Kann Titanlegierung in 3D gedruckt werden?

Haben Sie Schwierigkeiten bei der Suche nach komplexen Titanteilen? Herkömmliche Methoden können langsam und teuer sein. Sie brauchen einen schnelleren, flexibleren Weg, um die von Ihren Kunden geforderten Komponenten zu erhalten.

Ja, Titanlegierungen können in 3D gedruckt werden, insbesondere der beliebte Grad 5 (Ti-6Al-4V). Mit einem Verfahren namens Selektives Laserschmelzen¹ (SLM) wird feines Titanpulver Schicht für Schicht verschmolzen, um starke, komplexe Teile für Branchen wie die Luft- und Raumfahrt und die Medizintechnik herzustellen, die oft die herkömmlichen Fertigungsmöglichkeiten übertreffen.

Ein Kunde von mir, Ahmed, der in der Türkei ein Metallvertriebsunternehmen betreibt, hat mich vor kurzem darauf angesprochen. Er lagert Materialien für kleine Hersteller und wollte wissen, ob der 3D-Druck für ihn ein brauchbarer Markt ist. Wie viele andere auch, sieht er das Potenzial, muss aber die praktischen Details verstehen. Lassen Sie uns auf die Einzelheiten eingehen, damit Sie herausfinden können, ob diese Technologie für Ihr Unternehmen geeignet ist.

Wie werden Titanlegierungen 3D-gedruckt?

Sie fragen sich, wie ein massives Metallteil aus einer Maschine kommt? Es scheint komplex, aber die Idee ist einfach. Sie müssen den Kernprozess kennen, um seine Vorteile zu verstehen.

Die gängigste Methode ist das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM). Dabei wird ein Hochleistungslaser eingesetzt, um Metallpulver Schicht für Schicht zu schmelzen und zu verschmelzen. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung komplizierter Designs, die mit herkömmlichen Guss- oder Schmiedemethoden unmöglich sind.

Auf der Grundlage meiner Arbeit mit Partnern wie Titonest Metal beginnt der Prozess mit einem digitalen 3D-Modell. Diese Datei steuert den Drucker. Die Maschine trägt eine hauchdünne Schicht aus Titanlegierungspulver auf, in der Regel Ti-6Al-4V, das wegen seiner Festigkeit und seiner breiten Verwendung geschätzt wird. Ein leistungsstarker Laser schmilzt das Pulver dann selektiv nach dem digitalen Bauplan. Die Bauplattform senkt sich, eine neue Pulverschicht wird aufgetragen, und der Vorgang wiederholt sich, bis das Teil fertig ist. Ich habe gesehen, wie auf diese Weise komplexe Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und kundenspezifische medizinische Implantate in Massenproduktion hergestellt werden. Die Präzision ist unglaublich, und es eröffnet eine Welt von Möglichkeiten für die Herstellung leichter, stabiler Teile, deren Herstellung bisher zu schwierig oder zu kostspielig war. Das ist der Grund, warum diese Technologie für viele Branchen einen entscheidenden Wandel darstellt.

Welche Metalle können nicht einfach in 3D gedruckt werden?

Denken Sie daran, in den 3D-Druck einzusteigen? Sie könnten annehmen, dass jedes Metall gedruckt werden kann. Aber einige Materialien stellen echte Herausforderungen dar, die ein Projekt zum Scheitern bringen können, wenn Sie nicht vorbereitet sind.

Nicht alle Metalle sind für den standardmäßigen laserbasierten 3D-Druck geeignet. Die Hauptschuldigen sind stark reflektierende Metalle wie reines Kupfer oder bestimmte Aluminiumlegierungen sowie Metalle mit sehr niedrigem Schmelzpunkt. Ihre Eigenschaften stören den Laserschmelzprozess, was zu schlechten Ergebnissen oder misslungenen Drucken führt.

Ich habe viel darüber gelernt, als ich mit mehreren Labors für additive Fertigung in Europa zusammengearbeitet habe. Sie erklärten mir, dass stark reflektierende Metalle wie reines Kupfer einen großen Teil der Laserenergie abprallen lassen, anstatt sie zu absorbieren. Das bedeutet, dass das Pulver nicht richtig oder gleichmäßig schmilzt. Es entsteht ein instabiles Schmelzbad, das zu einem schwachen, porösen Teil führt. Auf der anderen Seite können einige Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt unter der intensiven Hitze des Lasers zu leicht verdampfen, was den Prozess ebenfalls stört. Um diese Probleme zu umgehen, müssen diese Labors hochspezialisierte Parameter entwickeln. Manchmal stellen sie sogar neue Pulvermischungen her, bei denen das schwierige Metall mit einem anderen Material gemischt wird, um die Energieabsorption und die Stabilität beim Drucken zu verbessern. Dies erinnert daran, dass die Materialwissenschaft ebenso wichtig ist wie die Drucktechnologie selbst.

Wie stabil ist 3D-gedrucktes Titan?

Man könnte meinen, dass 3D-gedruckte Teile schwächer sind als geschmiedete. Das ist eine weit verbreitete Sorge. Aber ist sie wahr? Sie müssen die tatsächliche Festigkeit kennen, um sich bei kritischen Anwendungen darauf verlassen zu können.

3D-gedrucktes Titan ist erstaunlich stabil und erreicht oder übertrifft oft die Festigkeit von traditionell geschmiedeten Teilen. Mit der richtigen Nachbearbeitung sind seine mechanischen Eigenschaften zuverlässig genug für anspruchsvolle Bereiche wie Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und medizinische Implantate, in denen ein Versagen nicht in Frage kommt.

Wir führen regelmäßig Tests an den Teilen durch, die meine Partner herstellen. In ASTM E8-Zugtests haben wir gesehen, dass 3D-gedruckte Ti-6Al-4V-Komponenten Zugfestigkeiten von bis zu 895 MPa erreichen. Zum Vergleich: Das ist sehr konkurrenzfähig mit geschmiedeten oder gekneteten Versionen derselben Legierung. Der eigentliche Vorteil ergibt sich nach einem Nachbearbeitungsschritt namens Heiß-Isostatisches Pressen² (HIP). Bei diesem Verfahren werden hohe Hitze und Druck eingesetzt, um alle internen Mikroporen zu beseitigen, die sich während des Drucks gebildet haben könnten. Unsere Ermüdungstests zeigen, dass HIP-behandelte Bauteile eine um bis zu 15% längere Ermüdungslebensdauer aufweisen als herkömmliche Schmiedestücke. Das bedeutet, dass sie mehr Belastungszyklen standhalten können, bevor sie versagen.

Hier ist eine einfache Aufschlüsselung auf der Grundlage unserer Daten:

Eigentum	Traditionell geschmiedetes Ti-6Al-4V	3D-gedrucktes Ti-6Al-4V (wie gedruckt)	3D-gedrucktes Ti-6Al-4V (HIP-behandelt)
Zugfestigkeit	~900 MPa	~895 MPa	~930 MPa
Dichte	~99.5%	~99.7%	>99,9%
Ermüdung Leben	Basislinie	Vergleichbar	Bis zu 15% länger

Diese Daten sind der Grund, warum große Luft- und Raumfahrtunternehmen und Medizintechnikfirmen diese Technologie einsetzen. Sie erhalten die Designfreiheit des 3D-Drucks ohne Einbußen bei der Festigkeit oder Zuverlässigkeit.

Welche anderen gängigen Legierungen können in 3D gedruckt werden?

Titan ist also ein hervorragender Kandidat für den 3D-Druck. Da fragt man sich vielleicht, welche anderen Metalle in Frage kommen. Wenn Sie dies wissen, können Sie ein breiteres Spektrum an Kundenbedürfnissen bedienen.

Ja, viele andere Legierungen als Titan werden routinemäßig in 3D gedruckt. Dazu gehören verschiedene nichtrostende Stähle, Kobalt-Chrom-Legierungen³, Superlegierungen auf Nickelbasis wie Inconel und verschiedene Arten von Aluminiumlegierungen. Jede bietet einzigartige Eigenschaften für bestimmte industrielle Anwendungen, von medizinischen Implantaten bis hin zu Triebwerkskomponenten.

Bei meiner Arbeit sehe ich einige Legierungen immer wieder auftauchen. Neben dem Arbeitspferd Ti-6Al-4V sind Pulver aus Kobalt-Chrom-Legierungen (CoCr) sehr beliebt, insbesondere für medizinische Implantate wie Knie- und Hüftprothesen. Sie weisen eine hervorragende Biokompatibilität und Verschleißfestigkeit auf. Meine Partner bieten CoCr-Pulver an, die nach ISO 13485, der Norm für Medizinprodukte, zertifiziert sind, was für Kunden in diesem Sektor von entscheidender Bedeutung ist. Wir sehen auch eine große Nachfrage nach Superlegierungen auf Nickelbasis wie Inconel 718. Es behält seine Festigkeit auch bei sehr hohen Temperaturen und eignet sich daher hervorragend für Teile von Düsentriebwerken und Gasturbinen. Pulver aus rostfreiem Stahl, wie z. B. 316L, sind ein weiteres Grundnahrungsmittel. Sie werden aufgrund ihrer Korrosionsbeständigkeit für alle Arten von Werkzeugen und Vorrichtungen bis hin zu Schiffs- und Lebensmittelanwendungen verwendet. Alle diese Pulver müssen bei der SLM-Bearbeitung strenge Normen erfüllen, wie z. B. Zertifizierungen für die Luft- und Raumfahrt und das Militär, um sicherzustellen, dass die fertigen Teile stabil, zuverlässig und sicher für die Massenproduktion sind.

Schlussfolgerung

Kurz gesagt, der 3D-Druck mit Titan und anderen Legierungen ist kein Zukunftskonzept mehr. Es handelt sich um ein leistungsfähiges, zuverlässiges Fertigungsverfahren, mit dem sich heute starke, komplexe Teile herstellen lassen.

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