Überblick über 3d-Druck von Titanpulver
Titan ist ein starkes, leichtes und korrosionsbeständiges Metall, das sich ideal für den 3D-Druck komplexer Geometrien für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die Medizin und andere anspruchsvolle Anwendungen eignet. Titanpulver kann für den Druck von Metallteilen mit hoher Dichte und hervorragenden mechanischen Eigenschaften verwendet werden, wobei Pulverbettschmelzverfahren wie selektives Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) zum Einsatz kommen.
Dieser Artikel bietet einen umfassenden Leitfaden zum 3D-Druck von Titanpulver, der die Zusammensetzung, Eigenschaften, Spezifikationen, Anwendungen, Vor- und Nachteile, Lieferanten, Kosten und vieles mehr behandelt.
Zusammensetzung der 3d-Druck von Titanpulver
Titanpulver für die additive Fertigung besteht fast ausschließlich aus dem Element Titan. Allerdings können auch geringe Mengen anderer Elemente wie Aluminium, Vanadium, Eisen, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff enthalten sein.
Titansorten für das Pulverbettschmelzen
| Klasse | Zusammensetzung |
|---|---|
| Ti 6Al-4V | 90% Titan, 6% Aluminium, 4% Vanadium |
| Ti 6Al-4V ELI | Wie Ti 6Al-4V, jedoch mit niedrigeren Grenzwerten für interstitiellen Sauerstoff, Eisen und Stickstoff |
| Handelsübliches Reintitan Grad 1 | 99.2% Minimum Titan |
| Handelsübliches Reintitan Grad 2 | 99.5% Minimum Titan |
| Kommerziell reines Titan Grad 3 | 99.8% Minimum Titan |
| Handelsübliches Reintitan Grad 4 | 99.9% Minimum Titan |
Ti 6Al-4V ist aufgrund seines ausgezeichneten Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit die heute am häufigsten verwendete Sorte in der additiven Fertigung. Die ELI-Variante hat eine verbesserte Duktilität und Bruchzähigkeit.
Handelsübliche Reintitangrade haben eine geringere Festigkeit, aber eine bessere Biokompatibilität für medizinische Implantate. Titan Grad 5 mit höherem Sauerstoffgehalt wird im Allgemeinen nicht für die Pulverbettschweißung verwendet.
Eigentum von 3d-Druck von Titanpulver Teile
3D-gedruckte Titanbauteile können ähnliche oder sogar bessere Eigenschaften aufweisen als herkömmlich hergestelltes Titan, mit dem zusätzlichen Vorteil der Designfreiheit.
Mechanische Eigenschaften
| Eigentum | Ti 6Al-4V | Ti 6Al-4V ELI | CP Ti Klasse 2 |
|---|---|---|---|
| Zugfestigkeit | 930 - 1050 MPa | 860 - 965 MPa | 345 - 485 MPa |
| Streckgrenze | 825 - 890 MPa | 795 - 875 Mpa | ≥ 275 MPa |
| Dehnung beim Bruch | 8 – 15% | ≥10% | 20% |
| Ermüdungsfestigkeit | ≥ 400 MPa | ≥ 550 MPa | 275 - 550 MPa |
| Bruchzähigkeit | 55 - 115 MPa√m | ≥ 100 MPa√m | K.A. |
3D-gedrucktes Titan weist eine Steifigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit auf, die mit herkömmlichen Titanherstellungsverfahren vergleichbar ist. Nachbearbeitungen wie das heißisostatische Pressen (HIP) können die Materialeigenschaften weiter verbessern.
Vorteile
- Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
- Korrosionsbeständigkeit
- Biokompatibilität und Osseointegration
- Gestaltungsfreiheit für Topologieoptimierung
- Weniger Abfall im Vergleich zu subtraktiven Methoden
- Konforme Kühlkanäle ermöglichen Leistungssteigerung
Beschränkungen
- Hohe Reaktivität mit Sauerstoff erschwert die Handhabung
- Druckfehler wie Porosität können die Ermüdungslebensdauer verringern
- Teures Pulvermaterial und Herausforderungen beim Recycling
- Eine Nachbearbeitung kann erforderlich sein, um die Materialspezifikationen zu erreichen.
Spezifikationen von 3d-Druck von Titanpulver
Titanpulver, das für die additive Fertigung verwendet wird, muss strenge Standards für die Partikelgrößenverteilung, Morphologie, Chemie und andere Eigenschaften erfüllen.
Größenverteilung
| Parameter | Typischer Wert | Rolle |
|---|---|---|
| Partikelgrößenbereich | 15 - 45 Mikrometer | Bestimmt die minimale Auflösung des Merkmals, die Verteilbarkeit des Pulvers |
| D10 | 20 Mikrometer | Zeigt eine feinere Pulverfraktion an |
| D50 | 30 Mikrometer | Mittlere Partikelgröße |
| D90 | 40 Mikrometer | Zeigt größere Partikel an |
| Scheinbare Dichte | 2,7 g/cc | Packungsdichte des Pulverbettes, beeinflusst die Reproduzierbarkeit |
Das Pulver sollte eine nahezu kugelförmige Morphologie mit wenigen Satelliten aufweisen, um eine gleichmäßige Verteilung des Pulvers zu gewährleisten. Die chemische Zusammensetzung muss den Spezifikationen entsprechen und darf nur geringe Verunreinigungen enthalten.
Andere kritische Attribute
- Fließfähigkeit
- Restsauerstoff- und Stickstoffgehalt
- Scheinbare und Klopfdichte Konsistenz
- Wiederverwertbarkeit
- Chemische Verträglichkeit mit dem Prozess
- Merkmale der Handhabung
Die Einhaltung strenger Qualitätsanforderungen für jeden Parameter ist entscheidend für eine fehlerfreie Produktion.
Anwendungen von 3d-Druck von Titanpulver
| Industrie | Anmeldung | Vorteile des 3D-Drucks von Titan |
|---|---|---|
| Luft- und Raumfahrt & Luftfahrt | - Flugzeugteile (Flügelteile, Fahrwerksteile) - Raketentriebwerksteile - Satellitenstrukturen | – Gewichtsreduzierung: Das geringere Gewicht führt zu einer höheren Treibstoffeffizienz und einer größeren Flugreichweite. - Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Teile aus Titan können stark und dennoch leicht sein, was für die Leistung von Flugzeugen entscheidend ist. - Gestaltungsfreiheit: Komplexe interne Strukturen können gedruckt werden, um Leistung und Gewichtsverteilung zu optimieren. |
| Medizinisch & Zahnmedizinisch | - Implantate (Hüft-, Knie-, Zahn- und Schädelimplantate) - Chirurgische Instrumente - Maßgeschneiderte Prothetik | – Biokompatibilität: Titan ist für den menschlichen Körper gut verträglich und minimiert das Risiko einer Abstoßung. - Anpassungen: Der 3D-Druck ermöglicht patientenindividuelle Implantate, die perfekt auf die Anatomie des Patienten abgestimmt sind und dadurch besser passen und funktionieren. - Poröse Strukturen: Die Implantate können mit einer porösen Struktur gedruckt werden, die das Einwachsen des Knochens fördert und so für eine bessere langfristige Stabilität sorgt. |
| Automobilindustrie | - Hochleistungsmotorenteile (Pleuelstangen, Kolben) - Leichtbauteile für Autos - Rennsportteile | – Stärke und Langlebigkeit: Titan hält den hohen Temperaturen und dem Druck stand, die in Motoren üblich sind. - Gewichtsreduzierung: Leichtere Teile tragen zu geringerem Kraftstoffverbrauch und besserem Fahrverhalten bei. - Komplexe Geometrien: Der 3D-Druck ermöglicht komplizierte interne Kanäle für die Kühlung oder den Ölfluss. |
| Konsumgüter und Sport | - Hochwertige Fahrradrahmen - Sportprothetik - Schmuck und Brillen | – Einzigartiges Design und individuelle Anpassung: Der 3D-Druck ermöglicht personalisierte Designs und Funktionen. - Stärke und geringes Gewicht: Ideal für Anwendungen, die sowohl Haltbarkeit als auch geringes Gewicht erfordern. - Biokompatibilität: Geeignet für Prothesen und einige Schmuckanwendungen, die mit der Haut in Berührung kommen. |
| Öl und Gas | - Bohrlochwerkzeuge und -ausrüstung - Korrosionsbeständige Rohre und Ventile | – Korrosionsbeständigkeit: Titan eignet sich hervorragend für raue Umgebungen, in denen es Chemikalien und Salzwasser ausgesetzt ist. - Hohe Festigkeit: Hält dem hohen Druck und der Belastung stand, die bei der Öl- und Gasförderung auftreten. - Gewichtsreduzierung: Leichtere Werkzeuge lassen sich in tiefen Bohrlöchern besser manövrieren. |
| Forschung und Entwicklung | - Prototyping komplexer Teile - Testen neuer Designs und Materialien | – Schnelle Iteration: Der 3D-Druck ermöglicht die schnelle Erstellung und Prüfung neuer Designs. - Gestaltungsfreiheit: Komplexe Geometrien können zu Forschungszwecken gedruckt werden. - Materialerkundung: Ermöglicht das Drucken mit verschiedenen Titanlegierungen oder Verbundwerkstoffen zur Bewertung der Eigenschaften. |
Lieferanten von Titanpulver für den 3D-Druck
Die meisten Anbieter von Titanpulver bieten die Sorte Ti 6Al-4V an, die für die additive Fertigung zugeschnitten ist. Einige bieten auch kundenspezifische Legierungsdesigndienste an.
Wichtige Titanpulver-Unternehmen
| Unternehmen | Angebotene Klassenstufen | Dienstleistungen |
|---|---|---|
| AP&C | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Entwicklung kundenspezifischer Legierungen |
| Tekna | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Fortgeschrittene Plasmasphäroidisierung |
| Zimmerer-Zusatzstoff | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Umfassende QA-Tests |
| Praxair | Ti 6Al-4V | Stickstoff-Zerstäubung |
| Epoche | Kommerzielles Reintitan | Bestellungen kleiner Mengen |
Viele 3D-Drucker-OEMs wie EOS und SLM Solutions bieten auch entsprechende Titanpulver an. Recycelte Pulver sind kostengünstiger, haben aber einen höheren Verunreinigungsgrad.
Titan-Pulver Kosten
| Klasse | Morphologie | Preisspanne |
|---|---|---|
| Ti 6Al-4V | Sphärisch | $350-$1000 pro kg |
| Ti 6Al-4V ELI | Sphärisch | $500-$2000 pro kg |
| CP Ti Note 1-4 | Unregelmäßig | $100-$500 pro kg |
Die Kosten hängen maßgeblich von Auftragsvolumen, Qualität, Lieferantenmargen und Recycling ab.
Vor- und Nachteile von 3d-Druck von Titanpulver
| Merkmal | Profis | Nachteile |
|---|---|---|
| Materialeigenschaften | * Hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Titan zeichnet sich durch außergewöhnliche Festigkeit bei geringem Gewicht aus und ist daher ideal für Anwendungen, die eine Gewichtsreduzierung in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie erfordern. * Korrosionsbeständigkeit: Die natürliche Korrosionsbeständigkeit von Titan macht es zu einem idealen Werkstoff für Komponenten, die rauen Umgebungen ausgesetzt sind, z. B. in der Schifffahrt oder in der chemischen Industrie. * Biokompatibilität: Die Biokompatibilität von Titan ermöglicht seine sichere Verwendung in medizinischen Implantaten und fördert die Osseointegration (Verschmelzung mit dem Knochen) für langfristige Funktionalität. | * Begrenzte Materialauswahl: Im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung mit einer größeren Vielfalt an Materialien ist der 3D-Druck mit Titanpulver derzeit auf eine bestimmte Palette von Titanlegierungen beschränkt. |
| Gestaltung und Produktion | * Gestaltungsfreiheit: Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplexer Geometrien, die mit herkömmlichen subtraktiven Fertigungsverfahren nicht möglich sind. Dies ermöglicht komplizierte Konstruktionen, die die Leistung optimieren und das Gewicht reduzieren. * Rapid Prototyping: Die Möglichkeit, Prototypen anhand digitaler Modelle schnell zu drucken, erleichtert schnellere Designiterationen und Produktentwicklungszyklen. * Geringerer Materialabfall: Im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung, bei der viel Ausschuss anfällt, wird beim 3D-Druck mit Titanpulver nur das für das Design benötigte Material verwendet, wodurch Abfall und Produktionskosten minimiert werden. | * Hohe Anfangsinvestitionen: Die Kosten für 3D-Drucker, die speziell für Titanpulver entwickelt wurden, können beträchtlich sein, so dass sich diese Investition vor allem für hochwertige Anwendungen oder große Produktionsanlagen eignet. * Nachbearbeitungsanforderungen: 3D-gedruckte Titanbauteile erfordern häufig zusätzliche Nachbearbeitungsschritte wie Wärmebehandlung, Entfernung von Halterungen und Oberflächenbearbeitung, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften und die gewünschte Ästhetik zu erreichen. |
| Anwendungen | * Luft- und Raumfahrt: Die Fähigkeit, leichte, hochfeste Komponenten für Flugzeugstrukturen, Flugzeugzellen und Triebwerksteile zu erstellen, macht den 3D-Druck von Titan zu einem wertvollen Werkzeug in der Luft- und Raumfahrtindustrie. * Medizinisch: Biokompatible Titanimplantate wie Prothesen, Zahnimplantate und Schädelimplantate profitieren von der Fähigkeit des 3D-Drucks, maßgeschneiderte Teile für patientenspezifische Anforderungen herzustellen. * Motorsport: Gewichtsreduzierung ist im Motorsport von entscheidender Bedeutung. 3D-gedruckte Titankomponenten wie Kolben, Pleuelstangen und Aufhängungsteile tragen zur Verbesserung von Leistung und Handling bei. | * Begrenzte Verfügbarkeit und Expertise: Die spezielle Ausrüstung und das Fachwissen, die für den 3D-Druck von Titanpulver erforderlich sind, können die Verbreitung des Verfahrens einschränken, insbesondere bei kleineren Herstellern oder Anwendungen mit geringem Produktionsvolumen. * Sicherheitsaspekte: Der Umgang mit Titanpulver kann aufgrund seiner Entflammbarkeit und der Gefahr von Atemwegserkrankungen ein Gesundheitsrisiko darstellen. Angemessene Sicherheitsprotokolle und -ausrüstung sind für eine sichere Arbeitsumgebung unerlässlich. |
Vergleich von Titandruck-Verfahren
| Prozess | Technologie | Material Ausgangsmaterial | Gebäudehülle (in³) | Vorteile | Benachteiligungen | Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Elektronenstrahlschmelzen (EBM) | Ein leistungsstarker Elektronenstrahl schmilzt Titanpulver Schicht für Schicht in einer Vakuumkammer. | Titan-Pulver | Bis zu 50 x 50 x 50 | - Hervorragende Oberflächengüte und Maßgenauigkeit - Stabile, endkonturnahe Teile mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis - Minimale Restspannung | - Hohe Kosten für Ausrüstung und Betrieb - Begrenzter Bauraum im Vergleich zu anderen Methoden - Raue Oberflächenstruktur auf nicht tragenden Flächen | - Bauteile für die Luft- und Raumfahrt (Turbinenschaufeln, Fahrwerke) - Medizinische Implantate (Hüftpfannen, Zahnimplantate) |
| Laserstrahlschmelzen (LBM) | Ein Hochleistungslaserstrahl schmilzt Titanpulver Schicht für Schicht in einer Inertgasumgebung. | Titan-Pulver | Bis zu 120 x 120 x 120 | - Hohe Präzision und Auflösung - Große Auswahl an kompatiblen Titanlegierungen - Gute mechanische Eigenschaften | - Erfordert eine abgedichtete Kammer mit Inertgas - Höhere Leistungsaufnahme des Lasers im Vergleich zu EBM | - Medizinische und zahnmedizinische Implantate - Automobilteile (Leichtbauteile) - Luft- und Raumfahrtkomponenten (Strukturteile) |
| Gerichtete Energieabscheidung (DED) | Eine fokussierte Energiequelle (Laser- oder Elektronenstrahl) schmilzt Titandraht oder -pulver und trägt es Schicht für Schicht auf ein Substrat auf. | Titandraht oder -pulver | Bis zu 1000 x 1000 x 1000 | - Großer Bauraum für den Druck großer Teile - Schnellere Druckgeschwindigkeiten im Vergleich zum Pulverbettschmelzen - Kann für Reparatur- und Verkleidungsanwendungen verwendet werden | - Geringere Auflösung und Oberflächengüte im Vergleich zu LBM/EBM - Höheres Risiko von Verzug und Verzerrung - Begrenzte Unterstützung komplexer Geometrien | - Großflächige Strukturbauteile (Brücken, Druckbehälter) - Reparatur bestehender Teile - Funktionsprototypen |
| Binder Jetting (BJ) | Ein Flüssigbinder-Düsenkopf trägt selektiv einen Binder auf ein Bett aus Titanpulver auf, wodurch ein festes Grünteil entsteht. Anschließend wird das Teil entbindert und gesintert. | Titanpulver und flüssiges Bindemittel | Bis zu 700 x 500 x 500 | - Geringere Kosten pro Teil im Vergleich zu anderen Verfahren - Geeignet für den Druck komplexer Geometrien mit internen Kanälen - Große Auswahl an Materialien (nicht auf Titan beschränkt) | - Relativ schwache Teile nach dem Entbindern, die gesintert werden müssen - Geringere mechanische Eigenschaften im Vergleich zu Schmelzverfahren - Nachbearbeitungsschritte können zeitaufwendig sein | - Nicht kritische Automobilkomponenten (Innenraumteile) - Medizinische Prototypen - Funktionsteile mit geringer Beanspruchung |
Normen für Titanpulver und gedruckte Teile
| Aspekt | Normungsgremien | Wichtige Überlegungen | Typische Normen |
|---|---|---|---|
| Pulver Ausgangsmaterial | ASTM International (ASTM), ISO | - Chemische Zusammensetzung - Partikelgröße und -verteilung - Fließfähigkeit - Morphologie des Pulvers | - ASTM B348: Standardspezifikation für Streifen, Bleche und Platten aus Titan und Titanlegierungen - ASTM F3056: Standardspezifikation für Titanpulver für die additive Fertigung (AM) - ISO 5832-2: Luft- und Raumfahrt - Metallische Werkstoffe - Stangen, Streifen und Bleche aus Titanlegierungen - Teil 2: Technische Spezifikationen - UNS R56400 (Ti-6Al-4V) |
| Mechanische Eigenschaften | ASTM International (ASTM) | - Zugfestigkeit - Streckgrenze - Dehnung - Ermüdungsfestigkeit - Härte | - ASTM F136: Standard Specification for Sheet and Plate for Structural Applications - ASTM F3001: Standard Specification for Additive Manufacturing (AM) Powders for Laser Beam Melting - ASTM F3302: Standardspezifikation für die Verdichtung von Titan und Titanlegierungspulvern durch Laserstrahlschmelzen (LBM) |
| Mikrogefüge und Porosität | ASTM International (ASTM) | - Korngröße - Porositätsgrad und -verteilung - Oberflächenrauhigkeit | - ASTM E112: Standard Test Methods for Determining the Average Grain Size of Metallic Materials - ASTM B924: Standardtestmethoden für die Untersuchung und Klassifizierung von Oxidverfärbungen in Titan - ASTM F2904: Standardverfahren für die mikrostrukturelle Charakterisierung von additiv gefertigten Metalllegierungen |
| Teilekonstruktion für die additive Fertigung (AM) | ASTM International (ASTM), Wohlers Bericht | - Mindestwanddicke - Entwurf für Stützstrukturen - Innere Merkmale und Gitterstrukturen - Überlegungen zur Oberflächenrauhigkeit | - ASTM F4269: Standard Practice for Additive Manufacturing with Powder Bed Fusion of Metals - Wohlers Report [Wohlers Report on Additive Manufacturing State of the Industry] - Konstruktionsrichtlinien von Maschinenherstellern |
| Zerstörungsfreie Prüfung (NDT) | ASTM International (ASTM) | - Röntgendurchleuchtung - Computertomographie (CT) - Ultraschallprüfung - Wirbelstromprüfung | - ASTM E1742: Standard Practice for Radiographic Examination of Metallic Materials for Porosity and Inclusions - ASTM F2789: Standardtestverfahren für die Computertomographie (CT) bei additiven Fertigungsverfahren (AM) - ASTM E114: Standardverfahren für die Ultraschallprüfung von metallischen Werkstoffen - ASTM E2194: Standardleitfaden für die elektromagnetische (Wirbelstrom-) Prüfung von Metallprodukten |
| Nachbearbeitung | ASTM International (ASTM) | - Wärmebehandlung - Heiß-Isostatisches Pressen (HIP) - Spanende Bearbeitung und Endbearbeitung | - ASTM F67: Standardprüfverfahren zur Bestimmung der Scherfestigkeit von Schrauben und Stiften aus Titan - ASTM B967: Standardspezifikation für die chemische Entzunderung, Elektroreinigung und Passivierung von Titan und Titanlegierungen - Bearbeitungs- und Endbearbeitungsrichtlinien von Maschinenherstellern |
FAQ
Was ist die beste Titanlegierung für den 3D-Druck?
Ti 6Al-4V ist derzeit das am häufigsten verwendete Titanlegierungspulver für die additive Fertigung. Grund dafür sind seine hervorragenden mechanischen Eigenschaften und seine Korrosionsbeständigkeit in Verbindung mit seiner kommerziellen Verfügbarkeit. Ti 6Al-4V ELI bietet eine verbesserte Bruchzähigkeit.
Mit welchen Methoden lassen sich Teile aus Titan in 3D drucken?
Selektives Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) sind die wichtigsten Technologien für das Schmelzen von Titan im Pulverbett. Directed Energy Deposition (DED)-Methoden sind ebenfalls geeignet, weisen aber mehr Porosität auf.
Braucht Titan beim 3D-Drucken Stützen?
Ja, Titan benötigt während des Drucks Stützen, da es schnell erstarrt. Sorgfältig optimierte Stützen sind erforderlich, um Oberflächendefekte und Materialverschwendung zu vermeiden und dennoch eine angemessene Verankerung zu gewährleisten.
Ist es billiger, Titan in 3D zu drucken oder zu bearbeiten?
Für einmalige kundenspezifische Teile ist der 3D-Druck von Titan oft billiger, da keine Werkzeuge erforderlich sind. Bei der Massenproduktion kann die CNC-Bearbeitung von Titan niedrigere Kosten pro Teil verursachen, hat aber höhere Vorlaufkosten und Materialabfälle.
Welche Branchen verwenden 3D-gedruckte Titanbauteile?
Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist heute der größte Anwender des Titandrucks, da sie bei komplexen Komponenten ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis erzielen kann. Auch die Medizin-, Automobil-, Öl- und Gas-, Sportartikel- und Konsumgüterbranche nutzt 3D-gedrucktes Titan.
Wie viel kostet Titanpulver für den 3D-Druck?
Titanpulver kann je nach Zusammensetzung, Qualität, Bestellmenge und anderen Faktoren zwischen $100 und 2000 pro Kilogramm liegen. Für kugelförmige Ti 6Al-4V- und Ti 6Al-4V ELI-Pulver für kritische Anwendungen werden höhere Preise als $500/kg verlangt.
Welche Beispiele gibt es für 3D-gedruckte Titanteile?
Der 3D-Druck ermöglicht innovative Titanbauteile wie Flugzeughalterungen, Turbinen, Motorsportkomponenten, maßgeschneiderte Prothesen, konform gekühlte Spritzgussformen und sogar Brillen oder Schmuck, die komplexe Gitterstrukturen nutzen.
