Die additive Fertigung (AM), auch 3D-Druck genannt, revolutioniert die Produktion branchenübergreifend. Dieser Leitfaden bietet einen detaillierten Einblick in AM-Technologien für Titanteile, einschließlich Prozesse, Materialien, Anwendungen, Nachbearbeitung, Qualitätskontrolle und mehr.
Überblick über Additive Fertigung von Titan
Titan ist ein starkes, leichtes Metall, das sich ideal für Hochleistungsanwendungen wie Luft- und Raumfahrt und Medizin eignet. Die additive Fertigung eröffnet mit Titan neue Designfreiheiten und Individualisierungspotenziale.
| Vorteile | Einzelheiten |
|---|---|
| Komplexe Geometrien | Komplizierte Formen sind mit maschineller Bearbeitung nicht möglich |
| Gewichtsreduzierung | Gitterstrukturen und Topologieoptimierung |
| Teilweise Konsolidierung | Montageteile reduzieren |
| Personalisierung | Patientenspezifische Medizinprodukte |
| Kürzere Vorlaufzeiten | Schnelle Produktion direkt aus der Konstruktion |
Mit sinkenden Kosten und Qualitätsverbesserungen beschleunigt sich die Einführung von Titan-AM.
Titanmaterialien für AM
Für die additive Fertigung werden verschiedene Titanlegierungen verwendet:
| Legierung | Merkmale |
|---|---|
| Ti-6Al-4V (Klasse 5) | Am gebräuchlichsten. Ausgewogenheit von Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit. |
| Ti-6Al-4V ELI | Extra niedriges Interstitial. Verbesserte Duktilität und Bruchzähigkeit. |
| Ti-5553 | Hohe Festigkeit für Luft- und Raumfahrtkomponenten. |
| Ti-1023 | Gute Kaltumformbarkeit für Verbindungselemente. |
| Ti-13V-11Cr-3Al | Korrosionsbeständige Legierung für medizinische Zwecke. |
Pulvereigenschaften wie Partikelgrößenverteilung, Morphologie und Reinheit sind für die AM-Verarbeitung optimiert.
Prozessmethoden für die additive Fertigung von Titan
Beliebte Titan-AM-Techniken:
| Methode | Beschreibung |
|---|---|
| Pulverbett Fusion | Laser- oder Elektronenstrahl schmilzt Pulverschichten |
| Gezielte Energieabscheidung | Eine fokussierte Wärmequelle schmilzt Metallpulver oder Draht |
| Binder Jetting | Flüssiges Bindemittel verbindet selektiv Pulverpartikel |
Jeder Prozess hat je nach Teileanwendung und Anforderungen spezifische Vorteile.
Metallpulverbettfusion
Ein Pulverbett wird durch eine Wärmequelle Schicht für Schicht selektiv aufgeschmolzen:
| Typ | Einzelheiten |
|---|---|
| Laser-Pulver-Bett-Fusion (L-PBF) | Verwendet Laser zum Schmelzen. Höhere Auflösung. |
| Elektronenstrahlschmelzen (EBM) | Elektronenstrahl-Wärmequelle. Schnellere Bauraten. |
L-PBF ermöglicht feinere Merkmale, während EBM eine höhere Produktivität ermöglicht. Beide produzieren Teile mit nahezu voller Dichte.
Gezielte Energieabscheidung
Mit fokussierter Wärmeenergie wird Metallpulver/Draht geschmolzen, um Material Schicht für Schicht abzuscheiden:
| Methode | Wärmequelle |
|---|---|
| Laser-Metallauftragschweißen | Laserstrahl |
| Additive Fertigung mit Elektronenstrahl | Elektronenstrahl |
| Lasertechnische Netzformung | Laserstrahl |
DED wird häufig zum Reparieren oder Hinzufügen von Funktionen zu vorhandenen Komponenten verwendet.
Binder-Jetting-Verfahren
Flüssiger Haftvermittler verbindet Schichten aus Metallpulver punktuell:
- Pulververteilung – Neue Pulverschicht wird über die Bauplattform verteilt
- Bindemittelausstoß – Der Druckkopf trägt Bindemittel im gewünschten Muster auf
- Bindung – Bindemittel verbinden Pulverpartikel miteinander
- Um die volle Dichte zu erreichen, werden zusätzliche Trocknungs-, Härtungs- und Infiltrationsschritte durchgeführt
Beim Binder-Jetting entstehen poröse „grüne“ Teile, die zur Verdichtung gesintert und infiltriert werden müssen. Es bietet Hochgeschwindigkeitsdruck.
AM-Parameter für Titan
Wichtige AM-Prozessparameter für Titan:
| Parameter | Typischer Bereich |
|---|---|
| Schichtdicke | 20-100 μm |
| Laserleistung (L-PBF) | 150-500 W |
| Scan-Geschwindigkeit | 600-1200 mm/s |
| Balkengröße | 50-100 μm |
| Abstand zwischen den Luken | 60-200 μm |
Durch die Optimierung dieser Parameter werden Baugeschwindigkeit, Teilequalität und Materialeigenschaften ausgeglichen.
Nachbearbeitung von Additive Fertigung von Titan Teile
Gängige Nachbearbeitungsschritte:
| Methode | Zweck |
|---|---|
| Entfernung der Stütze | Stützstrukturen entfernen |
| Oberflächenbearbeitung | Verbessern Sie die Oberflächengüte |
| Bohren und Gewindeschneiden | Schraubenlöcher und Gewinde hinzufügen |
| Heißisostatisches Pressen | Beseitigen Sie innere Hohlräume und Porosität |
| Oberflächenbehandlungen | Verbessern Sie die Verschleiß-/Korrosionsbeständigkeit |
Durch die Nachbearbeitung werden die Teile an die endgültigen Anwendungsanforderungen angepasst.
Anwendungen der additiven Fertigung von Titan
Hauptanwendungsbereiche für Titan-AM-Teile:
| Industrie | Verwendet |
|---|---|
| Luft- und Raumfahrt | Strukturhalterungen, Motorteile, UAV-Komponenten |
| Medizinische | Orthopädische Implantate, chirurgische Instrumente |
| Automobilindustrie | Leichte Autoteile, kundenspezifische Prototypen |
| Chemisch | Korrosionsbeständige Teile für die Handhabung von Flüssigkeiten |
| Öl und Gas | Ventile, Pumpen für korrosive Umgebungen |
AM ermöglicht innovative Titankomponentendesigns in anspruchsvollen Branchen.
Qualitätskontrolle für Teile aus der additiven Fertigung von Titan
Kritische Qualitätsprüfungen für Titan-AM-Teile:
- Dimensionale Genauigkeit – Messen Sie das Design mithilfe von KMGs und 3D-Scannern.
- Oberflächenrauhigkeit – Quantifizieren Sie die Oberflächentextur mithilfe von Profilometern.
- Porosität – Röntgentomographie zur Prüfung auf innere Hohlräume.
- Chemische Zusammensetzung – Bestätigen Sie den Legierungsgrad mithilfe von Spektrometrietechniken.
- Mechanische Eigenschaften – Führen Sie Zug-, Ermüdungs- und Bruchzähigkeitstests durch.
- Zerstörungsfreie Prüfung – Röntgen, Ultraschall, Eindringprüfung.
- Mikrostruktur – Metallographie und Mikroskopie zur Fehlerprüfung.
Umfassende Tests validieren die Teilequalität hinsichtlich der Funktionsleistung.
Globale Lieferanten von Additive Fertigung von Titan
Führende Anbieter von Titan-AM-Dienstleistungen und -Systemen:
| Unternehmen | Standort |
|---|---|
| GE-Zusatzstoff | USA |
| Velo3D | USA |
| 3D-Systeme | USA |
| Trumpf | Deutschland |
| EOS | Deutschland |
Diese Unternehmen bieten eine Reihe von Titan-AM-Geräten, Materialien und Dienstleistungen für die Teileproduktion an.
Kostenanalyse
Die Kosten für Titan-AM-Teile hängen ab von:
- Teilegröße – Größere Teile erfordern mehr Material und Bauzeit.
- Produktionsvolumen – Hohe Stückzahlen verteilen die Kosten auf mehr Teile.
- Material – Titanlegierungen haben höhere Materialkosten als Stähle.
- Nachbearbeitung – Zusätzliche Bearbeitungsschritte erhöhen die Kosten.
- Kaufen vs. auslagern – Anschaffungskosten für AM-Systeme im Vergleich zu Auftragsfertigungskosten.
Titan AM ist für komplexe Teile mit geringem Volumen wirtschaftlich sinnvoll. Es konkurriert mit subtraktiven Methoden wie der CNC-Bearbeitung.
Herausforderungen der additiven Fertigung von Titan
Zu den anhaltenden Herausforderungen bei der Titan-AM gehören:
- Hohe Eigenspannungen können zu Bauteilverzügen und Defekten führen.
- Erzielung konsistenter mechanischer Eigenschaften, die mit bearbeiteten Materialien vergleichbar sind.
- Anisotropes Materialverhalten je nach Bauausrichtung.
- Begrenzte Größenmöglichkeiten im Vergleich zu anderen Herstellungsmethoden.
- Prozessinkonsistenzen zwischen AM-Maschinen und Probleme mit der Wiederholbarkeit.
- Hohe Vorlaufkosten für System und Material.
- Mangel an qualifizierten Bedienern und Fachexperten.
Laufende Fortschritte tragen jedoch dazu bei, viele dieser Einschränkungen zu überwinden.
Zukunftsaussichten für die additive Fertigung von Titan
Die Zukunftsaussichten für Titan AM sind positiv:
- Erweitertes Angebot an Legierungen und Materialoptionen, die speziell für AM entwickelt wurden.
- Größere Bauvolumina ermöglichen größere Teile und eine höhere Produktivität.
- Verbesserte Qualität, Oberflächenbeschaffenheit, Materialeigenschaften näher an bearbeiteten Materialien.
- Entwicklungen in der In-situ-Inspektion, Prozessüberwachung und -steuerung.
- Hybridfertigung, die AM mit CNC-Bearbeitung und anderen Methoden kombiniert.
- Wachstum in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Medizin, Automobil und Industriegasturbinen.
- Breitere Akzeptanz, da die Kosten für AM-Systeme sinken und das Fachwissen zunimmt.
Titanium AM hat ein enormes Potenzial, die Lieferketten in mehreren Branchen zu verändern, während die Technologie immer ausgereifter wird.
Wählen Sie ein Titanium AM Servicebüro
Hier sind Tipps für die Auswahl eines Titan-AM-Dienstleisters:
- Sehen Sie sich ihre spezifischen Erfahrungen und Beispiele mit Titanteilen an.
- Suchen Sie nach umfassenden End-to-End-Funktionen einschließlich Nachbearbeitung.
- Bewerten Sie ihre Qualitätssysteme und Zertifizierungen wie ISO und AS9100.
- Bewerten Sie ihre technische Unterstützung und ihr Design im Hinblick auf AM-Kenntnisse.
- Berücksichtigen Sie Standort und Logistik für eine schnelle Abwicklung.
- Verstehen Sie die Fähigkeiten und Kapazitäten ihrer AM-Ausrüstung.
- Vergleichen Sie Preismodelle (pro Teil, Mengenrabatte etc.).
- Überprüfen Sie die Lieferzeiten und die Erfolgsbilanz bei der pünktlichen Lieferung.
- Überprüfen Sie die Erfahrungsberichte und Zufriedenheitswerte Ihrer Kunden.
Die Wahl des richtigen Partners stellt sicher, dass qualitativ hochwertige Teile pünktlich und im Rahmen des Budgets geliefert werden.
Vor- und Nachteile von Titan AM
Vorteile und Grenzen von Titan AM:
Profis
- Designfreiheit ermöglicht komplexe Geometrien.
- Leichtbau durch Gitter und Topologieoptimierung.
- Schnelleres Prototyping und begrenzte Produktionsläufe.
- Konsolidieren Sie Baugruppen zu Einzelteilen.
- Maßgeschneiderte, auf die Anatomie zugeschnittene Medizinprodukte.
- Reduzierter Materialabfall im Vergleich zur maschinellen Bearbeitung.
Nachteile
- Relativ hohe Produktionskosten im Vergleich zu anderen Verfahren.
- Einschränkungen der maximalen Teilegröße.
- Zur Verbesserung des Finishs ist häufig eine Nachbearbeitung erforderlich.
- Anisotrope Materialeigenschaften.
- Standards und Codes befinden sich noch in der Entwicklung.
- Für Design und Verarbeitung ist spezielles Fachwissen erforderlich.
Für kleine bis mittlere Stückzahlen komplexer Titanteile ist AM eine bahnbrechende Technologie, trotz einiger anhaltender Einschränkungen im Zuge der Weiterentwicklung der Technologie.
FAQs
| Fragen | Antworten |
|---|---|
| Welches AM-Verfahren eignet sich am besten für Titan? | Pulverbettschmelzverfahren wie DMLS und EBM ermöglichen ein vollständiges Schmelzen, um nahezu formstabile Eigenschaften zu erzielen. |
| Benötigt Titan AM irgendwelche Stützstrukturen? | Ja, die meisten Titan-AM-Prozesse erfordern abnehmbare Stützstrukturen. |
| Welche Nachbearbeitung ist typischerweise für Titan-AM-Teile erforderlich? | Bei den meisten Teilen müssen Stützelemente entfernt, bearbeitet und häufig heißisostatisch gepresst werden. |
| In welchen Branchen wird Titan AM am häufigsten eingesetzt? | Luft- und Raumfahrt, Medizin, Automobil sowie Öl und Gas sind führende Anwender von Titan AM. |
| Welche Materialeigenschaften sind bei Titan AM zu erwarten? | Bei optimalen Parametern erreichen die Eigenschaften 90-100% bearbeiteter Materialien. |
Schlussfolgerung
Additive Fertigung von Titan ermöglicht bahnbrechende Designs und Leichtbaukomponenten in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Automobilindustrie und anderen hochwertigen Branchen. Da die Technologie weiter ausgereift ist, ist mit einer breiteren Einführung von Titan-AM in weiteren Branchen zu rechnen, um die Lieferketten zu verändern und Produkte der nächsten Generation zu ermöglichen.