Bubuk titanium adalah bahan penting untuk mencetak komponen titanium berkekuatan tinggi dan ringan dengan menggunakan teknik manufaktur aditif seperti peleburan laser selektif (SLM) dan peleburan berkas elektron (EBM). Panduan ini memberikan gambaran umum yang komprehensif tentang serbuk titanium untuk AM.
Pengantar Bubuk Titanium untuk AM
Bubuk titanium memungkinkan pencetakan 3D komponen titanium dengan sifat yang luar biasa:
- Rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi
- Ketahanan korosi yang sangat baik
- Sifat suhu tinggi yang baik
- Biokompatibilitas untuk penggunaan medis
- Reaktif dan membutuhkan pemrosesan yang terkendali
Paduan titanium umum untuk AM:
- Ti-6Al-4V (Ti64)
- Ti-6Al-7Nb (Ti647)
- Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr (Ti5553)
- Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo (Ti-6-2-4-2)
Karakteristik bubuk utama:
- Kimia dan struktur mikro
- Ukuran dan distribusi partikel
- Bentuk dan morfologi partikel
- Kemurnian
- Kemampuan mengalir dan kerapatan yang tampak
Bubuk Ti-6Al-4V
Ti-6Al-4V adalah bubuk paduan titanium yang paling umum digunakan dalam AM:
- Memberikan kombinasi yang sangat baik antara kekuatan, keuletan, dan ketahanan terhadap korosi
- Kekuatannya bisa mencapai 1300 MPa dan lebih tinggi untuk suku cadang AM
- Meleleh sekitar 1600°C dan memerlukan manajemen termal selama pencetakan
- Sensitif terhadap pengambilan oksigen - membutuhkan atmosfer yang terkendali
Aplikasi:
- Komponen kedirgantaraan dan otomotif
- Implan biomedis seperti penggantian lutut dan pinggul ortopedi
- Suku cadang industri pengolahan makanan dan kimia
- Produk konsumen
Pemasok: AP&C, Tekna, Aditif Tukang Kayu, Arcam AB
Bubuk Ti-6Al-7Nb
Serbuk Ti-6Al-7Nb memberikan kekuatan tarik dan ketahanan mulur yang unggul:
- Kekuatan tinggi hingga 1500 MPa dari pengerasan presipitasi
- Kemampuan las yang baik
- Digunakan sebagai alternatif dari paduan vanadium yang beracun
- Membutuhkan pengepresan isostatik panas (HIP) untuk meminimalkan rongga
Aplikasi:
- Komponen kedirgantaraan seperti badan pesawat dan turbin
- Suku cadang olahraga motor yang mengalami tekanan tinggi
- Implan gigi dan prostetik medis
- Aplikasi kelautan seperti kapal dan baling-baling
Pemasok: AP&C, TLS Technik GmbH, Tekna
Bubuk Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr
Serbuk Ti-5-5-5-3 menawarkan pengerasan yang sangat baik dan pengerasan yang dalam:
- Tingkat kekuatan melebihi 1400 MPa
- Mempertahankan properti pada suhu lebih dari 350°C
- Digunakan untuk komponen titanium yang sulit dikerjakan dengan mesin
- Memberikan ketahanan lelah dan kekuatan mulur yang tinggi
Aplikasi:
- Roda pendaratan pesawat dan bagian struktural
- Komponen mesin dan sasis Formula-1
- Cakram mesin turbin dan komponen kompresor
- Pengencang dan perangkat keras kedirgantaraan
Pemasok: AP&C, Aditif Tukang Kayu, Arcam AB
Bubuk Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
Serbuk Ti-6-2-4-2 memberikan ketahanan erosi gas panas yang unggul:
- Tahan terhadap oksidasi dan korosi hingga 600°C
- Kekuatan luar biasa hingga 1300 MPa
- Digunakan untuk komponen yang terkena gas bersuhu tinggi
- Membutuhkan pengepresan isostatik panas untuk mencapai kepadatan penuh
Aplikasi:
- Bilah dan baling-baling mesin pesawat terbang
- Nozel mesin roket
- Komponen rudal yang terkena aliran gas panas
- Komponen reaktor nuklir
Pemasok: AP&C, Tekna, Sandvik Osprey
Titanium Kelas 1 dan Kelas 2
Kelas 1 dan 2 tanpa paduan bubuk titanium memberikan ketahanan korosi yang sangat baik:
- Kemurnian tinggi dengan elemen interstisial yang rendah
- Biokompatibilitas yang sangat baik
- Kekuatan rendah dibandingkan dengan paduan; sekitar 380 MPa
- Digunakan untuk aplikasi kimia, kelautan dan konsumen
Aplikasi:
- Implan biomedis seperti lempeng tengkorak
- Bejana dan tabung reaktor kimia
- Komponen kelautan seperti poros baling-baling
- Peralatan pengolahan makanan
Pemasok: AP&C, TLS Technik, Tekna Plasma Systems
Bubuk Titanium Aluminida
Paduan titanium aluminida seperti Ti4522 mencetak komponen yang ringan:
- Kepadatan rendah - 3,7 g/cm3
- Kekuatan hingga 1000 MPa
- Ketahanan korosi yang sangat baik
- Kemampuan suhu tinggi hingga 750°C
- Menantang untuk diproses karena pendinginan dan pemadatan yang cepat
Aplikasi:
- Suku cadang kompresor dirgantara
- Roda turbocharger otomotif
- Pelapis ruang bakar
- Struktur rudal dan pesawat terbang
Pemasok: Kennametal, AP&C, Sandvik
Metode Produksi Bubuk Titanium
1. Atomisasi Gas
- Gas inert yang digunakan untuk mengatomisasi logam cair menjadi tetesan halus
- Serbuk bulat yang ideal untuk AM, 10-100 mikron
- Kemurnian tinggi, bisa jadi mahal
2. Atomisasi Plasma
- Menggunakan gas plasma untuk mengatomisasi logam cair
- Bentuk dan ukuran partikel yang terkendali
- Pengambilan oksigen lebih rendah daripada atomisasi gas
3. Hidrida-Dehidrida (HDH)
- Titanium hidrida yang dihancurkan mengalami dehidrasi
- Bentuk tidak beraturan, ukuran partikel besar
- Biaya lebih rendah, dapat memiliki kotoran yang lebih tinggi
Spesifikasi Teknis
Khas bubuk titanium spesifikasi untuk AM:
| Parameter | Spesifikasi | Metode pengujian |
|---|---|---|
| Ukuran partikel | 10 - 45 mikron | ASTM B214 |
| Kepadatan yang tampak | 2,2 - 4,5 g/cc | ASTM B212 |
| Kerapatan ketukan | 3,5 - 5,5 g/cc | ASTM B527 |
| Laju aliran | 25 - 35 s/50g | ASTM B213 |
| Kandungan oksigen | <0,20% | Fusi gas inert |
| Kandungan nitrogen | <0,05% | Fusi gas inert |
| Kandungan hidrogen | <0,015% | Fusi gas inert |
| Morfologi | Bulat | Pencitraan SEM |
Mengontrol distribusi ukuran, bentuk, kimia, dan kepadatan partikel sangat penting.
Penanganan dan Penyimpanan Bubuk Titanium
Penanganan khusus diperlukan untuk mencegah oksidasi dan penyerapan kelembapan:
- Gunakan wadah dan bejana pemindahan dari baja tahan karat
- Tangani bubuk hanya di dalam kotak sarung tangan gas inert
- Gunakan atmosfer argon dengan kemurnian tinggi
- Hindari paparan udara dan air secara langsung
- Mengardekan semua peralatan penanganan material
- Mempertahankan suhu penyimpanan -10°C hingga 30°C
- Bekukan alas bedak saat printer dalam keadaan diam untuk mencegah penyerapan oksigen
Penyimpanan yang tepat akan memperpanjang masa pakai ulang bubuk titanium secara signifikan.
Penyaringan Bubuk
Pengayakan digunakan untuk mendapatkan distribusi ukuran partikel yang konsisten:
Manfaat
- Memecah aglomerat
- Menghilangkan partikel satelit
- Mengurangi kemungkinan cacat
- Meningkatkan aliran dan pengemasan bubuk
Prosedur
- Ayak bubuk melalui jaring halus sekitar 20 mikron
- Gunakan pengayakan rotasi atau getaran
- Lakukan di bawah gas penutup inert
- Dokumentasikan persentase berat bubuk yang tersisa
Serbuk awal berkualitas tinggi yang dikombinasikan dengan pengayakan meminimalkan cacat pada bagian akhir.
Pemasok dan Harga
| Pemasok | Nilai | Kisaran Harga |
|---|---|---|
| AP&C | Ti64, Ti64 ELI, Ti5553 | $150 - $450/kg |
| Aditif Tukang Kayu | Ti64, Ti5553, Ti64 ELI | $200 - $500/kg |
| TLS Technik | Ti64, Ti4522, Ti54M | $250 - $600/kg |
| Tekna | Ti64, Ti64 ELI, Ti45Nb | $180 - $480/kg |
- Serbuk tanpa paduan Grade 1 dan Grade 2 berharga ~ $150-250 / kg
- Ti-6Al-4V dan Ti-6Al-7Nb berharga ~$250-450/kg
- Paduan khusus berharga $500-650/kg
Harga tergantung pada volume pesanan, tingkat kualitas, struktur mikro, dan morfologi.
Instalasi dan Komisioning Printer
Memasang printer titanium AM memerlukan:
- Pembersihan menyeluruh dan pemeriksaan kebocoran
- Memeriksa kemurnian sistem argon
- Memuat dan menguji sistem penanganan bubuk
- Mengkalibrasi dan meratakan pelat rakitan
- Mengintegrasikan chiller, pasokan gas, stasiun pengayakan
- Parameter proses pemrograman
- Mencetak komponen uji untuk memvalidasi kualitas
Vendor menyediakan dukungan instalasi untuk memastikan pengaturan mesin yang ideal.
Praktik Terbaik untuk Pencetakan
Pengoperasian printer:
- Mempertahankan tingkat kemurnian argon yang tinggi
- Pemantauan yang cermat terhadap kolam lelehan dan perilaku termal
- Validasi semua dimensi kritis
- Penggantian filter dan bahan habis pakai secara teratur
- Pemantauan bubuk untuk tingkat penggunaan ulang
Keselamatan personel:
- Gunakan APD seperti respirator saat menangani bubuk
- Hindari kontak dengan bubuk titanium halus
- Pembuangan bubuk titanium bekas yang tepat
Bagian pasca-pemrosesan:
- Lepaskan penyangga dengan hati-hati dari bagian yang rapuh
- Perlakuan panas yang disesuaikan dengan paduan dan aplikasi
- Pengepresan isostatik panas untuk meningkatkan kepadatan
- Pemesinan CNC dan langkah-langkah penyelesaian jika diperlukan
Mengikuti prosedur yang direkomendasikan vendor sangat penting untuk mencapai komponen cetakan bebas cacat dalam paduan titanium.
Pemeliharaan dan Inspeksi
Diperlukan kegiatan pemeliharaan rutin:
Setiap hari:
- Memeriksa optik dari kerusakan dan endapan
- Memantau tingkat argon dan sensor oksigen
- Periksa segel dan sensor sistem penanganan bubuk
- Bersihkan ruang pembuatan dan saringan Residu bubuk
Mingguan:
- Mengkalibrasi instrumentasi dan sensor
- Melumasi dan memeriksa komponen yang bergerak
- Periksa terminal listrik dan pengardean
Bulanan:
- Melakukan uji kebocoran pada sistem argon
- Memeriksa perangkat keselamatan dan alarm
- Periksa status filter dan ganti jika perlu
- Memantau kesehatan sistem secara keseluruhan
Tahunan:
- Jadwalkan pemeliharaan preventif
- Mengganti bahan habis pakai dan optik
- Pemeriksaan dan peningkatan perangkat keras
Pemeliharaan proaktif meningkatkan keandalan dan masa pakai peralatan.
Memilih Sistem Pencetakan Titanium
Kriteria pemilihan utama untuk sistem pencetakan 3D titanium:
1. Persyaratan Produksi
- Jenis suku cadang yang akan diproduksi
- Kelas material berdasarkan properti yang dibutuhkan
- Volume produksi yang dibutuhkan
- Akurasi dan kebutuhan hasil akhir permukaan
2. Spesifikasi Printer
- Paduan yang didukung dan dioptimalkan
- Laju pembuatan, presisi, dan pengulangan
- Kontrol dan penahanan gas inert
- Fitur otomatisasi
- Ukuran dan kapasitas
3. Sistem Penanganan Bubuk
- Terintegrasi atau mandiri
- Kemampuan penyaringan, penyimpanan, dan penggunaan kembali
- Memantau oksigen dan kelembapan
- Kemudahan pengoperasian dan penahanan
4. Kepatuhan terhadap Standar
- Standar industri seperti ASTM F2924
- Sertifikasi kualitas produsen
- Kepatuhan CE, FCC
5. Kredensial Pemasok
- Keahlian khusus dalam titanium AM
- Dukungan rekayasa aplikasi lokal
- Pelatihan operator yang ditawarkan
- Kontrak pemeliharaan dan layanan
Mengevaluasi opsi berdasarkan faktor-faktor ini memastikan pemilihan sistem manufaktur aditif titanium yang ideal untuk memenuhi kebutuhan produksi.
Pro dan Kontra Titanium AM
Keuntungan
- Rasio kekuatan-terhadap-berat yang sangat baik
- Ketahanan korosi, biokompatibilitas
- Komponen yang berkurang, kinerja yang lebih baik
- Perputaran cepat untuk geometri yang kompleks
- Desain yang disesuaikan dan produksi batch
- Mengurangi skrap dibandingkan dengan pemesinan
- Mengkonsolidasikan rakitan menjadi satu bagian
Kekurangan
- Biaya material dan mesin yang tinggi
- Langkah-langkah pasca-pemrosesan tambahan
- Keterbatasan pada ukuran bagian maksimum
- Pengendalian cacat internal dapat menjadi tantangan tersendiri
- Sifat material dapat bervariasi vs tempa
- Diperlukan keahlian khusus
Memecahkan Masalah Titanium AM
| Masalah | Kemungkinan Penyebab | Tindakan Korektif |
|---|---|---|
| Porositas | Atmosfer argon dengan kemurnian rendah | Pastikan tingkat kemurnian argon di atas 99,99% |
| Kualitas bedak yang buruk | Gunakan bubuk berkualitas tinggi yang dikombinasikan dengan pengayakan | |
| Parameter proses yang salah | Mengoptimalkan parameter seperti daya, kecepatan, jarak penetasan | |
| Retak | Tegangan sisa yang tinggi | Optimalkan manajemen termal, gunakan pemanasan awal |
| Struktur mikro yang rapuh | Sesuaikan strategi pemindaian, gunakan HIP | |
| Kontaminasi | Meningkatkan penanganan bubuk, memastikan kemurnian argon yang tinggi | |
| Permukaan akhir | Kontrol kolam lelehan yang buruk | Menyesuaikan offset fokus, ketebalan lapisan, daya |
| Bubuk yang terkontaminasi | Gunakan bubuk titanium yang baru diayak | |
| Distorsi | Pemanasan yang tidak merata | Optimalkan pola pemindaian, gunakan struktur pendukung |
Pertanyaan Umum
T: Bagaimana cara menangani bubuk titanium reaktif dengan aman?
J: Menggunakan glovebox dan hopper gas inert, menghindari paparan udara, dan mempertahankan level argon yang tepat selama pencetakan.
T: Berapa ukuran partikel yang digunakan untuk bubuk titanium AM?
J: Biasanya 10-45 mikron, dengan kontrol yang lebih ketat di sekitar distribusi 20-45 mikron.
T: Metode pasca-pemrosesan apa yang digunakan?
J: Mendukung pelepasan, perlakuan panas, pengepresan isostatik panas, dan pemesinan/pemolesan akhir.
T: Kontaminan apa yang memengaruhi penggunaan kembali bubuk titanium?
J: Pengambilan oksigen, nitrogen, hidrogen, dan karbon mengurangi masa pakai ulang. Diperlukan prosedur penanganan yang ketat.
T: Berapa kali bubuk titanium dapat digunakan kembali?
J: Biasanya 20-100 cetakan, tergantung pada paduan, penanganan, dan penyimpanan. Titanium Grade 23 menawarkan penggunaan ulang yang lebih baik daripada Grade 5.
T: Berapa suhu yang digunakan untuk memanaskan komponen titanium AM?
J: Perlakuan larutan dilakukan 50-100°C di bawah suhu beta transus, diikuti dengan penuaan dan pendinginan udara/tungku.
T: Standar apa yang berlaku untuk bubuk titanium AM?
J: ASTM B801, ASTM F2924, ASTM F3001, ISO 23304 (dalam pengembangan).
T: Mengapa pengepresan isostatik panas digunakan?
J: HIP membantu menutup rongga internal dan mencapai kepadatan yang lebih tinggi serta sifat mekanis yang lebih baik.
Kesimpulan
Serbuk titanium memungkinkan pencetakan komponen titanium yang sangat kuat dan ringan untuk aplikasi kedirgantaraan, medis, otomotif, dan industri yang canggih dengan menggunakan teknik AM seperti SLM dan EBM. Dengan sifat-sifat yang lebih unggul dari titanium konvensional, geometri yang kompleks dapat diproduksi dengan cepat dan efisien. Namun, penanganan serbuk reaktif, parameter proses yang terkontrol, operator yang terlatih, dan prosedur kualifikasi komponen sangat penting untuk mencapai hasil yang bebas cacat. Seiring dengan berkembangnya keahlian, AM yang menggunakan serbuk titanium memberikan kemampuan yang belum pernah ada sebelumnya untuk memproduksi komponen titanium yang disesuaikan dan berkinerja tinggi dengan waktu tunggu yang lebih singkat.