3D-Druck Titan-Pulver ist ein starkes, leichtes und korrosionsbeständiges Metall, das sich ideal für den 3D-Druck komplexer und langlebiger Teile für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die Medizintechnik und andere moderne Anwendungen eignet. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die Metallurgie von Titanpulver, seine Eigenschaften, Anwendungen und Lieferanten für die additive Fertigung mit Titan.
Überblick über 3d-Druck von Titanpulver
Titan ist aufgrund seiner hohen Festigkeit im Verhältnis zum Gewicht, seiner Ermüdungs- und Bruchfestigkeit und seiner Biokompatibilität ein begehrtes Material für den 3D-Druck. Titanpulver ermöglicht den Druck von Teilen mit feinen Merkmalen und komplexen Geometrien durch Pulverbettschmelzverfahren.
Titansorten: Zu den häufig verwendeten Titanlegierungen für AM gehören Ti-6Al-4V (Ti64), Ti64 ELI, kommerziell reines (CP) Ti Grade 2 und Ti 6242.
Herstellung von Pulver: Titanpulver wird durch Gaszerstäubung hergestellt, bei der geschmolzenes Titan durch einen Inertgasstrahl in feine kugelförmige Partikel mit enger Größenverteilung zerstäubt wird. Auch das Plasma-Rotations-Elektroden-Verfahren (PREP) wird eingesetzt.
Pudergrößen: Typische Pulvergrößen liegen zwischen 15 und 45 Mikrometern. Feinere Pulver um 15 Mikron ermöglichen eine bessere Auflösung, während gröbere Pulver mit 45 Mikron höhere Aufbauraten ermöglichen.
Fließfähigkeit und Wiederverwendung: Die kugelförmige Morphologie und die kontrollierte Größenverteilung sorgen für eine gute Fließfähigkeit. Titanpulver kann bei sachgemäßer Handhabung in der Regel bis zu 10-20 Mal wiederverwendet werden.
Sicherheit: Titanpulver ist leicht entzündlich und reagiert aufgrund seiner pyrophoren Eigenschaften mit Luft. Die ordnungsgemäße Handhabung in einer inerten Atmosphäre ist entscheidend.
Zusammensetzung und Mikrogefüge
Die Zusammensetzung des Titanpulvers, das Mikrogefüge, die vorhandenen Phasen und Defekte wie Porosität bestimmen die endgültigen Eigenschaften der gedruckten Teile.
Elementare Zusammensetzung
| Legierung | Titan | Aluminium | Vanadium | Eisen | Sauerstoff | Stickstoff | Wasserstoff |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ti-6al-4v | Waage | 5.5-6.5% | 3.5-4.5% | <0.3% | <0.2% | <0.05% | <0,015 Prozent |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | Waage | 5.5-6.5% | – | – | – | – | – |
| CP Klasse 2 Ti | 99,2% min | – | – | 0,3% max. | 0,25% max. | 0,03% max. | 0,015% max. |
Phasen: Titanlegierungen enthalten eine Mischung aus α-hexagonal dicht gepackten und β-kubisch zentrierten Phasen. Die Abkühlungsraten bei AM können Nicht-Gleichgewichtsphasen erzeugen.
Defekte: Mangelnde Verschmelzung, Porosität und Mikrorisse können auftreten und die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen. Das heißisostatische Pressen (HIP) trägt zur Verringerung von Mängeln und zur Verbesserung der Konsistenz bei.
Struktur der Körner: In AM-Titanlegierungen sind aufgrund der schnellen Erstarrung und des epitaktischen Wachstums säulenförmige Prior-β-Körner entlang der Aufbaurichtung zu sehen. Die Breite der säulenförmigen Körner beeinflusst die Festigkeit.
Oberflächenrauhigkeit: Pulverbettschmelzverfahren führen aufgrund teilweise aufgeschmolzener Pulverpartikel zu halbglatten Oberflächen im Druck. Häufig ist eine zusätzliche Nachbearbeitung erforderlich.
Wichtige Eigenschaften
Die Eigenschaften gedruckter Titanbauteile werden durch die Zusammensetzung, die Porosität, die Oberflächenrauhigkeit, die Bauausrichtung, die Wärmebehandlung und die Prüfrichtung beeinflusst.
Physikalische Eigenschaften
| Eigentum | ti-6al-4v | CP Klasse 2 Ti |
|---|---|---|
| Dichte (g/cc) | 4.42 | 4.51 |
| Schmelzpunkt (°C) | 1604-1660 | 1668 |
Mechanische Eigenschaften
| Eigentum | Wie gedruckt | Heißisostatisch gepresst (HIP) | Schmiedewerk-geglüht |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit (MPa) | 900-1300 | 950-1150 | 860-965 |
| Streckgrenze (MPa) | 800-1100 | 825-900 | 790-870 |
| Bruchdehnung (%) | 5-15 | 8-20 | 15-25 |
| Härte (HRC) | 32-44 | 32-36 | 31-34 |
Vorteile
- Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
- Behält seine Festigkeit bei erhöhten Temperaturen
- Widerstandsfähig gegen Ermüdung, Verschleiß und Korrosion
- Bioinert – geeignet für medizinische Implantate
- Kann Sterilisationsbehandlungen standhalten
Beschränkungen
- Teures Material und AM-Verfahren
- Reaktives und brennbares Pulver
- Anisotrope Eigenschaften
- Geringere Duktilität als bei geschmiedeten Formen
Anwendungen von additiv gefertigten Titanteilen
Der 3D-Druck erweitert die Einsatzmöglichkeiten von Titan für leichtere, stärkere und leistungsfähigere Komponenten in allen Branchen.
Luft- und Raumfahrt: Turbinenschaufeln, Flugwerks- und Triebwerksstrukturen, Antennen, Wärmetauscher
Automobilindustrie: Pleuelstangen, Ventile, Turboladerräder, Komponenten des Antriebsstrangs
Medizinische und zahnärztliche Leistungen: Orthopädische Implantate, Prothesen, chirurgische Instrumente, auf den Patienten abgestimmte Geräte
Öl und Gas: Korrosionsbeständige Rohre, Ventile, Brunnenkopfkomponenten, Abscheider
Konsumgüter: Sportgeräte wie Fahrradrahmen, Golfschlägerköpfe, Brillengestelle
Werkzeuge: Leichte, konforme Kühlkanäle, die in Metall-Spritzgussformen, Vorrichtungen und Halterungen integriert sind
Beliebt 3D-Druck Titan-Pulver für AM
| Legierung | Anwendungen | Druckbarkeit | Oberflächengüte | Mechanische Eigenschaften |
|---|---|---|---|---|
| Ti-6Al-4V ELI | Komponenten für die Luft- und Raumfahrt, biomedizinische Implantate | Ausgezeichnet | Mäßig | Hohe Festigkeit, Härte, Ermüdungsfestigkeit |
| ti-6al-4v | Strukturteile für die Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie | Sehr gut | Mäßig | Festigkeit, Bruchzähigkeit |
| Ti 6242 | Hochtemperatur-Komponenten | Gut | Schlecht | Festigkeit bei 300°C, Kriechstromfestigkeit |
| CP Grade 2 Titanium | Medizinische Implantate, chemische Anlagen | Mäßig | Sehr gut | Duktilität, Korrosionsbeständigkeit |
Spezifikationen und Normen
Für Titanpulver und gedruckte Teile gelten strenge Qualitätsanforderungen gemäß den Normen der Luft- und Raumfahrt und der Medizin.
Pulverspezifikationen
| Parameter | Anforderung | Test Method |
|---|---|---|
| Partikelgröße | 15-45 μm | Laserbeugung |
| Scheinbare Dichte | ≥ 2,7 g/cc | Hall-Durchflussmesser |
| Zapfstellendichte | ≥ 3,2 g/cc | Gewindebohrer-Dichtheitsprüfer |
| Durchflussmenge | 15-25 s/50g | Hall-Durchflussmesser |
| Chemische Zusammensetzung | Zertifikat der Analyse | GDMS, ICP-MS |
Qualifikationsstandards für Teile
| Standard | Einzelheiten |
|---|---|
| ASTM F3001 | Standard für AM-Teile aus Titan |
| ASTM F2924 | Titanlegierung Ti-6Al-4V ELI |
| ASTM F3184 | Ausgangsmaterial: Titanlegierungspulver |
| AMS7009 | Spezifikation für Luft- und Raumfahrtmaterial |
| ISO 13485 | Medizinprodukte – Qualitätsmanagement |
Konstruktionsprinzipien für Titanium AM
Um die Vorteile der additiven Fertigung mit Titan nutzen zu können, ist ein geeignetes Bauteildesign entscheidend.
- Minimierung von Überhängen zur Vermeidung von Stützkonstruktionen
- Teile ausrichten, um Pulver leichter entfernen zu können
- Ermöglicht Nachbearbeitungen wie HIP und Bearbeitung
- Integrierte Kanäle für konforme Kühlung
- Konsolidierung von Baugruppen zu einzelnen Titanteilen
- Verstärken Sie stark beanspruchte Bereiche mit Gittern
- Optimierung der Formen zur Gewichtsreduzierung durch Topologieoptimierung
Lieferanten von 3D-Druck Titan-Pulver
| Anbieter | Angebotene Klassenstufen | Pudergrößen | Zusätzliche Dienstleistungen |
|---|---|---|---|
| AP&C | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI, Ti64, CP-Ti Sorten 1-4 | 15-45 μm | Analyse, Prüfung, Siebung, Vermischung, Lagerung |
| Zimmerer-Zusatzstoff | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | 15-45 μm | Kundenspezifische Legierungen, Parameterentwicklung |
| LPW-Technologie | Ti-6Al-4V ELI, Ti-6Al-4V, CP-Ti Grad 2 | 15-45 μm | Materialprüfung, Analyse der Wiederverwendung von Pulver |
| Praxair | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI | 15-100 μm | Sieben, Mischen, Lagern |
| Sandvik | Osprey Titan-Legierungen | 15-45 μm | Verwaltung des Lebenszyklus von Pulvern |
Kosten: ~$500-$1000 pro kg, aber abhängig von Auftragsvolumen, Sorte, Größenverteilung, Gaszerstäubungsmethode, zusätzlicher Handhabung und Prüfanforderungen.
FAQs
F: Welche Methoden können für den 3D-Druck von Titanteilen verwendet werden?
A: Titan wird hauptsächlich durch Pulverbettschmelzen mittels selektivem Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) gedruckt. Drahtbasierte Verfahren wie Laser Metal Deposition (LMD) und schweißbasiertes Direct Energy Deposition (DED) sind ebenfalls möglich, aber weniger verbreitet.
F: Erfordert Titanpulver für AM eine besondere Lagerung oder Handhabung?
A: Ja, Titan reagiert leicht mit Luft, daher muss das Pulver unter inerter Atmosphäre mit Argon oder Stickstoffgas gelagert und verarbeitet werden. Entflammbare Umgebungen und Zündquellen müssen vermieden werden. Das Personal sollte beim Umgang mit Titanpulver eine Schutzausrüstung tragen.
F: Was verursacht Porositätsprobleme in AM-Titanteilen?
A: Hohe Abkühlungsraten führen zu Gaseinschlüssen und damit zu fehlenden Schmelzfehlern. Eine Optimierung von Parametern wie Leistung, Geschwindigkeit, Schraffurabstand, Fokusversatz und Pulverschichtdichte ist erforderlich, um die Porosität zu minimieren. Heißisostatisches Pressen (HIP) kann ebenfalls zur Verdichtung der Teile nach dem ersten Druck beitragen.
F: Warum ist es schwierig, direkt nach der AM-Bearbeitung glatte Titanoberflächen zu erzielen?
A: Teilweise geschmolzenes Titanpulver kann an Oberflächen haften und eine raue Oberfläche verursachen. Trommeln, Sandstrahlen, Fräsen, Schleifen und Polieren sind sekundäre Verfahren zur Glättung von gedruckten Teilen aus Titan. Chemische oder elektrochemische Nachbearbeitungsverfahren werden ebenfalls eingesetzt.
F: Kann man handelsübliches Reintitan in 3D drucken?
A: Ja, unlegiertes CP-Titanpulver der Grade 1 bis 4, das den ASTM-Normen wie B348 für die Zusammensetzung und Partikelgrößenverteilung entspricht, kann zum Drucken von Reintitankomponenten für Anwendungen verwendet werden, die eine hohe Duktilität erfordern, wie z. B. Knochenimplantate und Chemieanlagen.