Все о 3D печати титаном

Сегодня мы рассказываем о титане. Это переходный металл, который в чистом виде в природе никогда не встречается. Для его извлечения с помощью сложного процесса используются такие минералы, как рутил (TiO2) и ильменит (FeTiO3).

Хотя этот процесс позволяет получать чистый титан, он остается энергетически затратным. Чистота полученного металла обычно составляет 99,9%, но его часто сплавляют с другими металлами для создания сплавов с более высокими эксплуатационными характеристиками. Благодаря своим характеристикам титан стал предпочтительным материалом для аддитивного производства в таких областях, как медицина, аэрокосмическая промышленность и автомобилестроение. Каковы его сильные стороны и характеристики? Какие технологии 3D-печати можно использовать?

Характеристики титана

Титан Ti имеет атомный номер 22 и является материалом, который ценится за его практичность и универсальность. Он отличается легкостью, прочностью, низкой токсичностью и высокой устойчивостью к коррозии, что делает его пригодным для многих областей применения. Кроме того, имея прочность, близкую к прочности стали, при этом материал весит примерно на 40% меньше, он особенно полезен для изготовления деталей, которые одновременно легки и долговечны.

Титан также устойчив к воздействию соленой воды, химикатов и износа, что делает его идеальным материалом для экстремальных условий. Помимо механических свойств, он обладает хорошими термическими качествами, выдерживая высокие температуры — до 600°C. Напротив, он остается стабильным даже при очень низких температурах.

Этот материал трудно поддается обработке, особенно из-за его низкой теплопроводности. При обработке, например, на станках с ЧПУ, выделяемое тепло в основном сохраняется в станке, что может привести к быстрому износу. Кроме того, при механической обработке часто образуется много отходов из-за удаления материала. Столкнувшись с этими проблемами, многие компании переходят на более эффективные методы производства титановых деталей. Поэтому 3D печать по металлу представляется многообещающим решением.

Титановые сплавы для 3D печати

Титан часто используется в качестве сплава в 3D печати, хотя его также можно извлекать в чистом виде для определенных применений, например, в медицинской сфере, благодаря его биосовместимости. В 3D печати используется несколько титановых сплавов, наиболее распространенным из которых является Ti6Al -4V марки 5 (Ti64), смесь титана, алюминия и ванадия, ценимая за свою устойчивость к нагреванию и коррозии.

Другие сплавы включают Ti6Al-4V марки 23, подходящий для протезирования и медицинских имплантатов, а также более прочный, устойчивый к окислению титан Beta 21S, используемый в ортопедических имплантатах и ​​авиакосмических двигателях. Cp-Ti (чистый титан) также используется в медицине благодаря своей совместимости с организмом человека. Наконец, сплав TA15, состоящий из титана, алюминия и циркония, ценится для изготовления деталей, устойчивых к высоким температурам, в авиации и двигателях.

В области 3D печати титановые сплавы предпочтительнее чистого титана из-за их адаптивности к сложным приложениям. Хотя чистый титан известен своей легкостью, коррозионной стойкостью и биосовместимостью, у него есть определенные ограничения, которые иногда делают его менее эффективным. Действительно, его прочность, твердость и сопротивление усталости относительно низкие, что может представлять проблему для применений, требующих материалов, способных выдерживать высокие нагрузки и повторяющиеся напряжения.

Технологии 3D печати для титана

В 3D печати титан обычно используется в виде металлического порошка или проволоки, в зависимости от выбранной технологии. Печать титаном возможна благодаря нескольким технологиям, предлагающим различные решения для изготовления деталей. Одним из наиболее распространенных является концентрированное энерговыделение. В этом процессе титан в виде порошка или проволоки осаждается, а затем плавится с использованием источника энергии, например лазера. Другим популярным методом является лазерная порошковая плавка (L-PBF), также называемая DMLS или SLM. В этой технологии лазер плавит частицы металлического порошка слой за слоем, создавая высокоточные титановые детали, например, из сплава Ti6Al4V.

Для печати титаном также используется метод электронно-лучевой плавки (EBM). Он работает иначе, чем лазер, используя электронный луч в вакуумной среде, и особенно подходит для изготовления титановых деталей, требующих высокой прочности, например, тех, которые используются в аэронавтике. Наконец, 3D печать со струйной подачей связующего вещества — это еще один метод, при котором титановый порошок связывается со связующим веществом, а затем затвердевает в процессе спекания.

3D печать титаном, хотя и весьма перспективна, сопряжена с рядом проблем, о которых важно упомянуть. Во-первых, себестоимость производства высока из-за стоимости титановых сплавов, которые дороже других материалов, используемых в аддитивном производстве. Эта стоимость также обусловлена ​​сложностью процесса печати и необходимостью последующей обработки деталей.

Кроме того, для 3D печати доступно меньше титановых сплавов, чем других металлов, что может усложнить поиск и увеличить затраты. Наконец, после печати титановые детали часто требуют тщательной постобработки, такой как удаление поддержек, термообработка и полировка, для достижения желаемого качества. Эти дополнительные шаги не только увеличивают время производства, но и затраты.

Области применения 3D печати титаном

В аэрокосмической отрасли 3D печать титаном нашла применение в производстве ключевых компонентов, включая лопатки турбин, опоры и конструктивные элементы. Этот металл ценится за уникальное сочетание легкости, прочности и устойчивости к экстремальным температурам.

В медицине титан используется уже давно благодаря своим биосовместимым свойствам и стойкости к коррозии. От протезирования до персонализированных имплантатов эта технология преобразила медицинский сектор, обеспечив лучшие результаты и сократив время хирургических операций, о чем свидетельствуют примеры имплантатов, произведенных Amnovis.

Автомобильная промышленность также все чаще применяет 3D печать из титана для снижения веса транспортных средств и повышения топливной экономичности. Эта технология используется для производства компонентов двигателей, выхлопных систем, деталей подвески и даже деталей шасси. Наконец, это распространяется и на другие промышленные секторы, такие как производство инструментов, приспособлений и крепежных изделий. Фактически, это позволяет производить сложные инструменты и конструкции, адаптированные к конкретным потребностям.

Итог

Титан и его сплавы широко используются в промышленности. 3D печать позволяет использовать материалы на основе титана более эффективно, чем при традиционных способах. Разные технологии аддитивного производства помогают снизить количество отходов и максимально сохранить свойства титана.

Наши предыдущие статьи: