Руководство по 3D-печати с использованием титана

Благодаря сокращению количества отходов материала и возможности создавать легкие конструкции, 3D-печать на титане находит свою нишу во многих отраслях промышленности.

Титан обладает превосходными свойствами материала, но его высокая стоимость исторически ограничивала его использование в особо ценных областях авиакосмической промышленности. Теперь, когда металлическая 3D-печать становится все более и более жизнеспособным методом производства, эта технология делает титан более доступным для таких отраслей, как медицина, автомобилестроение и автоспорт.

Сегодняшний пост посвящен тому, что делает титан хорошим выбором для 3D-печати, технологиям, поддерживающим этот материал, а также ключевым промышленным применениям.

Уникальные свойства титана

Сектор Свойства Приложения Аэрокосмическая промышленностьКоррозионная стойкость
Высокое соотношение прочности и веса
Устойчивость к высоким температурам Конструкции каркаса и крыла
Меньшие детали, такие как лопатки компрессора, роторы и другие компоненты газотурбинных двигателей. , неаллергенный) Ортопедические устройства, такие как имплантаты позвоночника, бедра и колена. Автомобилестроение и автоспортКоррозионная стойкость
Высокое соотношение прочности и веса
Устойчивость к высоким температурам Тормозные суппорты, кронштейны, колесные диски, стойки.

Подумайте о прочности, легкости и устойчивости к коррозии, и вы поймете, что делает титан таким востребованным материалом. Титан известен своими превосходными свойствами материала - таким же прочным, как сталь, но с плотностью всего 60%.

Высокое соотношение прочности и плотности титана, хорошая коррозионная стойкость и химическая стойкость делают его особенно востребованным для в таких высокопроизводительных отраслях, как аэрокосмическая и оборонная.

Здесь титановые сплавы используются в тех областях, где требуются легкие детали, способные сохранять свои механические свойства при высоких температурах.

Титан тоже подходит. известен своей биосовместимостью, что делает его идеальным выбором для медицинских применений, таких как имплантаты.

Однако, хотя титан обладает рядом преимуществ, он остается относительно дорогим материалом. Это связано с тем, что металл добывается в относительно небольших количествах, а обработка сырого титана остается сложной задачей, что делает этот материал значительно более дорогим, чем альтернативные металлы, такие как сталь.

Что делает титан подходящим для 3D-печати?

С титаном трудно работать, особенно когда дело касается механической обработки. Во-первых, у титана низкая теплопроводность. Это означает, что при обработке, например, на станке с ЧПУ, выделяемое тепло сохраняется в инструменте с ЧПУ, что может привести к быстрому износу инструмента.

Кроме того, поскольку обработка включает в себя резку и удаление материала, процесс может привести к образованию большого количества отходов материала. В результате многие компании ищут лучшие альтернативы производству титановых деталей.

3D-печать металлом оказывается такой жизнеспособной альтернативой.

В 3D-печати на металле наиболее часто используемым типом титана является сплав Ti6Al4V (Ti64). Помимо Ti64, также можно выполнять 3D-печать из чистого титана.

Преимущества 3D-печати титаном

3D-печать на титане дает множество преимуществ.

В аэрокосмической отрасли использование деталей для 3D-печати из титана часто помогает снизить соотношение закупок и продаж. Термин, пришедший из аэрокосмической промышленности, относится к соотношению между весом первоначально закупленного материала и весом готовой детали.

При традиционном производстве, например, титановые компоненты самолетов могут иметь соотношение покупательной способности и годности от 12:1 до 25:1. Это означает, что для производства 1 кг деталей требуется 12-25 кг сырья. В этом случае до 90% материала удаляется механической обработкой.

Трехмерная печать на металле может снизить это соотношение для титановых компонентов до 3:1 - 12:1. Это связано с тем, что в металлических 3D-принтерах обычно используется только необходимое количество материала, необходимого для создания детали, что приводит к незначительным отходам от несущих конструкций. Для дорогостоящего материала, такого как титан, экономия за счет этого пониженного отношения покупательной способности к лету может быть весьма значительной.

Аддитивное производство также может улучшить легкие свойства титана благодаря оптимизации топологии. Используя программное обеспечение для оптимизации топологии, инженеры устанавливают определенные требования, такие как ограничения нагрузки и жесткости, а затем позволяют программному инструменту оптимизировать первоначальный проект в соответствии с этими требованиями. Благодаря этой оптимизации любой ненужный материал удаляется из конструкции, создавая более легкий, но прочный компонент.

Топологически оптимизированные конструкции часто можно изготавливать только с помощью аддитивных технологий производства. Это преимущество особенно ценится в аэрокосмической отрасли, где легкие титановые детали, напечатанные на 3D-принтере, могут снизить вес и улучшить характеристики самолета.

Какие технологии поддерживают титан?

Три метода металлической 3D-печати, наиболее часто используемые для создания титановых деталей, - это прямое энергетическое осаждение (DED), электронно-лучевая плавка (EBM) и селективная лазерная плавка (SLM).

Прямое распределение энергии

Первые попытки 3D-печати титана начались в 1997 году в корпорации Aeromet, которая использовала технологию DED для производства деталей для аэрокосмической промышленности.

В DED источник энергии высокой интенсивности, такой как лазер или луч, используется для плавления титанового порошка (или проволоки), когда он наносится через сопло на подложку. Ключевым преимуществом здесь является возможность изготавливать большие детали при относительно высокой скорости наплавки материала (до 320 куб. См / ч).

Сегодня существует множество разновидностей технологии DED, включая аддитивное производство электронно-лучевого излучения (EBAM) и проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM) от Sciaky.

Электронно-лучевое плавление

Шведская компания Arcam разрабатывает свою технологию EBM для создания титановых имплантатов и аэрокосмических компонентов, напечатанных на 3D-принтере. В EBM электронный луч направляется на слой металлического порошка, плавясь и сплавляя его с предыдущим слоем.

EBM считается более точным, чем DED, и подходит для небольших сложных деталей. Примечательно, что процесс EBM происходит в вакууме и при высокой температуре. Это приводит к минимальным остаточным напряжениям в деталях, напечатанных на 3D-принтере, что также означает, что детали не требуют последующей термообработки.

В 2013 году Arcam выпустила две машины AM, Arcam Q10 и Arcam Q20, предназначенные для производства ортопедических имплантатов и авиакосмической промышленности соответственно. Arcam Q20 специально разработан для работы со сплавом Ti6Al4V.

Arcam также выпустила 3D-принтер Arcam Spectra H, способный печатать новые склонные к образованию трещин титановые сплавы, такие как алюминид титана.

Выборочная лазерная плавка

Как и EBM, SLM представляет собой процесс плавления в слое порошка, хотя он использует лазерный луч вместо электронного луча для плавления и сплавления слоев металлического порошка. Толщина одного слоя в процессе SLM может достигать 20 микрон, что делает эту технологию намного более точной по сравнению с DED и EBM.

Применение титановой 3D-печати

Аэрокосмическая промышленность доминирует в ключевых областях применения 3D-печати титаном. Тем не менее, другие отрасли, такие как медицина, автоспорт, химическая и морская промышленность, также начинают исследовать технологию производства титановых компонентов.

Аэрокосмическая промышленность

Для аэрокосмических компаний 3D-печать титаном помогает снизить вес высоконагруженных конструкций, что делает его чрезвычайно подходящим для реактивных двигателей, газовых турбин и многих компонентов планера.

Многие из крупнейших аэрокосмических компаний используют титановые детали, напечатанные на 3D-принтере, в своих самолетах.

Liebherr-Aerospace &Transportation SAS

Например, поставщик аэрокосмической продукции Liebherr-Aerospace &Transportation SAS в начале этого года начал серийное производство титановых кронштейнов передней стойки шасси с 3D-печатью для Airbus A350 XWB. Эти кронштейны будут первыми деталями Airbus, которые будут производиться из титана, напечатанного на 3D-принтере.

Boeing и Norsk Titanium

Boeing также сделал ставку на 3D-печать титаном. С 2015 года Boeing в партнерстве с норвежской компанией Norsk Titanium, занимающейся 3D-печатью металла, производит крупные конструкционные титановые компоненты для 787 Dreamliner. В 2017 году они прошли квалификацию FAA для безымянной титановой детали, изготовленной с помощью запатентованной технологии Norsk Rapid Plasma Deposition (RPD).

Основываясь на процессе DED, RDP использует титановую проволоку с плазменными резаками для печати больших титановых структурных компонентов. Сообщается, что эта технология в 50-100 раз быстрее, чем системы на основе порошка, и использует на 25-50% меньше титана, чем процессы ковки. Ускорение сроков выполнения заказа и сокращение отходов материалов могут сэкономить Boeing до 3 миллионов долларов на самолет.

В настоящее время титановая 3D-печать исследуется в основном для небольших компонентов самолетов, таких как кронштейны и корпуса. Однако в будущем его использование может расшириться на гораздо более крупные структурные компоненты, чему способствует экономия веса, стоимости и времени разработки.

Медицина

Нетоксичность, высокая прочность и устойчивость к коррозии делают титан привлекательным материалом для ортопедических и дентальных имплантатов.

Используя 3D-печать, производители медицинского оборудования могут создавать имплантаты со сложной пористой структурой. Примечательно, что эти структуры имитируют структуру костей человека, поэтому костные клетки распознают ее как основу, через которую они могут расти.

Титановые спинномозговые имплантаты Osseus

Одна из компаний, разрабатывающих такие устройства, - американская Osseus Fusion System. Его титановые спинномозговые имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, называемые Aries-L Interbody Fusion Devices, имеют запатентованную многоосевую сетку и оптимизированную топологию микроповерхностей, что позволяет костям быстрее срастаться. Чтобы сделать такие сложные функции возможными, Osseus печатает свои устройства Aries на сертифицированном FDA 3D-принтере SLM.

Использование титановой 3D-печати для изготовления ортопедических устройств, таких как имплантаты позвоночника, бедра и колена, растет. Согласно недавнему отчету Smartech, к 2020 году медицинские применения 3D-печатного титана будут составлять около 274000 кг титана. Это дает очень хорошие перспективы для 3D-печати титаном в медицинской промышленности.

Автомобилестроение и автоспорт

Титановый тормозной суппорт Bugatti

По сравнению с аэрокосмической и медицинской отраслью автомобильная промышленность не так быстро освоила трехмерную печать на титане. Несмотря на те же преимущества, потребительский автомобильный рынок очень внимательно относится к затратам, что ограничивает использование этого дорогостоящего материала в большинстве автомобилей.

В настоящее время титановые детали, напечатанные на 3D-принтере, можно найти в гоночных автомобилях и автомобили класса люкс, где вес и производительность являются важными факторами.

Одним из наиболее ярких примеров использования титановой 3D-печати в автомобилестроении является тормозной суппорт Bugatti, разработанный для его суперкара Bugatti Chiron.

Тормозной суппорт, являющийся неотъемлемой частью тормозной системы, имеет размеры 41 x 21 x 13,6 см и был напечатан на 3D-принтере за 45 часов с использованием технологии SLM. Готовая деталь примерно на 40% легче, чем альтернативный вариант из обработанного алюминия.

В прошлом году компания успешно протестировала тормозной суппорт, доказав, что он может соответствовать экстремальным требованиям по прочности, жесткости и температуре.

В дополнение к тормозному суппорту, Bugatti использовала титановую 3D-печать при производстве активного кронштейна спойлера. В сотрудничестве с Siemens деталь была оптимизирована для снижения веса при сохранении прочности, что привело к снижению веса на 53% и повышению жесткости.

Титановые колеса HRE, напечатанные на 3D-принтере

Американский производитель колесных дисков HRE - еще одна компания, которая извлекает выгоду из 3D-печати на титане. Основная цель HRE заключалась в том, чтобы уменьшить количество отходов при производстве колесных дисков.

Используя технологию EBM, HRE 3D напечатал обод колеса сложной формы и добился снижения веса на 19%.

При использовании традиционных методов производства для этого применения отходы материалов могут достигать 80%. HRE утверждает, что при использовании 3D-печати потери материала не превышают 5%.

HRE считает обод колеса скорее технологической витриной, чем коммерческим продуктом. Тем не менее, этот проект позволяет заглянуть в будущее дизайна и производства колес.

3D-печать титаном и автоспорт

В автоспорте 3D-печать титаном играет «критически важную стратегическую роль» в производстве высокопроизводительных и легких транспортных средств, в том числе гоночных.

Один из примеров - студенческая команда Oxford Brookes Formula. В сотрудничестве с Центром производственных технологий Великобритании (MTC) команда переработала стойки автомобиля и изготовила их с использованием технологии EBM. Благодаря этому процессу команда смогла снизить вес на 50%.

Проблемы 3D-печати титаном

Несмотря на преимущества 3D-печати титаном, необходимо учитывать несколько проблем.

Во-первых, это необходимость разработки стандартов использования титана с аддитивными технологиями. Некоторые компании уже делают шаги в этом направлении. В 2018 году Boeing и Oerlikon подписали пятилетнее партнерство, направленное на стандартизацию 3D-печати на титане и обеспечение соответствия печатных компонентов требованиям FAA и DoD к полетам.

Вторая проблема заключается в высокой стоимости титановых порошков. Например, стоимость титанового порошка, оптимизированного для 3D-печати, колеблется от 300 до 600 долларов.

Чтобы снизить фактическую стоимость материала на килограмм титана, некоторые производители порошка разработали альтернативные методы производства порошка. Канадская компания PyroGenesis, например, использует систему плазменного распыления NexGen ™, которая производит металлический порошок, включая титан, со скоростью более 25 кг / ч. Более высокие темпы производства позволяют компании производить титан по конкурентоспособным ценам.

Британская компания Metalysis разработала еще один метод производства порошка, который может снизить цены на титан. В этом методе используется форма электролиза для преобразования сырого оксида титана в порошок титана. Ключевые преимущества этой технологии заключаются в ее экологичности и низкой стоимости по сравнению с традиционными методами производства порошков.

В сентябре 2018 года компания Metalysis начала коммерческое производство титановых порошков в дополнение к другим сплавам, рассчитывая поставлять от 10 до 100 тонн металлических порошков в год.

Если новые методы производства титанового порошка смогут реализовать свой потенциал, средняя цена 1 кг титана может снизиться на 17% к 2024 году, согласно анализу SmarTech.

3D-печать титаном:выигрышная комбинация

3D-печать титаном стала ценной технологией в аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности. Основная причина этого - выигрышное сочетание превосходных свойств титана и способности 3D-печати сокращать отходы и создавать сложные и легкие конструкции.

В будущем, по мере того, как стоимость титана снижается и открываются новые возможности, 3D-печать титаном станет отличной производственной альтернативой для гораздо более широкого круга отраслей.