Знание - Sanxin

Сред многобройните метални материали, титановата сплав несъмнено е синоним на „висока стойност“. Тя съчетава висока якост с леки характеристики, с якост, близка до тази на стоманата, но с намаление на теглото от около 40%. Освен това, титановата сплав има и отлична устойчивост на корозия и устойчивост на високи температури и по този начин се използва широко в области като аерокосмическа индустрия, медицина и автомобилостроене, където изискванията за характеристики на материалите са изключително строги. Този метал обаче има и своите недостатъци, а именно високата трудност при обработка. Поради лошата си топлопроводимост, традиционните процеси на рязане могат лесно да причинят прегряване или дори повреда на режещите инструменти, което води до ниска ефективност на обработката и значителни загуби на материал. Ето защо 3D печатът се счита за по-идеален метод за обработка.

 

Днес нека поговорим за титаниевата сплав. Кои са нейните често срещани видове? Кои 3D процеси за печат са подходящи за нея? И в кои области на приложение е постигнала зряло внедряване? След това библиотеката с ресурси ще ви преведе стъпка по стъпка през „пълния жизнен цикъл“ на титановата сплав в 3D печата.

 

I. Материални свойства на титанов метал

Титанът е твърд, лъскав, сребристобял метал със символ на елемента Ti и атомен номер 22. В природата съществува главно под формата на минерали като рутил, илменит и титанит. В промишлеността гъбестият титан обикновено се получава чрез редукция на титанов тетрахлорид с магнезий при високи температури, след което титановите блокове се произвеждат чрез електрическо дъгово топене.

Материалните свойства на титана го правят изключително подходящ за производство на части, които изискват едновременно леко тегло и висока якост. Това е от голямо значение за конструкциите на самолети и медицинските импланти. Освен това, титанът остава стабилен в морска вода, киселини, основи и различни химически корозионни среди и поддържа добри характеристики при температури до 600°F (600°F).°C.

 

II. Често срещани видове титаниеви сплави

Титанът обикновено не се използва в чистата си форма в 3D печат, а по-скоро в различни сплави, за да отговори на изискванията за производителност. Най-широко използваният е Ti-6Al-4V, известен още като титаниева сплав TC4. Този материал е съставен от титан, алуминий и ванадий и има отлична якост, устойчивост на топлина и корозия. Сред тях титановата сплав Grade 5 в момента е „основната сплав“ в аерокосмическата и индустриалната област.

 

В медицинската област, клас 23 (също от системата Ti-6Al-4V) е по-широко използван. В сравнение с клас 5, той има по-висока чистота, по-ниско съдържание на примеси, по-добра биосъвместимост и е по-подходящ за продукти, които имат дългосрочен контакт с човешкото тяло, като протези и импланти.

 

Освен това, има някои специални титаниеви сплави, които си струва да се отбележат. Например, Beta 21S, a βТитаниева сплав от тип - се отличава с отлична устойчивост на окисляване и якост при високи температури и често се използва във високотемпературни среди, като например двигатели на самолети; TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V), с по-високо съдържание на алуминий, има по-висока якост от Ti-6Al-4V и се прилага широко в структурните компоненти на самолети; докато търговският чист титан (Cp-Ti), поради отличната си биосъвместимост, е подходящ за медицински и стоматологични области, където изискванията за якост са относително ниски, но биосъвместимостта е силно търсена.

 

III. Кои са подходящите процеси на печат?

При 3D печатането титановите материали могат да бъдат под формата на прах или тел, а конкретният избор зависи от използвания процес на печат. В момента основните технологии за адитивно производство на титанови сплави включват главно три вида: селективно лазерно топене (SLM), електроннолъчево топене (EBM) и насочено енергийно отлагане (DED).

 

 

Най-често използваната технология за 3D печат с титаниеви сплави е SLM (Selective Laser Melting), известна още като LPBF (Laser Powder Bed Fusion), която е по същество същият процес. При нея титанов прах се стопява слой по слой с лазер, като се отличава с висока прецизност и добра плътност и е особено подходяща за печат на малки или средни по размер части със сложни структури. В аерокосмическата и медицинската област SLM е най-широко прилаганата масова технология.

Друг често използван метод за печат върху титаниеви сплави е електроннолъчевото топене (EBM). Той е подобен на SLM по основен принцип, но използва електронен лъч като източник на топлина и извършва печат във вакуумна среда. EBM е по-ефективен, подходящ за големи конструкции, има бърза скорост на формоване и ниско остатъчно напрежение и често се използва за персонализирани импланти.

Освен това, процесът на насочено енергийно отлагане (DED) също често се използва за титанови материали, особено в сценарии като ремонт на големи компоненти и заваряване на форми. Титаниева тел или прах се подава в разтопената вана, нагрята от лазер или електронен лъч, през дюза, където се топи и отлага едновременно. Въпреки че прецизността му не е толкова висока, колкото тази на SLM, той има очевидни предимства по отношение на обем и ефективност.

През последните години някои предприятия започнаха да експериментират с използването на титанов прах за печат с свързваща струя, но тази технология все още е в етап на изследване и валидиране и все още не е постигнала мащабно търговско приложение.

 

IV. Предизвикателства при печатането на титаниеви сплави

Въпреки че титанът се използва все по-често в 3D печатането, това не е „лесен“ технологичен път.

Първият проблем е цената. Цената на титановия прах вече е висока, а процесът на печат има изключително високи изисквания за контрол на околната среда, енергийна плътност и параметри на печат. Оборудването също е от висок клас, а сложните процедури за последваща обработка допълнително увеличават общите производствени разходи, които са значително по-високи от тези на обикновените метали.

 

Второ, материалната система е относително затворена. В момента няма много титаниеви сплави, които наистина са подходящи за 3D печат. Повечето все още са съсредоточени около Ti-6Al-4V. Други сплавни системи или имат по-висока цена, или техните характеристики все още не са проверени.

Друг фактор, който не може да бъде пренебрегнат, е последващата обработка. След като титановите части бъдат отпечатани, те често трябва да преминат през множество стъпки, като горещо изостатично пресоване, термична обработка, отстраняване на подложката и полиране на повърхността, преди да отговорят на действителните стандарти за употреба. Тези процеси не само увеличават разходите във времето, но и поставят на изпитание зрелостта на цялата индустриална верига.

 

V. Непрекъснато разширяване на сценариите на приложение

3D печатът с титаниеви сплави се прилага в множество индустрии, като аерокосмическата е най-развитата.

 

Компоненти с изключително високи изисквания за якост и температура, като опори на двигатели, лопатки на турбини и свързващи конструкции, постепенно се произвеждат чрез 3D печат. Някои предприятия също така проучват възможността за интегриран печат на конструкции на фюзелажа.

 

Медицинската област също е важно бойно поле за титаниевото печатане. Персонализираното печатане на импланти, базирано на КТ данни от пациенти, се е превърнало в зряла практика в множество подпазари, като гръбначен, кранио-челюстно-лицев и дентален. В сравнение с традиционните методи, 3D печатът може значително да подобри прилягането на имплантите, да съкрати времето за операция и е получил добри клинични отзиви.

 

В автомобилната индустрия, с напредването на тенденциите за електрификация и олекотяване, някои високопроизводителни модели вече са се опитали да приложат титанов печат върху изпускателни системи, компоненти на окачването и дори части от конструкцията на шасито. Поради високата цена обаче, в момента той се използва главно в концептуални автомобили, състезателни автомобили и луксозни персонализирани автомобили.

 

Приложението на титаниева сплав в областта на 3C се фокусира главно върху висококачествени структурни и естетически компоненти, като например рамките на мобилни телефони, корпусите на смарт часовници и пантите на сгъваеми телефони. Титаниевата сплав има предимства като лекота и висока здравина, устойчивост на корозия и отлично усещане, което може значително да подобри качеството и издръжливостта на продуктите.

 

Освен това, 3D печатът с титан постепенно навлиза в областта на индустриалното производство, като например персонализирани приспособления, ремонт на матрици, поддръжка на авиация и други специални сценарии. Неговата структурна гъвкавост и свойства на материала правят възможно заместването на традиционните процеси в някои ключови позиции.

 

В заключение

Титановите материали притежават отлични предимства в производителността и тяхната приложна стойност в 3D печата постепенно се очертава. Въпреки високата си цена и строгите изисквания за обработка, титанът и неговите сплави остават незаменими материални опции за структурни части, които трябва да бъдат леки, устойчиви на корозия и с висока якост.

В бъдеще, с популяризирането на оборудването, постепенния спад на разходите за материали и непрекъснатото усъвършенстване на технологичната верига, 3D печатът с титаниеви сплави непрекъснато ще отваря нови граници на приложение.