3D-печать титаном: преимущества, технологии и применение

Когда титан встречается с 3D-печатью, прочность, коррозионная стойкость и свобода проектирования объединяются, делая ракеты, имплантаты, гоночные детали и электронику легче, прочнее и персонализированнее.

В этом руководстве объясняется, почему титан подходит для 3D-печати, рассказывается об основных технологиях и показывает, где он используется, чтобы вы могли понять, подходит ли он для вашего следующего высокопроизводительного проекта.

Почему титан подходит для 3D-печати

Традиционная обработка сложна

• Низкая теплопроводность титана приводит к быстрому износу инструмента и низкой эффективности обработки на станках с ЧПУ.
• Традиционные методы приводят к потере большого количества материала, а титан стоит дорого, что повышает производственные затраты.

3D-печать сокращает отходы материала и повышает эффективность, что делает ее более интеллектуальным способом производства титановых деталей.

Превосходные свойства материала

• Благодаря высокому соотношению прочности к весу он идеально подходит для легких и высокопрочных компонентов.
• Отличная биосовместимость поддерживает его использование в имплантатах и медицинских устройствах.
• Превосходная коррозионная стойкость обеспечивает долговременную стабильность в морской воде и химических средах.
• Титан устойчив к усталости и растрескиванию даже при интенсивном использовании.
• Он сохраняет структурную стабильность при высоких температурах, обеспечивая высокие тепловые характеристики.

Идеально подходит для сложных геометрий

Пластичность титана позволяет печатать на 3D-принтере сложные формы, которые трудно изготовить традиционными методами. Он также позволяет использовать внутренние каналы и решетки за счет топологической оптимизации, повышая производительность.

Преимущества 3D-печати титаном

В аэрокосмической отрасли 3D-печать титаном помогает снизить соотношение «покупка к полету» — термин, описывающий вес приобретенного сырья по отношению к весу конечной детали.

При использовании традиционных методов титановые детали могут иметь соотношение покупки и полета от 12:1 до 25:1. Это означает, что до 90% дорогостоящего материала отрезается и выбрасывается.

3D-печать титаном снижает это соотношение примерно до 3:1 до 12:1, используя только материал, необходимый для детали, и производя минимальные отходы от несущих конструкций.

Для дорогостоящих материалов, таких как титан, такое сокращение приводит к значительной экономии и повышению эффективности.

Применение титановой 3D-печати

Аэрокосмический

Для аэрокосмических компаний 3D-печать титана помогает снизить вес высоконагруженных конструкций. Он идеально подходит для реактивных двигателей, газовых турбин и различных компонентов планера.

Компания Liebherr-Аэрокосмический & Transportation SAS, крупный поставщик аэрокосмической техники, в начале этого года начала массовое производство напечатанных на 3D-принтере титановых кронштейнов носовой стойки шасси для Airbus A350 XWB.

Используя 3D-печать титаном, компания Liebherr уменьшила вес кронштейна на 29% и увеличила его жесткость.

Свяжитесь с нами сейчас

Компания Boeing также сделала большую ставку на 3D-печать титаном. С 2015 года компания сотрудничает с норвежской компанией Norsk Titanium, занимающейся 3D-печатью металлом, для производства крупных титановых конструкционных деталей для 787 Dreamliner.

В 2017 году Boeing использовал запатентованную технологию Norsk Rapid Plasma Deposition (RPD) для создания безымянной титановой детали, которая была сертифицирована Федеральным управлением гражданской авиации США (FAA).

3D-печать и механическая обработка деталей Norsk Titanium

Boeing использует запатентованную технологию быстрого плазменного осаждения (RPD) Norsk для производства титановых компонентов.

Свяжитесь с нами сейчас

Медицинский

В медицинской сфере титановые имплантаты, напечатанные на 3D-принтере, широко используются в операциях на позвоночнике, тазобедренных, коленных и конечностях. Они обеспечивают широкомасштабную персонализированную настройку и значительно улучшают результаты лечения пациентов.

Разработкой таких устройств занимается американская компания Osseus Fusion Systems. Напечатанный на 3D-принтере титановый спинальный имплантат Aries-L отличается запатентованной мультипланарной сеткой и оптимизированной топологией микроповерхности, которые способствуют более быстрой интеграции костей.

Титановые спинальные имплантаты Osseus

Osseus использует 3D-печать титана для производства своих устройств межкорпусного термоядерного синтеза.

Свяжитесь с нами сейчас

По мере того, как все больше медицинских производителей внедряют аддитивное производство в производство, количество одобренных FDA хирургических имплантатов на основе титана, напечатанных на 3D-принтере, продолжает расти.

В 2023 году компания ChoiceSpine получила одобрение FDA на свою Blackhawk Ti, напечатанную на 3D-принтере титановую межкорпусную систему для шейного отдела.

Свяжитесь с нами сейчас

Автомобилестроение и автоспорт

В то время как 3D-печать имеет очевидные преимущества, потребительский автомобильный рынок очень чувствителен к стоимости, что ограничивает использование этого дорогого материала в большинстве транспортных средств.

Одним из наиболее заметных применений 3D-печати титана в автомобильном мире является разработка Bugatti тормозных суппортов для своего суперкара Chiron.

Титановый тормозной суппорт Bugatti

Титановый тормозной суппорт Bugatti

Штангенциркуль размером 41 x 21 x 13,6 см был напечатан на 3D-принтере с использованием технологии SLM всего за 45 часов.

Свяжитесь с нами сейчас

В прошлом году компания успешно испытала суппорт, доказав, что он может соответствовать экстремальным требованиям прочности, жесткости и температуры.

Американский производитель колес HRE — еще одна компания, получающая выгоду от 3D-печати титаном.

Титановое колесо HRE, напечатанное на 3D-принтере

Компания HRE использовала технологию Laser Powder Bed Fusion (LPBF) для 3D-печати ступицы колеса сложной формы, что позволило снизить вес на 19%.

Свяжитесь с нами сейчас

Велосипеды и потребительские товары

Напечатанный на 3D-принтере титан широко используется в высокопроизводительных велосипедах — для рам, кривошипов и тормозных рычагов, — обеспечивая прочность алюминия, легкость углеродного волокна и лучшую экологичность.

Производитель велосипедов Ribble выпустил Allroad Ti с титановой рамой, напечатанной на 3D-принтере.

Свяжитесь с нами сейчас

Ранее в этом году компания Silca запустила свою новейшую линейку 3D-печатной продукции, в том числе ряд титановых вешалок для переключателей передач.

Свяжитесь с нами сейчас

Verve Cycling в партнерстве с Metron Additive Engineering перепроектировала свою шатунную шатунную установку с помощью 3D-печати, уменьшив вес и улучшив персонализацию.

Свяжитесь с нами сейчас

Головка клюшки для гольфа, напечатанная на 3D-принтере Futai Technology

Он предлагает игрокам в гольф большую дистанцию, улучшенную стабильность удара и повышенное прощение.

Свяжитесь с нами сейчас

Производственный

Производитель полупроводников ASML обратился к 3D-печати титаном по совершенно другим причинам. Титановые лотки для межфланцевых пластин теперь печатаются на 3D-принтере, а не подковываются, что экономит 64% сырья и ускоряет доставку.

Компания Norsk Titanium, занимающаяся аддитивным производством металлов, использовала платформу Directed Energy Deposition (DED) для печати 80-килограммовой (около 176 фунтов) преформы Ti64 почти чистой формы для производства полупроводниковых пластин.

Прецизионная продукция и электроника

3D-печать позволяет создавать ультратонкие, сложные и высокоточные детали из титана, что делает ее идеальной для изготовления корпусов часов, таких как Panerai и Holthinrichs.

В 2023 году бренд смартфонов Honor выпустил складной телефон Magic V2 с напечатанной на 3D-принтере титановой шарнирной крышкой, которая легче предыдущей алюминиевой версии, но на 150% прочнее.

Напечатанная на 3D-принтере титановая крышка петли

По словам Хонор, это ключ к плавному и прочному складыванию продукта.

Свяжитесь с нами сейчас

Каковы основные технологии 3D-печати титаном?

Лазерная сварка порошка в ложе (LPBF / SLM / DMLS)

Лазерная сварка порошкового слоя (SLM/DMLS/LPBF) использует мощный лазер в среде инертного газа для выборочного плавления слоев сферического титанового порошка, которые быстро затвердевают.

Он идеально подходит для сложных деталей малого и среднего размера с жесткими допусками, таких как ортопедические имплантаты и аэрокосмические компоненты.

SLM, DMLS и LPBF — это фирменные термины, обозначающие, по сути, одну и ту же технологию плавления порошкового слоя на основе лазера.

Электронно-лучевая сварка порошкового слоя (EBM/EB PBF)

Электронно-лучевое сплавление порошкового слоя (EBM) плавит титановый порошок слой за слоем с помощью электронного пучка в вакуумной среде. В процессе поддерживается высокотемпературная строительная платформа для снижения остаточного напряжения и предотвращения окисления.

Он подходит для больших имплантатов и аэрокосмических деталей, требующих низкого внутреннего напряжения и превосходного качества материала.

Направленное энергетическое осаждение (DED)

Направленное энергетическое осаждение (DED) использует лазер, электронный луч или дугу в качестве источника тепла для плавления титанового порошка или проволоки непосредственно в расплавленной ванне, нанося материал слой за следом.

Он обеспечивает высокую скорость наплавки и идеально подходит для производства или ремонта крупных деталей размером до одного метра. Проволочное сырье может быть использовано для снижения материальных затрат.

К основным вариантам DED относятся электронно-лучевое аддитивное производство (EBAM), лазерное напыление металлов (LMD/LENS) и аддитивное производство проволочной дугой (WAAM).

Струйная обработка связующим

Струйная обработка связующим распыляет жидкое связующее вещество на слои титанового порошка, образуя «зеленую часть», которая затем спекается для достижения полной плотности.

Этот метод позволяет быстро печатать и серийно производить детали более простых геометрических форм, что делает его пригодным для среднесерийного производства.

Литографическое производство металлов (LMM)

LMM создает «зеленые» детали путем послойного отверждения светочувствительной смолы, смешанной с титановым порошком, с помощью света.

Затем смола удаляется путем спекания, уплотняя конечную деталь. LMM обеспечивает разрешение на микронном уровне и идеально подходит для производства деталей с высокой детализацией, таких как микроканалы и МЭМС-устройства.

Процессы с высокой скоростью осаждения (RPD, Cold Spray и т.д.)

Быстрое плазменное осаждение (RPD) и холодное напыление — это методы аддитивного производства крупных титановых деталей с высокой скоростью осаждения. РПД использует плазменный луч для плавления титановой проволоки для эффективного наращивания, что идеально подходит для конструкционных аэрокосмических деталей, таких как балки и шасси.

Холодное распыление, с другой стороны, разгоняет твердые металлические частицы со сверхзвуковой скоростью, чтобы они сцеплялись при комнатной температуре, практически не подвергаясь термическому воздействию. Он часто используется для ремонта в полевых условиях или для толстостенных зданий.

Эти процессы очень эффективны при изготовлении деталей размером более одного метра, хотя обычно они требуют последующей обработки для обеспечения точности поверхности.

Методы постобработки титановых сплавов, напечатанных на 3D-принтере

После печати постобработка имеет важное значение для достижения требуемых механических свойств и чистоты поверхности. Ниже приведены наиболее распространенные методы постобработки титановых сплавов.

Термообработки

Термическая обработка значительно улучшает механические свойства, такие как прочность, ударная вязкость и усталостная прочность. Он часто применяется к структурным компонентам с высокой нагрузкой.

Например, Ti-6Al-4V (Ti64) может достигать предела текучести свыше 950 МПа после термической обработки, и даже выше 1000 МПа при HIP, сохраняя при этом 9–15% удлинения и отличную структурную стабильность.

Горячее изостатическое прессование (HIP)

HIP сочетает в себе высокую температуру и давление для устранения внутренней пористости в процессе 3D-печати, улучшая плотность и внутреннюю прочность.

Процесс обычно протекает при температуре около 1000 °C в вакууме или атмосфере аргона в течение часа.

Титановые детали, обработанные HIP, могут достигать плотности, близкой к ковке (около 99,5%), со значительно улучшенным удлинением и ударной вязкостью.

Прецизионная обработка с ЧПУ

В то время как 3D-печать обеспечивает свободу проектирования, высокоточные функции, такие как сопрягаемые поверхности, резьбовые отверстия и уплотнительные канавки, по-прежнему требуют обработки с ЧПУ для соблюдения жестких допусков.

Методы обработки поверхности

• Полировка: Создает зеркальную отделку, распространенную в медицинских устройствах и декоративных деталях премиум-класса.
• Галтовка: Удаляет заусенцы при серийном производстве, оставляя однородную матовую поверхность.
• Пескоструйная обработка и хонингование: Улучшите адгезию покрытия или получите тонкую текстуру.

Такая обработка улучшает тактильные ощущения, коррозионную стойкость и функциональную адаптивность титановых деталей.

Обзор титановых сплавов для 3D-печати

При выборе сплава важно учитывать такие факторы, как нагрузка, температура, коррозионная среда и биосовместимость. Это обеспечивает максимальную свободу проектирования и преимущества материалов, которые предлагает аддитивное производство.

3D-принтер для титана

Лазерная сварка порошка в ложе (LPBF / SLM / DMLS)

• ЭОС:М 290,М 400-4
• Добавка GE / Присадка Colibrium: Серия M2 5,M Line
• Решения Nikon SLM:NXG X12,NXG 600
• 3D системы: DMP Flex 350, Factory 500
• Velo3D:Сапфир,Сапфир XC
• TRUMPF:TruPrint 2000,3000,5000
• Renishaw:RenAM серии 500
• Дополнение:FormUp 350

Электронно-лучевая сварка порошкового слоя (EBM/EB PBF)

Добавка GE Arcam: Q10 Plus, Q20 Plus, Spectra H

Направленное энергетическое осаждение (DED)

• Состав: EBAM 110, EBAM 300 (электронный луч + титановая проволока)
• Производство MELD: MELD L-Series (твердотельное фрикционное осаждение с использованием титановых стержней или стержней)

Струйная обработка связующим

• Desktop Metal: Производственная система P-50, серия X
• Desktop Metal P-1: Требуется «Комплект реактивной безопасности» для поддержки реактивных материалов, таких как титан и алюминий
• Маркировкаковая: PX100

Изготовление металлической плавленой нити (Metal FFF / BMD)

Desktop Metal: Studio System 2 (технология BMD со специальной нитью накала Ti-6Al-4V)

Холодное напыление – твердотельная технология высокоскоростного осаждения

Spee3D:WarpSPEE3D

Стоимость титанового 3D-принтера

Стоимость является ключевым фактором, который многие компании должны оценить, прежде чем внедрять титановую 3D-печать.

Высокие первоначальные инвестиции

• Промышленные титановые 3D-принтеры обычно стоят от 250 000 до 1 000 000 долларов.
• Высокочистый порошок сферического титанового сплава стоит около 300–600 долларов за килограмм.
• Многие компании предпочитают работать с поставщиками услуг 3D-печати. Конечная стоимость печати часто в несколько раз превышает стоимость материала, в зависимости от сложности детали и потребностей в постобработке.

Почему это все еще стоит инвестиций

• Легкие, высокопрочные материалы снижают вес самолета, экономя топливо и увеличивая дальность полета, что приводит к долгосрочной экономии эксплуатационных расходов.
• Биосовместимость титана и гибкость 3D-печати позволяют создавать имплантаты, которые лучше подходят индивидуальным пациентам, улучшая результаты хирургических операций и снижая потребность в ревизионных операциях.
• Титановые сплавы обладают превосходной усталостной стойкостью при высоких температурах, что делает их идеальными для изготовления критически важных деталей в реактивных двигателях, конструкциях ракет и гоночных компонентах.

3D-печать титаном — это не просто метод производства, это движущая сила для повышения производительности и свободы проектирования.

В отраслях со сложными условиями эксплуатации, индивидуальными требованиями или строгими целями по облегчению труда получаемые преимущества в виде характеристик материалов, оптимизации структуры и операционной эффективности значительно перевешивают первоначальные затраты.

Проблемы 3D-печати: технические барьеры за высокой производительностью

Отсутствие единых стандартов и сертификации

В настоящее время стандарты совмещения титана с аддитивным производством все еще недостаточно разработаны. Это создает барьер в отраслях с высоким уровнем риска, таких как аэрокосмическая и медицинская промышленность.

Например, еще в 2018 году Boeing заключил партнерское соглашение с Oerlikon для работы над стандартизацией 3D-печати титаном, стремясь соответствовать требованиям безопасности полетов FAA (Федеральное управление гражданской авиации) и DoD (Министерство обороны).

Высокая стоимость титанового порошка

Титановый порошок для 3D-печати должен обладать высокой чистотой, отличной сферичностью и равномерным распределением частиц по размерам. Его производство требует высокой энергии и строгого контроля, поддерживая высокие цены — обычно около 300-600 долларов за килограмм.

Комплексный контроль температуры и управление теплом

Титан с температурой плавления 1668 °C требует точного термоконтроля во время печати.

Недостаточное тепловложение может привести к внутреннему напряжению, деформации или растрескиванию, что может серьезно нарушить структурную целостность и срок службы, что особенно важно для аэрокосмической промышленности и имплантации.

Трудности в достижении равномерного спекания и плотности

Механические характеристики титановых деталей в значительной степени зависят от однородности и плотности, достигаемых при спекании или плавлении.

Пористость, включения или микроструктурные несоответствия могут привести к концентрации напряжений и потенциальным точкам отказа, особенно при печати сложных геометрических форм.

Проблемы при проектировании и демонтаже несущих конструкций

Для 3D-печати титаном часто требуются прочные, сложные опорные конструкции, чтобы предотвратить разрушение или деформацию при высоких температурах.

После печати эти опоры должны быть удалены с высокой точностью, не повреждая деталь, что еще больше усложняет общий процесс.

Обзор поставщиков титана и порошка из титановых сплавов

Chalco Титан

Chalco Титан, ведущий поставщик титана в Китае, активно расширяет свой бизнес по производству порошков из титановых сплавов для аддитивного производства.

Она предлагает титановые материалы как промышленного, так и аэрокосмического назначения, поддерживает разработку сплавов по индивидуальному заказу и обеспечивает экономически эффективные оптовые поставки, обслуживая аэрокосмические, медицинские и автомобильные рынки по всему миру. Краткое предложение

Столярная техника

Предлагает порошки из сплава Ti-6Al-4V ELI (класс 23) медицинского и аэрокосмического класса с хорошо зарекомендовавшей себя системой сертификации. Широко обслуживает производителей медицинских имплантатов, ортопедических и стоматологических устройств.

IperionX

Поставщик из США, специализирующийся на устойчивой переработке титана. Разрабатывает экологически чистые титановые порошки для 3D-печати, продвигая решения в области низкоуглеродного аддитивного производства.

Sandvik / Osprey

Выпускает сертифицированные порошки Osprey Ti-6Al-4V Grade 5 и Grade 23 с постоянным контролем партии. Широко используется в аэрокосмической и медицинской промышленности.

AP&C (добавка Colibrium, часть добавки GE)

Признанный во всем мире лидер в области распыления титанового порошка. Ее продукция поддерживает как лазерные, так и электронно-лучевые процессы аддитивного производства.

Услуга 3D-печати титаном

Для большинства предприятий или индивидуальных пользователей покупка дорогостоящего металлического 3D-принтера для производства титановых деталей непрактична. К счастью, в настоящее время существует множество зрелых сторонних сервисов 3D-печати титана, позволяющих быстро и эффективно доставлять высококачественные металлические детали.

При выборе полиграфической услуги важно подтвердить тип предлагаемого титанового сплава (например, Ti-6Al-4V или коммерчески чистый титан). Для некоторых специализированных марок, таких как версии CP-Ti или ELI, могут потребоваться индивидуальные заказы или дополнительное время выполнения заказа.

Например, на всемирно признанной производственной платформе Craftcloud пользователи могут просто загрузить файл CAD, выбрать титан в качестве материала и получить мгновенные расценки от различных партнеров-производителей. Затем пользователи могут выбрать поставщика на основе цены, времени выполнения заказа или местоположения.

Сегодня ведущие производители оборудования, такие как 3D Systems, EOS и SLM Solutions, а также поставщики порошков, такие как Sandvik и Carpenter Additive, также предлагают услуги печати титана на заказ. Эти услуги широко используются в отраслях с высоким спросом, таких как медицина, аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и инструментостроение.

Часто задаваемые вопросы о 3D-печати титаном

Насколько прочен титан, напечатанный на 3D-принтере?

Его прочность может соответствовать кованым деталям, что делает его пригодным для высоконагруженных конструкционных компонентов.

Какие материалы нельзя печатать на 3D-принтере?

Некоторые высокореактивные металлы и композитные материалы все еще не могут быть использованы в коммерческой 3D-печати и не получили широкого распространения.

Что такое титановая нить для 3D-принтера?

Это полимерная нить, наполненная титановым порошком, используемая в металлических принтерах типа FDM.

Как работает 3D-печать титаном?

Он использует лазер или электронный луч для плавления титанового порошка или проволоки слой за слоем, чтобы сформировать деталь.

Что такое 3D-печать титановым порошком?

Это высокочистый порошок сферического титанового сплава, специально разработанный для аддитивного производства.