Titan 3D-Druck-Pulver

Titan-3D-Druckpulver ist ein starkes, leichtes Konstruktionsmetall, das in der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der Industrie breite Anwendung findet. Titanlegierungspulver wie Ti-6Al-4V ermöglichen den 3D-Druck komplexer Teile, die eine hohe Festigkeit sowie KorrosionsbestÀndigkeit und BiokompatibilitÀt aufweisen.

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InhaltsĂŒbersicht

Übersicht

Titan ist ein starkes, leichtes Konstruktionsmetall, das in der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und der Industrie in großem Umfang eingesetzt wird. Pulver aus Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V ermöglichen den 3D-Druck komplexer Teile, die eine hohe Festigkeit, KorrosionsbestĂ€ndigkeit und BiokompatibilitĂ€t aufweisen.

Selektives Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) können feines Titanpulver zu vollstĂ€ndig dichten Bauteilen mit komplizierten Designs verarbeiten, die durch maschinelle Bearbeitung oder Gießen nicht machbar sind. Dieser Leitfaden behandelt die Zusammensetzung von Titanlegierungen, Eigenschaftsdaten, Anwendungen, Druckerparameter und Lieferanten, um die Vorteile des 3D-Drucks von Metallen zu nutzen.

Zusammensetzung von Titandruckpulvern

Titanlegierungen bestehen in erster Linie aus Titan mit anderen Legierungselementen wie Aluminium, Vanadium, Eisen, MolybdĂ€n und anderen, um bestimmte Eigenschaften zu verbessern. Zu den gĂ€ngigsten Titansorten fĂŒr AM gehören:

Legierung Ti Inhalt Wichtige Legierungselemente
Ti-6Al-4V Bal. 88%+ Aluminium 6%, Vanadium 4%
Ti-6Al-4V ELI Bal. 89%+ Aluminium 6%, Vanadium 4%
Ti 6242 Bal. Aluminium 6%, MolybdÀn 2%
Ti64 Bal. 90% Aluminium 6%, Vanadium 4%
  • Ti-6Al-4V (Grad 5) ist die am weitesten verbreitete Titanlegierung, deren Festigkeit auf der Stabilisierung durch +Al und der AusscheidungshĂ€rtung durch +V beruht. Eine ELI-Variante (Extra Low Interstitial) weist eine hohe DuktilitĂ€t auf.
  • Die Legierung Ti 6242 ersetzt einen Teil des Vanadiums, um sie fĂŒr biokompatible orthopĂ€dische Implantate, die eine Osseointegration erfordern, besser geeignet zu machen.
  • Spurenelemente wie Eisen, Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff werden auf ein Minimum reduziert, da sie sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften auswirken, wenn sie ĂŒber die festgelegten Grenzwerte hinaus vorhanden sind.

Eigenschaften von Metall-Titan-Druckpulvern

Zu den wichtigsten Materialeigenschaften, die Titanlegierungen fĂŒr Flugzeuge und medizinische Produkte attraktiv machen, gehören:

Eigentum Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V ELI
Dichte 4,43 g/cm3 4,43 g/cm3
Schmelzpunkt 1604-1660°C 1650°C
Zugfestigkeit 895-975 MPa 860-965 MPa
Streckgrenze (0,2% Offset) 825-869 MPa 795-827 MPa
Dehnung 10-16% >15%
ElastizitÀtsmodul 114 GPa 105 GPa
WÀrmeleitfÀhigkeit 7,0 W/m-K 7,2 W/m-K
Elektrischer spezifischer Widerstand 170-173 ΌΩ-cm 198 ΌΩ-cm
  • Die hohe Festigkeit im VerhĂ€ltnis zur geringen Dichte (die HĂ€lfte von Stahl) macht Titanbauteile leichter. Die Festigkeit ĂŒbertrifft gĂ€ngige Aluminiumlegierungen und vermeidet Korrosionsprobleme.
  • Duktil genug fĂŒr die Kaltumformung. Varianten mit besonders geringen Zwischengitteranteilen wie Ti64 ELI erhöhen die Dehnung zusĂ€tzlich.
  • Schmelzen bei ĂŒber 1600°C. BehĂ€lt seine Eigenschaften auch bei 400-500°C bei.
  • Die thermischen und elektrischen LeitfĂ€higkeiten sind recht niedrig, um Funken zu vermeiden und die WĂ€rme zu isolieren.

Anwendungen von 3D-gedruckten Metallteilen aus Titan

Luft- und Raumfahrt

  • Strukturelle ZellentrĂ€ger, Rippen, LaufrĂ€der und Armaturen
  • Leichtgewichtige TurboladergehĂ€use und WĂ€rmetauscher
  • In die Turbinenteile von DĂŒsentriebwerken integrierte konforme KĂŒhlkanĂ€le
  • Maßgeschneiderte UAV/Drohnen-Rahmen entsprechend den Komponenten

Medizin und Zahnmedizin

  • OrthopĂ€dische Knie-, HĂŒft-, WirbelsĂ€ulen- und Kieferimplantate wie HĂŒftpfannen
  • Zahnabutments fĂŒr Kronen und BrĂŒcken
  • Speziell auf die Anatomie des Patienten zugeschnittene SchĂ€delrekonstruktionsplatten

Automobilindustrie

  • MotorgehĂ€usehalterungen und AufhĂ€ngungselemente
  • Konforme konturnahe KĂŒhlung in Spritzgussformen integriert
  • Leichte Bremsscheiben mit ausgeklĂŒgelten Luftstromgeometrien

Prozessparameter fĂŒr den 3D-Druck von Titan

SchlĂŒsselparameter bei der Verwendung von Titanpulver in Pulverbettschmelzverfahren:

LPBF-Einstellungen

Parameter Bereich
Laserleistung (W) 170-380W
Scan-Geschwindigkeit (mm/s) 700-1100mm/s
StrahlgrĂ¶ĂŸe (ÎŒm) 75-115 ÎŒm
Schichthöhe (ÎŒm) 20-75 ÎŒm
Abstand der Schraffur (ÎŒm) 80-160 ÎŒm
Abschirmgas Argon

EBM-Einstellungen

Parameter Bereich
Strahlleistung (W) 3 kW
Strahlgeschwindigkeit (mm/s) Bis zu 8 m/s
StrahlengrĂ¶ĂŸe (mm) 0.2-0.4
Schichthöhe (mm) 0.05-0.2
Aufbau-Temperatur (°C) 650-800°C

LPBF erfordert StĂŒtzstrukturen, wĂ€hrend EBM das Metall ohne UnterstĂŒtzung aufbaut. Die Dichte ≄99% wird nach Spannungsabbau und heißem isostatischem Pressen erreicht. Die MindestwandstĂ€rken erreichen typischerweise 100-150 Mikrometer.

Lieferanten von Titandruckpulvern

FĂŒhrende Metallverarbeitungsunternehmen haben Titanpulver fĂŒr additive Verfahren zertifiziert:

Unternehmen Angebotene Ti-Sorte Morphologie PartikelgrĂ¶ĂŸe
AP&C Ti-6Al-4V, Ti64 ELI Plasma zerstÀubt, kugelförmig 15-53 Mikrometer
Tekna Ti-6Al-4V, Ti 6242 Plasma zerstÀubt 15-45 Mikrometer
Zimmerer-Zusatzstoff Ti-6Al-4V, Ti 6242 ZerstÀubtes Gas 10-45 Mikrometer
ATI-Pulvermetalle Ti-6Al-4V Plasma zerstÀubt 10-45 Mikrometer
Sandvik Fischadler Ti6Al4V, Ti 6242, Ti64 ELI GaszerstÀubt, kugelförmig 15-100 Mikrometer

Kosten von Titandruckpulvern

Als fortschrittliche Leichtmetalllegierung fĂŒr Hochleistungsanwendungen ist Titanpulver sehr begehrt:

  • Die Materialpreise reichen von $200 bis $500 pro kg
  • Kundenspezifische Legierungen mit engeren KorngrĂ¶ĂŸen und hoher Reinheit erhöhen die Kosten weiter
  • Recyceltes Pulver ist billiger, sofern es gut fließfĂ€hig ist.

Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Teilen aus Titan

Nach dem Druck werden die Titanbauteile bearbeitet:

Entfernen der StĂŒtze - Vorsichtiges Trennen der StĂŒtzen durch EDM-Schneiden, wo es möglich ist, Abknicken kleinerer Teile

Stressabbau - Schonende WĂ€rmebehandlung der gesamten Bauplatte bei 650°C fĂŒr 2 Stunden in Argon zum Abbau von Restspannungen

Heiß-Isostatisches Pressen - HIP-Prozess bei 920°C und 100 MPa fĂŒr 3 Stunden zum Schließen der inneren HohlrĂ€ume >99% Dichte

Lösung Behandlung - Eintauchen bei 705°C fĂŒr 1 Stunde, dann Abschrecken an Luft/Wasser zur Entwicklung der gewĂŒnschten Mikrostruktur

Bearbeitung - CNC-FrĂ€sen von kritischen PassflĂ€chen zur Einhaltung der erforderlichen Maßtoleranzen

Strahlen + Ätzen - Kugelstrahlen von Aluminiumoxid und anschließendes SĂ€ureĂ€tzen zur Reinigung der OberflĂ€chen

QualitĂ€tsprĂŒfung - BestĂ€tigen Sie, dass Chemie, Mikrostruktur, Schicht fĂŒr Schicht QualitĂ€t und mechanische Eigenschaften den Spezifikationen entsprechen

Normen fĂŒr den 3D-Druck von Titan

Standard Titel Organisation
ASTM F2924 Standardspezifikation fĂŒr die additive Fertigung von Titan-6-Aluminium-4-Vanadium im Pulverbettverfahren ASTM
ASTM F3001 Standardspezifikation fĂŒr die additive Fertigung von Titan-6-Aluminium-4-Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) mit Pulverbettfusion ASTM
AMS 2801 WĂ€rmebehandlung von Teilen aus Titanlegierungen SAE International
AMS 2879 GaszerstÀubungsprozess Ti-Pulver SAE
AMS 700 Analytische Verfahren und PrĂŒfmethoden fĂŒr Pulver und pulvermetallurgische Produkte SAE

Zukunftsaussichten fĂŒr den Pulverbettdruck mit Titan

WĂ€hrend die Luft- und Raumfahrt aufgrund der erheblichen Vorteile der Bauteilkonsolidierung und der Gewichtseinsparung derzeit die Nachfrage nach 70% ankurbelt, wird sich der Einsatz von Titan-AM in der Automobilindustrie, bei Sportartikeln und in weiteren Konsumsektoren aufgrund der sinkenden Kosten beschleunigen. Weitere Anwendungen fĂŒr gedrucktes Titan sind:

Luft- und Raumfahrt - GrĂ¶ĂŸere und vollstĂ€ndig gedruckte PrimĂ€rstrukturen wie Turbinenschaufeln und kĂŒnftige Passagierkabinenteile, die ihre StĂ€rken in Bezug auf DesignkomplexitĂ€t, Konsolidierung der Teilemontage und KorrosionsbestĂ€ndigkeit ausspielen.

Biomedizinische- Mehr auf den Patienten abgestimmte Prothesen und Implantate wie WirbelsÀulenkÀfige, die an die Anatomie angepasst sind und deren Innenleben aus Gittern besteht, die das Einwachsen von Gewebe fördern, was durch die BiokompatibilitÀt von Titan und seine FÀhigkeit zur Knochenbindung ermöglicht wird.

Automobilindustrie - Leichtgewichtige AufhĂ€ngungs-, Fahrwerks- und Antriebsstrangkomponenten wie Pleuelstangen und Kurbelwellen sowie Hochleistungsventile und -kolben, die sich durch ErmĂŒdungsfestigkeit und BestĂ€ndigkeit gegen hohe Temperaturen auszeichnen.

Öl und Gas - Bohrlochkopf-Ventilkörper und Bohrwerkzeuge, die die Vorteile der KorrosionsbestĂ€ndigkeit in heißen, sĂ€urehaltigen Umgebungen mit Schwefelwasserstoff und Chloriden nutzen. Maßgeschneiderte Architektur zur Maximierung des Durchflusses.

KonsumgĂŒter - Maßgefertigte SportgerĂ€te wie Fahrradrahmen und GolfschlĂ€gerköpfe mit individuell angepassten Profilen. Hohe Festigkeit im VerhĂ€ltnis zum Gewicht und FlexibilitĂ€t bei der Formgebung; eine breitere EinfĂŒhrung steht noch aus.

EinkaufsfĂŒhrer fĂŒr 3D-Drucker mit Titan-Pulverbett

Zu den wichtigsten Überlegungen zum Drucker gehören:

PrĂ€zision - Strenge Kontrolle und Kalibrierung des Schmelzepools fĂŒr gleichbleibende mechanische Eigenschaften bei großen Produktionen

Inerte AtmosphÀre - hochreines Argon, kritisch mit reaktivem Titanmaterial, um eine Verunreinigung durch Sauerstoff, Stickstoff

Automatisierung - Pulverhandhabungssysteme zur Minimierung der Exposition und zur Erleichterung der kontinuierlichen Produktion

Intelligente Software - spezielle Scanning-Strategien, die sich an die thermische Geschichte anpassen

Zu den fĂŒhrenden Modellen gehören:

  • 3D Systems DMP Fabrik 500
  • GE Additive Concept Laser Xline 2000R
  • EOS M 400-4 4-Laser-System
  • Renishaw RenAM 500 Quad Lasermaschine

Kostenvergleich: Additive Fertigung von Titan im Vergleich zur maschinellen Bearbeitung

Kosten-Aspekt Zusatzstoff Mfg CNC-Bearbeitung
Materialkosten $200-$500 pro kg $100-$150 pro kg
Arbeit ~2-3x Produktionszeit Schnellere Bearbeitungszeit
Nutzung der AusrĂŒstung ~$50 pro Druckerstunde $70-$200 pro CNC-Maschinenstunde
Buy-to-Fly-VerhÀltnis 1:1 effiziente Nutzung Bis zu 20:1 Materialverschwendung
Gesamtkosten heute $150-$1000 pro kg $50-$200 pro kg
KĂŒnftige Produktionsprognose $50-$150 pro kg Keine Störung zu erwarten

Die additive Fertigung kostet heute je nach Abnahmemenge und QualitĂ€tserwartung das 2-10fache der herkömmlichen Titanbearbeitung, bietet aber eine grĂ¶ĂŸere Designfreiheit.

Da die AM-ProduktivitÀt steigt und immer mehr Endkomponenten in allen Branchen zugelassen werden, werden die prognostizierten Kosten mit der maschinellen Bearbeitung konkurrieren können, da eine erhebliche Gewichtsreduzierung und eine Konsolidierung der Teile möglich ist - bis zu 65% Gewichtsreduzierung wurden nachgewiesen.

Auswirkungen auf die Umwelt: Metall-3D-Druck im Vergleich zur maschinellen Bearbeitung

Metrik der Nachhaltigkeit Additive Fertigung von Metall CNC-Bearbeitung von Metallen
Energieeinsatz HIGH - Selektive Strahleneinspeisung Punkt fĂŒr Punkt Geringere EnergieintensitĂ€t
Effizienz der Materialien Nahezu Nettoform, sehr wenig Abfall Bis zu 90% Materialverschwendung durch Abziehen von Vorratsstangen
Wiederverwendbarkeit 90%+ PulverrĂŒckgewinnung, recycelt MetallspĂ€ne haben keine Wiederverwendungspfade
CO2-Emissionen Weniger Energie pro Fertigteil Vergleichsweise mehr Kohlenstoffemissionen fĂŒr dieselbe Komponente

Trotz des hohen lokalen Energieverbrauchs ermöglicht AM erhebliche Materialeinsparungen durch optimierte Leichtbaukonstruktionen und die Wiederverwendung von Pulver, um den ökologischen Fußabdruck auf Systemebene zu minimieren.

FAQs zum Metallpulverbett 3D-Druck

F: Welche PartikelgrĂ¶ĂŸenverteilung wird fĂŒr Titanpulver empfohlen, das bei AM verwendet wird?

A: Die meisten Titanpulver fĂŒr den 3D-Druck haben eine PartikelgrĂ¶ĂŸe von 15 bis 45 Mikrometern. Einige Verteilungen reichen bis zu 105 Mikron. Der SchlĂŒssel ist eine hohe FließfĂ€higkeit und Packungsdichte des Pulvers.

F: Welche Nachbearbeitungsmethode wird verwendet, um die Dichte von gedruckten Titanteilen auf nahezu 100% zu erhöhen?

A: Heißisostatisches Pressen der gesamten 3D-gedruckten Bauplatte bei Temperaturen um 920 °C und einem Druck von 100 MPa fĂŒr mehr als 3 Stunden ist notwendig, um die inneren HohlrĂ€ume und die MikroporositĂ€t in den gedruckten Titanteilen vollstĂ€ndig zu schließen, nachdem die TrĂ€ger entfernt wurden.

F: Ist die Titanlegierung Ti-6Al-4V fĂŒr die Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Metallteilen gut schweißbar?

A: Ja, Titan der GĂŒteklasse 5 Ti 6-4 bietet eine ausgezeichnete SchweißkompatibilitĂ€t durch WIG- und Lasertechniken zum Verbinden komplexer gedruckter Baugruppen oder zur Herstellung wasserdichter Dichtungen dank des geringen Sauerstoffgehalts - viel besser als Edelstahl. Eine ordnungsgemĂ€ĂŸe Abschirmung ist dennoch erforderlich.

F: In welcher Branche ist die Nachfrage nach der additiven Fertigung von Metallen mit Titanlegierungen am grĂ¶ĂŸten?

A: In der Luft- und Raumfahrt werden derzeit mehr als 50% an additiven FertigungskapazitĂ€ten fĂŒr Titan verbraucht, da hochwertige Strukturanwendungen durch topologieoptimierte Designs und die Konsolidierung konventionell montierter Komponenten stark von der Gewichtsreduzierung profitieren.

F: Ist bei Titanbauteilen, die im Powerbed-Fusion-Verfahren hergestellt werden, eine WĂ€rmebehandlung nach der Bearbeitung erforderlich?

A: Ja, Spannungsabbau, heißisostatisches Pressen, LösungsglĂŒhen und Alterung sind allesamt erforderliche WĂ€rmebehandlungen fĂŒr 3D-gedruckte Titanbauteile, um DimensionsstabilitĂ€t, GefĂŒgeumwandlung und optimale mechanische Eigenschaften wie HĂ€rte, Zugfestigkeit und Streckgrenze zu erreichen.

F: Welche Zusammensetzung der Titanlegierung ist fĂŒr medizinische Implantate vorzuziehen - Ti64 oder Ti6242?

A: Sowohl Ti6Al4V als auch Ti6242 eignen sich fĂŒr biokompatible gedruckte Implantate, die an die Anatomie des Patienten angepasst sind. OrthopĂ€dische Chirurgen bevorzugen jedoch die Legierung mit dem geringeren Vanadiumgehalt, da sie Bedenken hinsichtlich der Osseointegration haben, die das Knochenwachstum verhindert, weshalb Ti6242 hĂ€ufiger verwendet wird.

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