Een gids voor 3D-printen met titanium

Met de voordelen van minder materiaalverspilling en de mogelijkheid om lichtgewicht ontwerpen te maken, vindt 3D-printen van titanium zijn plaats in veel industrieën.

Titanium heeft uitstekende materiaaleigenschappen, maar vanwege de hoge kosten is het gebruik ervan historisch beperkt gebleven tot hoogwaardige toepassingen in de ruimtevaart. Nu 3D-printen van metaal steeds meer wordt erkend als een levensvatbare productiemethode, maakt de technologie titanium meer beschikbaar voor industrieën zoals medische, auto- en motorsport.

De post van vandaag gaat in op wat titanium een ​​goede keuze maakt voor 3D-printen, de technologieën die het materiaal ondersteunen en belangrijke industriële toepassingen.

De unieke eigenschappen van titanium

Sector Eigenschappen Toepassingen Lucht- en ruimtevaartCorrosiebestendigheid
Hoge sterkte-gewichtsverhouding
Hoge temperatuurbestendigheid Casco en vleugelconstructies
Kleinere onderdelen zoals compressorbladen, rotors en andere turbinemotorcomponenten MedischUitstekende sterkte
Biocompatibiliteit (niet-toxisch , niet-allergeen)Orthopedische hulpmiddelen zoals wervelkolom-, heup- en knie-implantaten. Automotive &Motorsport Corrosiebestendigheid
Hoge sterkte-gewichtsverhouding
Hoge temperatuurbestendigheidRemklauwen, beugels, velgen, staanders.

Denk sterk, licht en corrosiebestendig en je hebt de essentie van wat titanium zo'n gewild materiaal maakt. Titanium staat bekend om zijn uitstekende materiaaleigenschappen - zo sterk als staal maar met slechts 60% van zijn dichtheid.

Titanium's hoge sterkte-dichtheidsverhouding, goede corrosieweerstand en chemische weerstand maken het bijzonder wenselijk voor hoogwaardige industrieën zoals lucht- en ruimtevaart en defensie.

Hier worden titaniumlegeringen gebruikt in toepassingen die lichtgewicht onderdelen vereisen die hun mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen behouden.

Titanium is ook staat bekend om zijn biocompatibiliteit, waardoor het een ideale keuze is voor medische toepassingen, zoals implantaten.

Titaan biedt echter een reeks voordelen, maar blijft een relatief duur materiaal. Dit komt omdat het metaal in relatief kleine hoeveelheden wordt gewonnen en het verwerken van ruw titanium een ​​complexe taak blijft, waardoor het materiaal aanzienlijk duurder is dan alternatieve metalen zoals staal.

Wat maakt titanium geschikt voor 3D-printen?

Titanium kan een moeilijk metaal zijn om mee te werken, vooral als het gaat om machinale bewerking. Om te beginnen heeft titanium een ​​lage thermische geleidbaarheid. Dit betekent dat wanneer het wordt bewerkt, bijvoorbeeld met een CNC-machine, de gegenereerde warmte wordt opgeslagen in het CNC-gereedschap, waardoor het gereedschap snel kan verslijten.

Bovendien, aangezien machinale bewerking het snijden en verwijderen van materiaal omvat, kan het proces ertoe leiden dat er veel materiaalafval wordt geproduceerd. Veel bedrijven zijn dan ook op zoek naar betere alternatieven om titanium onderdelen te produceren.

Metaal 3D-printen blijkt dat levensvatbare alternatief te zijn.

Bij 3D-printen van metaal is de meest gebruikte titaniumsoort de legering Ti6Al4V (Ti64). Naast Ti64 is het ook mogelijk om te 3D-printen met puur titanium.

De voordelen van 3D-printen met titanium

Er zijn veel voordelen aan het 3D-printen van titanium.

Voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen helpt het gebruik van titanium naar 3D-printonderdelen vaak om de buy-to-fly-ratio te verlagen. De term, afkomstig uit de lucht- en ruimtevaartindustrie, verwijst naar de correlatie tussen het gewicht van de oorspronkelijk gekochte hoeveelheid materiaal en het gewicht van het voltooide onderdeel.

Bij conventionele fabricage kunnen titanium vliegtuigonderdelen bijvoorbeeld een buy-to-fly-verhouding hebben tussen 12:1 en 25:1. Dit betekent dat er 12-25 kg grondstof nodig is om 1 kg onderdelen te produceren. In dit scenario wordt tot 90% van het materiaal weggefreesd.

Metaal 3D-printen kan deze verhouding voor titaniumcomponenten terugbrengen tot tussen 3:1 en 12:1. Dit komt omdat metalen 3D-printers doorgaans alleen de benodigde hoeveelheid materiaal gebruiken die nodig is om een ​​onderdeel te maken, waardoor er slechts weinig afval wordt gegenereerd door ondersteunende structuren. Voor een duur materiaal als titanium kunnen de kostenbesparingen van deze verminderde buy-to-fly-verhouding behoorlijk aanzienlijk zijn.

Aditieve fabricage kan ook de lichtgewicht eigenschappen van titanium verbeteren dankzij topologie-optimalisatie. Met behulp van software voor topologie-optimalisatie stellen ingenieurs bepaalde eisen, zoals belasting- en stijfheidsbeperkingen, en laten ze de softwaretool vervolgens het oorspronkelijke ontwerp optimaliseren om aan die eisen te voldoen. Door deze optimalisatie wordt al het overbodige materiaal uit het ontwerp gehaald, waardoor een lichter maar sterk onderdeel ontstaat.

Topologisch geoptimaliseerde ontwerpen kunnen vaak alleen worden vervaardigd met behulp van additieve fabricagetechnologieën. Dit voordeel wordt vooral gewaardeerd door de lucht- en ruimtevaartindustrie, waar lichtgewicht 3D-geprinte titanium onderdelen kunnen leiden tot gewichtsbesparingen en betere vliegtuigprestaties.

Welke technologieën ondersteunen titanium?

De drie metalen 3D-printmethoden die het meest worden gebruikt om titaniumonderdelen te maken, zijn Direct Energy Deposition (DED), Electron Beam Melting (EBM) en Selective Laser Melting (SLM).

Directe energieafzetting

De eerste pogingen om titanium te 3D-printen begonnen in 1997 bij de Aeromet Corporation, die DED-technologie gebruikte om onderdelen voor de lucht- en ruimtevaartindustrie te produceren.

In DED wordt een energiebron met hoge intensiteit, zoals een laser of een straal, gebruikt om het titaniumpoeder (of draad) te smelten terwijl het via een mondstuk op het substraat wordt afgezet. Het belangrijkste voordeel hierbij is de mogelijkheid om grote onderdelen te maken met een relatief hoge materiaaldepositiesnelheid (tot 320 cc/h).

Vandaag de dag zijn er veel variaties op DED-technologie, waaronder Sciaky's Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) en Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM).

Elektronenstraal smelten

Het Zweedse bedrijf Arcam heeft zijn EBM-technologie ontwikkeld om titanium 3D-geprinte implantaten en ruimtevaartcomponenten mogelijk te maken. In EBM wordt een elektronenstraal aangebracht op een laag metaalpoeder, smelt en versmelt met de vorige laag.

EBM wordt beschouwd als nauwkeuriger dan DED en geschikt voor kleinere, complexe onderdelen. Met name het EBM-proces vindt plaats in vacuüm en bij hoge temperatuur. Dit resulteert in minimale restspanningen in 3D-geprinte onderdelen, waardoor de onderdelen ook geen warmtebehandeling nodig hebben.

In 2013 bracht Arcam twee AM-machines op de markt, de Arcam Q10 en Arcam Q20, die respectievelijk gericht waren op de orthopedische implantaat- en ruimtevaartindustrie. De Arcam Q20 is speciaal ontworpen om te werken met de Ti6Al4V-legering.

Arcam heeft ook de Arcam Spectra H 3D-printer uitgebracht, die in staat is om nieuwe scheurgevoelige titaniumlegeringen zoals titaniumaluminide te printen.

Selectief lasersmelten

Net als EBM is SLM een poederbedfusieproces, hoewel het een laserstraal gebruikt in plaats van een elektronenstraal om de lagen metaalpoeder te smelten en samen te smelten. De dikte van één laag in het SLM-proces kan zo dun zijn als 20 micron, waardoor deze technologie veel nauwkeuriger is in vergelijking met DED en EBM.

Toepassingen van titanium 3D-printen

Lucht- en ruimtevaart domineert de belangrijkste toepassingen van titanium 3D-printen. Dat gezegd hebbende, beginnen ook andere industrieën, zoals de medische sector, de motorsport, de chemie en de scheepvaart, de technologie te onderzoeken om titaniumcomponenten te produceren.

Lucht- en ruimtevaart

Voor lucht- en ruimtevaartbedrijven helpt 3D-printen van titanium om het gewicht van zwaarbelaste constructies te verminderen, waardoor het uitermate geschikt is voor straalmotoren, gasturbines en veel casco-componenten.

Veel van de grootste luchtvaartbedrijven gebruiken 3D-geprinte titanium onderdelen in hun vliegtuigen.

Liebherr-Aerospace &Transport SAS

Lucht- en ruimtevaartleverancier Liebherr-Aerospace &Transportation SAS is bijvoorbeeld eerder dit jaar begonnen met de serieproductie van 3D-geprinte titanium neuslandingsgestelbeugels voor de Airbus A350 XWB. Deze beugels zullen de eerste Airbus-onderdelen zijn die worden geproduceerd met 3D-geprint titanium.

Boeing en Norsk Titanium

Ook Boeing heeft ingezet op titanium 3D-printen. Sinds 2015 werkt Boeing samen met het Noorse metaal 3D-printbedrijf Norsk Titanium om grote structurele titaniumcomponenten voor de 787 Dreamliner te produceren. In 2017 hebben ze het niet nader genoemde titanium onderdeel FAA-gekwalificeerd, gemaakt met behulp van Norsk's gepatenteerde Rapid Plasma Deposition (RPD) technologie.

Op basis van het DED-proces gebruikt RDP titaniumdraad met plasmatoortsen om grote structurele componenten van titanium te printen. De technologie is naar verluidt 50-100 keer sneller dan op poeder gebaseerde systemen en gebruikt 25-50% minder titanium dan smeedprocessen. De versnelde doorlooptijden en het verminderen van materiaalverspilling kan Boeing tot $ 3 miljoen per vliegtuig besparen.

Momenteel wordt titanium 3D-printen grotendeels onderzocht voor kleinere vliegtuigonderdelen zoals beugels en behuizingen. In de toekomst kan het gebruik echter worden uitgebreid naar veel grotere structurele componenten, gevoed door de besparingen in gewicht, kosten en ontwikkelingstijd.

Medisch

Titanium's niet-toxiciteit, hoge sterkte en weerstand tegen corrosie maken het een aantrekkelijk materiaal voor orthopedische en tandheelkundige implantaten.

Bij gebruik met 3D-printen kunnen fabrikanten van medische hulpmiddelen implantaten maken met complexe, poreuze structuren. Opmerkelijk is dat deze structuren de structuur van menselijke botten imiteren, zodat de botcellen het herkennen als een steiger om doorheen te groeien.

Osseus' titanium spinale implantaten

Eén bedrijf dat dergelijke apparaten ontwikkelt, is het in de VS gevestigde Osseus Fusion System. De 3D-geprinte titanium spinale implantaten, genaamd Aries-L Interbody Fusion Devices, hebben een gepatenteerd meerassig gaas en geoptimaliseerde micro-oppervlaktopologie, waardoor botten sneller kunnen samensmelten. Om dergelijke complexe functies mogelijk te maken, print Osseus zijn Aries-apparaten op een door de FDA gevalideerde SLM 3D-printer.

Het gebruik van titanium 3D-printen voor orthopedische apparaten, zoals wervelkolom-, heup- en knie-implantaten, neemt toe. Volgens een recent Smartech-rapport zullen medische toepassingen van 3D-geprint titanium in 2020 goed zijn voor ongeveer 274.000 kg titanium. Dit schept zeer positieve vooruitzichten voor titanium 3D-printen in de medische industrie.

Automobiel en motorsport

Bugatti's titanium remklauw

Vergeleken met de lucht- en ruimtevaart en de medische sector is de auto-industrie niet zo snel geweest met het adopteren van titanium 3D-printen. Hoewel dezelfde voordelen van toepassing zijn, is de automobielmarkt voor consumenten zeer kostenbewust, wat het gebruik van dit dure materiaal in de meeste voertuigen beperkt.

Momenteel zijn titanium 3D-geprinte onderdelen te vinden in raceauto's en luxe voertuigen waarbij gewicht en prestatie belangrijke factoren zijn.

Een van de meest prominente voorbeelden van het gebruik van titanium 3D-printen in auto's is de remklauw van Bugatti, ontwikkeld voor de Bugatti Chiron-supercar.

Een essentieel onderdeel van het remsysteem, de remklauw meet 41 x 21 x 13,6 cm en werd in 45 uur 3D geprint met behulp van SLM-technologie. Het voltooide onderdeel zou ongeveer 40% lichter zijn dan een machinaal bewerkt aluminium alternatief.

Vorig jaar heeft het bedrijf de remklauw met succes getest, wat aantoont dat het kan voldoen aan extreme sterkte-, stijfheids- en temperatuurvereisten.

br />
Naast de remklauw heeft Bugatti titanium 3D-printing gebruikt bij de productie van een actieve spoilerbeugel. In samenwerking met Siemens is het onderdeel geoptimaliseerd om het gewicht te verminderen en toch kracht te leveren, wat resulteerde in een gewichtsbesparing van 53% en meer stijfheid.

HRE's 3D-geprinte titanium wielen

De Amerikaanse fabrikant van velgen, HRE, is een ander bedrijf dat profiteert van titanium 3D-printen. Het primaire doel van HRE was om de hoeveelheid materiaalverspilling bij het produceren van velgen te verminderen.

Met behulp van EBM-technologie heeft HRE 3D een complex gevormde velg geprint en daarbij een gewichtsbesparing van 19% bereikt.

Met traditionele productiemethoden voor deze toepassing kan het geproduceerde materiaalafval oplopen tot 80%. Bij 3D-printen zegt HRE dat het verspilde materiaal niet meer dan 5% bedraagt.

HRE beschouwt de velg meer als een technologische showcase dan als een commercieel product. Dat gezegd hebbende, biedt het project een glimp van wat de toekomst van wielontwerp en fabricage zou kunnen inhouden.

Titanium 3D-printen en motorsport

In de autosport speelt titanium 3D-printen een "kritieke strategische rol" bij het produceren van hoogwaardige, lichtere voertuigen, waaronder raceauto's.

Een voorbeeld komt van het Oxford Brookes Formula Student-team. In samenwerking met het Britse Manufacturing Technology Centre (MTC) heeft het team de staanders van het voertuig opnieuw ontworpen en gefabriceerd met behulp van de EBM-technologie. Dankzij dit proces behaalde het team een ​​gewichtsbesparing van 50%.

De uitdagingen van titanium 3D-printen

Ondanks de voordelen van titanium 3D-printen, zijn er een paar uitdagingen waarmee rekening moet worden gehouden.

De eerste is de noodzaak om normen te ontwikkelen voor het gebruik van titanium met additieve technologieën. Sommige bedrijven zetten al stappen in die richting. In 2018 ondertekenden Boeing en Oerlikon een vijfjarige samenwerking gericht op het standaardiseren van titanium 3D-printen en ervoor zorgen dat geprinte componenten voldoen aan de FAA- en DoD-vluchtvereisten.

De tweede uitdaging ligt in de hoge kosten van titaniumpoeders. Zo variëren de kosten van titaniumpoeder dat is geoptimaliseerd voor 3D-printen van $ 300 tot $ 600.

Om de werkelijke materiaalkosten per kilogram titanium te verlagen, hebben sommige poederproducenten alternatieve poederproductiemethoden ontwikkeld. Canadian PyroGenesis gebruikt bijvoorbeeld zijn NexGen™ Plasma Atomization System, dat metaalpoeder produceert, inclusief titanium, met een snelheid van meer dan 25 kg/u. Hogere productiesnelheden stellen het bedrijf in staat titanium te produceren tegen concurrerende lagere prijzen.

Het in het VK gevestigde bedrijf Metalysis heeft een andere poederproductiemethode ontwikkeld die de prijzen van titanium zou kunnen verlagen. De methode maakt gebruik van een vorm van elektrolyse om ruw titaniumoxide om te zetten in titaniumpoeder. De belangrijkste voordelen van deze technologie liggen in de milieuvriendelijkheid en lage kosten in vergelijking met de traditionele poederproductiemethoden.

In september 2018 begon Metalysis met de commerciële productie van titaniumpoeders, naast andere legeringen, om tussen de 10 en 100 ton metaalpoeders per jaar te leveren.

Als nieuwe productiemethoden voor titaniumpoeder hun potentieel kunnen waarmaken, kan de gemiddelde prijs van één kg titanium tegen 2024 met 17% worden verlaagd, volgens SmarTech Analysis.

Titanium 3D-printen:een winnende combinatie

Titanium 3D-printen is een waardevolle technologie geworden binnen de lucht- en ruimtevaart, de medische wereld en de automobielindustrie. De belangrijkste reden hiervoor is de winnende mix van de uitstekende eigenschappen van titanium en het vermogen van 3D-printen om afval te verminderen en complexe en lichtgewicht ontwerpen te creëren.

In de toekomst, naarmate de kosten van titanium dalen en er meer toepassingen worden ontdekt, zal titanium 3D-printen een geweldig productiealternatief worden voor een veel breder scala aan industrieën.