Можно ли напечатать титановый сплав в 3D?

Затрудняетесь найти сложные титановые детали? Традиционные методы могут быть медленными и дорогими. Вам нужен более быстрый и гибкий способ получения компонентов, необходимых вашим клиентам.

Да, титановые сплавы можно печатать в 3D, особенно популярный Grade 5 (Ti-6Al-4V). Используя процесс под названием Селективное лазерное плавление¹ (SLM), тонкий титановый порошок наплавляется слой за слоем для создания прочных, сложных деталей для таких отраслей промышленности, как аэрокосмическая и медицинская, часто превосходящих традиционные производственные возможности.

Один мой клиент, Ахмед, занимающийся дистрибуцией металла в Турции, недавно спросил меня об этом. Он занимается поставками материалов для мелких производителей и хотел узнать, является ли 3D-печать жизнеспособным рынком для него. Он, как и многие другие, видит потенциал, но нуждается в понимании практических деталей. Давайте разберемся в деталях, чтобы вы могли понять, подходит ли эта технология для вашего бизнеса.

Как осуществляется 3D-печать титановых сплавов?

Вам интересно, как цельная металлическая деталь выходит из станка? Это кажется сложным, но идея проста. Чтобы понять преимущества этого процесса, необходимо знать его суть.

Самый распространенный метод - селективное лазерное плавление, или SLM. В нем используется мощный лазер для расплавления и сплавления металлических порошков слой за слоем. Этот процесс позволяет создавать сложные конструкции, которые невозможны при использовании традиционных методов литья или ковки.

Как показывает опыт моей работы с такими партнерами, как Titonest Metal, процесс начинается с создания цифровой 3D-модели. Этот файл направляет работу принтера. Машина наносит очень тонкий слой порошка титанового сплава, обычно Ti-6Al-4V, который ценится за свою прочность и широкое применение. Затем мощный лазер выборочно расплавляет порошок в соответствии с цифровым чертежом. Платформа опускается, наносится новый слой порошка, и процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет готова. Я видел, как таким образом массово изготавливают сложные аэрокосмические компоненты и медицинские имплантаты. Точность невероятная, и это открывает мир возможностей для создания легких и прочных деталей, которые раньше было слишком сложно или дорого изготавливать. Поэтому для многих отраслей эта технология является революционной.

Какие металлы не поддаются 3D-печати?

Думаете о том, чтобы заняться 3D-печатью? Вы можете предположить, что напечатать можно любой металл. Но некоторые материалы представляют собой настоящие трудности, которые могут остановить проект, если вы не будете к нему готовы.

Не все металлы подходят для стандартной лазерной 3D-печати. Главными виновниками этого являются металлы с высокой отражательной способностью, такие как чистая медь или некоторые алюминиевые сплавы, а также металлы с очень низкой температурой плавления. Их свойства мешают процессу лазерного плавления, что приводит к плохим результатам или неудачным отпечаткам.

Я многое узнал об этом, сотрудничая с несколькими лабораториями аддитивного производства в Европе. Они объяснили, что высокоотражающие металлы, такие как чистая медь, отражают большую часть энергии лазера, а не поглощают ее. Это означает, что порошок плавится неправильно и неравномерно. Получается нестабильный расплав, в результате чего деталь получается слабой и пористой. С другой стороны, некоторые сплавы с низкой температурой плавления могут слишком легко испаряться под воздействием интенсивного тепла лазера, что также нарушает процесс. Чтобы обойти эти проблемы, лабораториям приходится разрабатывать узкоспециализированные параметры. Иногда они даже создают новые смешанные порошки, смешивая сложный металл с другим материалом, чтобы улучшить его поглощение энергии и стабильность во время печати. Это напоминание о том, что материаловедение так же важно, как и сама технология печати.

Насколько прочен 3D-печатный титан?

Вы можете подумать, что 3D-печатные детали слабее кованых. Это распространенное опасение. Но так ли это? Необходимо знать реальную прочность, чтобы доверять ей при использовании в критически важных областях.

3D-печатный титан удивительно прочен, часто он соответствует или даже превосходит по прочности традиционные кованые детали. При надлежащей последующей обработке его механические свойства достаточно надежны для таких требовательных отраслей, как аэрокосмическая, оборонная промышленность и медицинские имплантаты, где поломка недопустима.

Мы регулярно проводим испытания деталей, которые производят мои партнеры. Используя испытания на растяжение по стандарту ASTM E8, мы видели, как 3D-печатные компоненты из Ti-6Al-4V достигали прочности на растяжение до 895 МПа. Если говорить в перспективе, то это очень конкурентоспособно по сравнению с коваными или штампованными вариантами того же сплава. Реальное преимущество достигается после этапа постобработки, который называется Горячее изостатическое прессование² (HIP). В этом процессе используется высокая температура и давление, чтобы устранить все внутренние микропоры, которые могли образоваться во время печати. Наши испытания на усталость показывают, что компоненты, обработанные по технологии HIP, имеют усталостную долговечность на 15% больше, чем традиционные штамповки. Это означает, что они могут выдержать больше циклов нагрузок до выхода из строя.

Вот простая разбивка на основе наших данных:

Недвижимость	Традиционная ковка Ti-6Al-4V	3D-печатный Ti-6Al-4V (как напечатанный)	3D-печатный Ti-6Al-4V (HIP-обработка)
Прочность на разрыв	~900 МПа	~895 МПа	~930 МПа
Плотность	~99.5%	~99.7%	>99.9%
Срок службы при усталости	Базовый уровень	Сравнимые	До 15% дольше

Именно благодаря этим данным крупные аэрокосмические фирмы и компании, производящие медицинское оборудование, внедряют эту технологию. Они получают свободу дизайна при 3D-печати, не жертвуя при этом прочностью и надежностью.

Какие еще распространенные сплавы можно печатать 3D?

Итак, титан - отличный кандидат для 3D-печати. Это может заставить вас задуматься о том, какие еще металлы могут быть использованы. Знание этого может помочь вам удовлетворить более широкий круг потребностей клиентов.

Да, многие сплавы, помимо титана, регулярно подвергаются 3D-печати. К ним относятся различные нержавеющие стали, кобальто-хромовые сплавы³суперсплавы на основе никеля, такие как инконель, и различные типы алюминиевых сплавов. Каждый из них обладает уникальными свойствами для конкретных промышленных применений, от медицинских имплантатов до компонентов реактивных двигателей.

В своей работе я снова и снова сталкиваюсь с несколькими сплавами. Помимо рабочего сплава Ti-6Al-4V, очень популярны порошки сплавов кобальт-хром (CoCr), особенно для медицинских имплантатов, таких как протезы коленного и тазобедренного суставов. Они обладают превосходной биосовместимостью и износостойкостью. Мои партнеры поставляют порошки CoCr, сертифицированные по стандарту ISO 13485 для медицинских изделий, что очень важно для клиентов в этом секторе. Мы также видим огромный спрос на суперсплавы на основе никеля, такие как Inconel 718. Он сохраняет свою прочность при очень высоких температурах, что делает его идеальным для деталей реактивных двигателей и газовых турбин. Порошки из нержавеющей стали, например 316L, - еще один основной вид продукции. Благодаря своей коррозионной стойкости они используются во всем: от оснастки и крепежа до морских и пищевых применений. Все эти порошки, используемые в SLM, должны соответствовать строгим стандартам, таким как аэрокосмические и военные сертификаты, чтобы конечные детали были прочными, надежными и безопасными для массового производства.

Заключение

Одним словом, 3D-печать с использованием титана и других сплавов больше не является концепцией будущего. Сегодня это мощный и надежный метод производства, позволяющий создавать прочные и сложные детали.

---