden geprint voor optimale prestaties en gewichtsverdeling. |
| Medisch & tandheelkundig | – Implantaten (heupvervangingen, knievervangingen, tandheelkundige implantaten, schedelimplantaten) – Chirurgische instrumenten – Op maat gemaakte protheses | – Biocompatibiliteit: Titanium wordt goed verdragen door het menselijk lichaam, waardoor het risico op afstoting wordt geminimaliseerd. – Maatwerk: Met 3D-printen zijn patiëntspecifieke implantaten mogelijk die perfect bij hun anatomie passen, voor een betere pasvorm en functie. – Poreuze structuren: Implantaten kunnen worden geprint met een poreuze structuur die de botingroei stimuleert voor een betere stabiliteit op de lange termijn. |
| Automobiel | – Hoogwaardige motorcomponenten (drijfstangen, zuigers) – Lichtgewicht auto-onderdelen – Racecomponenten | – Sterkte en duurzaamheid: Titanium is bestand tegen hoge temperaturen en druk die gebruikelijk zijn in motoren. – Gewichtsvermindering: Lichtere onderdelen dragen bij aan een lager brandstofverbruik en betere handling. – Complexe geometrieën: 3D-printen maakt ingewikkelde interne kanalen voor koeling of oliestroom mogelijk. |
| Consumptiegoederen en sport | – Hoogwaardige fietsframes – Sportprotheses – Sieraden en brillen | – Uniek ontwerp en maatwerk: 3D-printen maakt gepersonaliseerde ontwerpen en functies mogelijk. – Sterkte en lichtgewicht: Ideaal voor toepassingen die zowel duurzaamheid als een minimaal gewicht vereisen. – Biocompatibiliteit: Geschikt voor protheses en sommige sieradentoepassingen die in contact komen met de huid. |
| Olie gas | – Gereedschappen en uitrusting voor in het boorgat – Corrosiebestendige leidingen en kleppen | – Corrosieweerstand: Titanium blinkt uit in ruwe omgevingen met blootstelling aan chemicaliën en zout water. – Grote sterkte: Bestand tegen de hoge druk en stress die gepaard gaat met de olie- en gaswinning. – Gewichtsvermindering: Lichter gereedschap kan gemakkelijker te manoeuvreren zijn in diepe boorputten. |
| Onderzoek & Ontwikkeling | – Prototyping van complexe onderdelen – Testen van nieuwe ontwerpen en materialen | – Snelle iteratie: Met 3D-printen kunnen nieuwe ontwerpen snel worden gemaakt en getest. – Ontwerpvrijheid: Complexe geometrieën kunnen worden afgedrukt voor onderzoeksdoeleinden. – Materiaalverkenning: Maakt het mogelijk om te printen met verschillende titaniumlegeringen of composieten voor evaluatie van eigenschappen. |
Leveranciers van titaniumpoeder voor 3d printen
De meeste titaniumpoederleveranciers bieden een Ti 6Al-4V-kwaliteit op maat voor additieve productie. Sommige bieden ook aangepaste diensten voor het ontwerpen van legeringen.
Belangrijke bedrijven in titaniumpoeder
| Bedrijf | Aangeboden rangen | Diensten |
|---|---|---|
| AP&C | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Ontwikkeling van aangepaste legeringen |
| Tekna | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Geavanceerde plasmasferoïdie |
| Timmerman additief | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Uitgebreid QA testen |
| Praxair | Ti 6Al-4V | Stikstofverstuiving |
| Tijdperk | Commercieel zuiver titanium | Bestellingen van kleine hoeveelheden |
Veel 3D printer OEM's zoals EOS en SLM Solutions bieden ook geassocieerde titaniumpoeders aan. Gerecyclede poeders zijn goedkoper, maar hebben hogere onzuiverheden.
Kosten titaniumpoeder
| Cijfer | Morfologie | Prijsbereik |
|---|---|---|
| Ti 6Al-4V | Bolvormig | $350-$1000 per kg |
| Ti 6Al-4V ELI | Bolvormig | $500-$2000 per kg |
| CP Ti graad 1-4 | Onregelmatig | $100-$500 per kg |
De kosten zijn sterk afhankelijk van het ordervolume, de kwaliteit, de marges van de leverancier en recycling.
Voor- en nadelen van 3d printen van titaniumpoeder
| Functie | Pluspunten | Nadelen |
|---|---|---|
| Materiaaleigenschappen | * Hoge verhouding sterkte/gewicht: Titanium beschikt over uitzonderlijke sterkte en blijft toch licht, ideaal voor toepassingen die gewichtsvermindering vereisen in de lucht- en ruimtevaart- en auto-industrie. * Corrosieweerstand: De natuurlijke weerstand van titanium tegen corrosie maakt het perfect voor componenten die worden blootgesteld aan zware omstandigheden zoals maritieme of chemische omgevingen. * Biocompatibiliteit: De biocompatibele aard van titanium zorgt voor een veilig gebruik in medische implantaten, waardoor osseo-integratie (fusie met bot) wordt bevorderd voor functionaliteit op de lange termijn. | * Beperkte materiaalkeuze: Vergeleken met traditionele productie met een grotere verscheidenheid aan materialen, is 3D-printen met titaniumpoeder momenteel beperkt tot een specifiek assortiment titaniumlegeringen. |
| Ontwerp en productie | * Ontwerpvrijheid: 3D-printen maakt het mogelijk complexe geometrieën te creëren die voorheen onmogelijk waren met traditionele subtractieve productiemethoden. Dit maakt ingewikkelde ontwerpen mogelijk die de prestaties optimaliseren en het gewicht verminderen. * Snel prototypen: De mogelijkheid om snel prototypes van digitale modellen af te drukken, maakt snellere ontwerpiteraties en productontwikkelingscycli mogelijk. * Minder materiaalverspilling: In tegenstelling tot subtractieve productie die veel afval genereert, gebruikt 3D-printen met titaniumpoeder alleen het noodzakelijke materiaal voor het ontwerp, waardoor afval en productiekosten tot een minimum worden beperkt. | * Hoge initiële investering: De kosten van 3D-printers die specifiek zijn ontworpen voor titaniumpoeder kunnen aanzienlijk zijn, waardoor het een investering is die vooral geschikt is voor hoogwaardige toepassingen of grote productiefaciliteiten. * Vereisten voor nabewerking: 3D-geprinte titanium onderdelen vereisen vaak extra nabewerkingsstappen zoals warmtebehandeling, verwijdering van ondersteuning en oppervlakteafwerking om de gewenste mechanische eigenschappen en esthetiek te bereiken. |
| Toepassingen | * Lucht- en ruimtevaart: De mogelijkheid om lichtgewicht, zeer sterke componenten te maken voor vliegtuigconstructies, casco's en motoronderdelen maakt 3D-printen van titanium tot een waardevol hulpmiddel in de lucht- en ruimtevaartindustrie. * Medisch: Biocompatibele titaniumimplantaten zoals protheses, tandheelkundige implantaten en schedelimplantaten profiteren van het vermogen van 3D-printen om op maat gemaakte onderdelen te maken voor patiëntspecifieke behoeften. * Motorsport: Gewichtsreductie is cruciaal in de autosport. 3D-geprinte titaniumcomponenten zoals zuigers, drijfstangen en ophangingsonderdelen dragen bij aan verbeterde prestaties en handling. | * Beperkte beschikbaarheid en expertise: De gespecialiseerde apparatuur en expertise die nodig zijn voor het 3D-printen van titaniumpoeder kan de wijdverbreide acceptatie ervan beperken, vooral voor kleinere fabrikanten of toepassingen met lagere productievolumes. * Veiligheidsproblemen: Het proces van het hanteren van titaniumpoeder kan gezondheidsrisico's met zich meebrengen vanwege de ontvlambaarheid en de kans op ademhalingsproblemen. Goede veiligheidsprotocollen en apparatuur zijn essentieel voor een veilige werkomgeving. |
Vergelijking van Titanium printprocessen
| Proces | Technologie | Materiële grondstof | Bouwenvelop (in³) | Voordelen | Nadelen | Toepassingen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Elektronenbundelsmelten (EBM) | Een krachtige elektronenstraal smelt titaniumpoeder laag voor laag in een vacuümkamer. | Titanium poeder | Maximaal 50 x 50 x 50 | – Uitstekende oppervlakteafwerking en maatnauwkeurigheid – Sterke, bijna netvormige onderdelen met een hoge sterkte-gewichtsverhouding – Minimale restspanning | – Hoge kosten van apparatuur en bediening – Beperkt bouwoppervlak vergeleken met andere methoden – Ruwe oppervlaktetextuur op niet-ondersteunende oppervlakken | – Luchtvaartcomponenten (turbinebladen, landingsgestel) – Medische implantaten (heupkassen, tandheelkundige implantaten) |
| Laserstraal smelten (LBM) | Een krachtige laserstraal smelt titaniumpoeder laag voor laag in een inerte gasomgeving. | Titanium poeder | Tot 120 x 120 x 120 | – Hoge precisie en resolutie – Breed scala aan compatibele titaniumlegeringen – Goede mechanische eigenschappen | – Vereist een afgesloten kamer met inert gas – Hoger energieverbruik van de laser vergeleken met EBM | – Medische en tandheelkundige implantaten – Auto-onderdelen (lichtgewicht componenten) – Luchtvaartcomponenten (structurele onderdelen) |
| Gerichte energiedepositie (DED) | Een gefocusseerde energiebron (laser- of elektronenstraal) smelt titaniumdraad of -poeder en zet dit laag voor laag af op een substraat. | Titaniumdraad of poeder | Tot 1000 x 1000 x 1000 | – Grote bouwomhulling voor het printen van onderdelen op grote schaal – Hogere printsnelheden vergeleken met poederbedfusie – Kan worden gebruikt voor reparatie- en bekledingstoepassingen | – Lagere resolutie en oppervlakteafwerking vergeleken met LBM/EBM – Hoger risico op kromtrekken en vervorming – Beperkte ondersteuning voor complexe geometrieën | – Grootschalige structurele componenten (bruggen, drukvaten) – Reparatie van bestaande onderdelen – Functionele prototypes |
| Binder Jetting (BJ) | Een jethead met vloeibaar bindmiddel deponeert selectief een bindmiddel op een bed van titaniumpoeder, waardoor een stevig groen deel ontstaat. Het onderdeel wordt vervolgens ontbonden en gesinterd. | Titaniumpoeder en vloeibaar bindmiddel | Tot 700 x 500 x 500 | – Lagere kosten per onderdeel vergeleken met andere methoden – Geschikt voor het printen van complexe geometrieën met interne kanalen – Breed scala aan materialen (niet beperkt tot titanium) | – Relatief zwakke onderdelen na ontbinden, waardoor sinteren nodig is – Lagere mechanische eigenschappen vergeleken met fusiemethoden – Nabewerkingsstappen kunnen tijdrovend zijn | – Niet-kritieke auto-onderdelen (interieuronderdelen) – Medische prototypes – Functionele onderdelen met lage spanning |
Normen voor titaanpoeder en gedrukte onderdelen
| Aspect | Standaardisatieorganisaties | Belangrijke overwegingen | Typische normen |
|---|---|---|---|
| Poeder grondstof | ASTM Internationaal (ASTM), ISO | – Chemische samenstelling – Deeltjesgrootte en -verdeling – Vloeibaarheid – Poedermorfologie | – ASTM B348: standaardspecificatie voor strips, platen en platen van titanium en titaniumlegeringen – ASTM F3056: standaardspecificatie voor titaniumpoeder met additieve productie (AM) – ISO 5832-2: luchtvaartserie – metalen materialen – staven, strips en strips van titaniumlegering bladen – Deel 2: Technische specificaties – UNS R56400 (Ti-6Al-4V) |
| Mechanische eigenschappen | ASTM International (ASTM) | – Treksterkte – Treksterkte – Rek – Vermoeiingssterkte – Hardheid | – ASTM F136: standaardspecificatie voor platen en platen voor structurele toepassingen – ASTM F3001: standaardspecificatie voor Additive Manufacturing (AM)-poeders voor laserstraalsmelten – ASTM F3302: standaardspecificatie voor verdichting van titanium en titaniumlegeringspoeders door laserstraalsmelten (LBM) ) |
| Microstructuur en porositeit | ASTM International (ASTM) | – Korrelgrootte – Porositeitsniveau en -verdeling – Oppervlakteruwheid | – ASTM E112: standaardtestmethoden voor het bepalen van de gemiddelde korrelgrootte van metallische materialen – ASTM B924: standaardtestmethoden voor onderzoek en classificatie van oxideverkleuring in titanium – ASTM F2904: standaardpraktijk voor microstructurele karakterisering van additief vervaardigde metaallegeringen |
| Onderdeelontwerp voor Additive Manufacturing (AM) | ASTM International (ASTM), Wohlers-rapport | – Minimale wanddikte – Ontwerp voor draagconstructies – Interne kenmerken en roosterconstructies – Overwegingen met betrekking tot oppervlakteruwheid | – ASTM F4269: standaardpraktijk voor additieve productie met poederbedfusie van metalen – Wohlers-rapport [Wohlers-rapport over de stand van zaken op het gebied van additieve productie] – Ontwerprichtlijnen van machinefabrikanten |
| Niet-destructief onderzoek (NDT) | ASTM International (ASTM) | – Röntgenradiografie – Computertomografie (CT) – Ultrasoon onderzoek – Wervelstroomonderzoek | – ASTM E1742: standaardpraktijk voor radiografisch onderzoek van metalen materialen op porositeit en insluitsels – ASTM F2789: standaardtestmethode voor computertomografie (CT) beeldvorming van additieve productieprocessen (AM) – ASTM E114: standaardpraktijk voor ultrasoon onderzoek van metalen materialen – ASTM E2194: Standaardgids voor elektromagnetische (wervelstroom) testen van metalen producten |
| Nabewerking | ASTM International (ASTM) | – Warmtebehandeling – Heet isostatisch persen (HIP) – Bewerking en afwerking | – ASTM F67: standaardtestmethode voor het bepalen van de schuifsterkte van titaniumschroeven en pennen – ASTM B967: standaardspecificatie voor chemisch ontkalken, elektroreiniging en passivering van titanium en titaniumlegeringen – Richtlijnen voor machinale bewerking en afwerking van machinefabrikanten |
FAQ
Wat is de beste titaniumlegering voor 3D printen?
Ti 6Al-4V is momenteel het meest gebruikte poeder van een titaanlegering voor additieve vervaardiging vanwege de uitstekende mechanische eigenschappen en corrosiebestendigheid in combinatie met de commerciële beschikbaarheid. Ti 6Al-4V ELI biedt een verbeterde breuktaaiheid.
Welke methoden zijn geschikt voor het 3D printen van titanium onderdelen?
Selectieve lasersmelting (SLM) en elektronenstraalsmelting (EBM) zijn de belangrijkste poederbedfusietechnologieën die worden gebruikt voor het printen van titanium. Directed energy deposition (DED) methoden zijn ook geschikt maar hebben meer poreusheid.
Heeft titanium steunen nodig bij het 3D-printen?
Ja, titanium heeft steunen nodig tijdens het printen omdat het snel stolt. Zorgvuldig geoptimaliseerde steunen zijn nodig om oppervlaktedefecten en materiaalverspilling te voorkomen en toch voldoende verankering te bieden.
Is het goedkoper om titanium te 3D-printen of machinaal te bewerken?
Voor eenmalige aangepaste onderdelen is 3D printen van titanium vaak goedkoper omdat er geen gereedschap nodig is. Voor massaproductie kan het CNC bewerken van titanium per onderdeel goedkoper zijn, maar het heeft hogere instelkosten en materiaalafval.
Welke industrieën gebruiken 3D-geprinte titanium onderdelen?
De lucht- en ruimtevaartindustrie is momenteel de grootste toepasser van titaniumprinting dankzij de verbeterde buy-to-fly ratio op complexe onderdelen. Medische, auto-, olie- en gas-, sportartikelen- en consumentensectoren maken ook gebruik van 3D-geprint titanium.
Hoeveel kost titaniumpoeder voor 3D printen?
Titaanpoeder kan variëren van $100-2000 per kilogram, afhankelijk van samenstelling, kwaliteit, bestelaantal en andere factoren. Ti 6Al-4V en Ti 6Al-4V ELI sferische poeders voor kritieke toepassingen vragen een hogere prijs dan $500/kg.
Wat zijn enkele voorbeelden van 3D-geprinte titanium onderdelen?
3D printen maakt innovatieve titanium onderdelen mogelijk zoals vliegtuigsteunen, turbines, motorsportonderdelen, aangepaste protheses, conform gekoelde spuitgietvormen en zelfs brillen of sieraden die gebruik maken van complexe rasterontwerpen.
