快速成型制造 (AM)，又称三维打印，正在彻底改变各行各业的生产方式。本指南深入介绍了用于钛零件的 AM 技术，包括工艺、材料、应用、后处理、质量控制等。
概述 钛增材制造
钛是一种坚固、轻质的金属，是航空航天和医疗等高性能应用的理想材料。增材制造为钛释放了新的设计自由和定制潜力。
| 益处 | 详细信息 |
|---|---|
| 复杂几何形状 | 机械加工无法实现的复杂形状 |
| 轻量化 | 晶格结构和拓扑优化 |
| 部分合并 | 减少装配部件 |
| 定制 | 病人专用医疗器械 |
| 缩短交货时间 | 根据设计直接快速生产 |
随着成本的降低和质量的提高，钛 AM 的应用正在加速。
用于 AM 的钛材料
各种钛合金可用于增材制造：
| 合金 | 特点 |
|---|---|
| Ti-6Al-4V（5 级） | 最常见。兼顾强度、延展性和耐腐蚀性。 |
| Ti-6Al-4V ELI | 间隙极低。提高延展性和断裂韧性。 |
| Ti-5553 | 航空航天部件强度高。 |
| Ti-1023 | 紧固件具有良好的冷成型性。 |
| Ti-13V-11Cr-3Al | 医用耐腐蚀合金。 |
对粉末的粒度分布、形态和纯度等特性进行了优化，以便于 AM 加工。
钛增材制造工艺方法
流行的钛 AM 技术：
| 方法 | 说明 |
|---|---|
| 粉末床融合 | 激光或电子束熔化粉末层 |
| 定向能量沉积 | 聚焦热源熔化金属粉末或金属丝 |
| 粘结剂喷射 | 液体粘接剂可选择性地粘接粉末颗粒 |
根据零件的应用和要求，每种工艺都具有特定的优势。
金属粉末床融合
热源逐层选择性地熔化粉末床：
| 类型 | 详细信息 |
|---|---|
| 激光粉末床融合（L-PBF） | 使用激光熔化。分辨率更高。 |
| 电子束熔化（EBM） | 电子束热源建造速度更快 |
L-PBF 可实现更精细的特征，而 EBM 可实现更高的生产率。两者都能生产接近全密度的零件。
定向能量沉积
利用聚焦热能熔化金属粉末/金属丝，逐层沉积材料：
| 方法 | 热源 |
|---|---|
| 激光金属沉积 | 激光束 |
| 电子束快速成型制造 | 电子束 |
| 激光工程塑网 | 激光束 |
DED 通常用于修复或增加现有组件的功能。
粘结剂喷射工艺
液体粘接剂可选择性地粘接金属粉末层：
- 撒粉 - 在构建平台上撒上新的粉层
- 粘合剂喷射 - 喷头按所需模式喷射粘合剂
- 粘合 - 粘合剂将粉末颗粒粘合在一起
- 为达到充分的密度，还需要额外的干燥、固化和渗透步骤
粘合剂喷射可生产出多孔的 "绿色 "部件，这些部件需要烧结和渗透才能致密化。它可以进行高速打印。
钛的 AM 参数
钛的关键 AM 工艺参数：
| 参数 | 典型范围 |
|---|---|
| 层厚度 | 20-100 μm |
| 激光功率（L-PBF） | 150-500 W |
| 扫描速度 | 600-1200 毫米/秒 |
| 光束尺寸 | 50-100 μm |
| 舱口间距 | 60-200 μm |
优化这些参数可以平衡制造速度、零件质量和材料特性。
后处理 钛增材制造 部件
常见的后期处理步骤：
| 方法 | 目的 |
|---|---|
| 支持移除 | 拆除支撑结构 |
| 表面加工 | 提高表面光洁度 |
| 钻孔和攻丝 | 添加螺孔和螺纹 |
| 热等静压 | 消除内部空隙和气孔 |
| 表面处理 | 提高耐磨性/耐腐蚀性 |
后处理使部件符合最终应用要求。
钛增材制造的应用
钛 AM 零件的主要应用领域：
| 行业 | 用途 |
|---|---|
| 航空航天 | 结构支架、发动机部件、无人机部件 |
| 医疗 | 骨科植入物、手术器械 |
| 汽车 | 轻质汽车零件、定制原型 |
| 化学 | 耐腐蚀流体处理部件 |
| 石油和天然气 | 用于腐蚀性环境的阀门和泵 |
AM 可在要求苛刻的行业中实现创新的钛组件设计。
钛增材制造部件的质量控制
钛 AM 零件的关键质量检查：
- 尺寸精度 - 使用坐标测量机和 3D 扫描仪根据设计进行测量。
- 表面粗糙度 - 使用轮廓仪量化表面纹理。
- 孔隙率 - X 射线断层扫描检查内部空隙。
- 化学成分 - 使用光谱分析技术确认合金等级。
- 机械性能 - 进行拉伸、疲劳和断裂韧性测试。
- 无损检测 - X 射线、超声波、渗透检测。
- 微观结构 - 用金相学和显微镜检查缺陷。
综合测试验证部件质量和功能性能。
全球供应商 钛增材制造
钛 AM 服务和系统的领先供应商：
| 公司名称 | 地点 |
|---|---|
| 通用电气添加剂 | 美国 |
| Velo3D | 美国 |
| 3D 系统 | 美国 |
| Trumpf | 德国 |
| EOS | 德国 |
这些公司提供一系列钛 AM 设备、材料和零件生产服务。
成本分析
钛 AM 零件的成本取决于：
- 部件尺寸 - 较大的部件需要更多的材料和制造时间。
- 生产量 - 大批量生产可将成本分摊到更多的部件上。
- 材料 - 钛合金的材料成本高于钢材。
- 后期处理 - 额外的加工步骤会增加成本。
- 购买与外包 - AM 系统购置成本与合同制造成本的对比。
对于小批量复杂零件而言，钛 AM 具有经济可行性。它可与数控加工等减法工艺相媲美。
钛增材制造面临的挑战
钛 AM 目前面临的一些挑战包括
- 高残余应力会导致零件变形和缺陷。
- 实现与锻造材料相当的稳定机械性能。
- 各向异性的材料行为取决于构建方向。
- 与其他制造方法相比，尺寸能力有限。
- AM 机器之间的工艺不一致和重复性问题。
- 高昂的前期系统成本和材料价格。
- 缺乏合格的操作员和主题专家。
不过，不断取得的进步正在帮助克服其中的许多局限性。
钛增材制造的未来展望
钛 AM 的未来前景看好：
- 不断扩大专门用于 AM 的合金和材料选择范围。
- 更大的制造量可制造出更大的零件和更高的生产率。
- 提高质量、表面光洁度和材料性能，使其更接近锻造材料。
- 现场检测、过程监测和控制方面的发展。
- 将 AM 与 CNC 加工及其他方法相结合的混合制造。
- 航空航天、医疗、汽车和工业用燃气轮机行业均实现增长。
- 随着 AM 系统成本的降低和专业知识的增加，将得到更广泛的采用。
随着技术的不断成熟，钛 AM 在改变多个行业的供应链方面具有巨大潜力。
选择钛 AM 服务局
以下是选择钛 AM 服务提供商时的提示：
- 回顾他们使用钛部件的具体经验和实例。
- 寻求完整的端到端功能，包括后期处理。
- 评估其质量体系和认证，如 ISO 和 AS9100。
- 评估其工程支持和 AM 设计知识。
- 考虑地点和物流，以实现快速周转。
- 了解其 AM 设备的能力和产能。
- 比较定价模式（按部件、批量折扣等）。
- 检查交货时间和按时交货记录。
- 查看客户评价和满意度。
选择合适的合作伙伴可确保按时交付高质量的零部件，并符合预算要求。
钛 AM 的优缺点
钛 AM 的优势和局限性：
优点
- 设计自由度可实现复杂的几何形状。
- 通过网格和拓扑优化实现轻量化。
- 加快原型设计和限量生产。
- 将组件合并为单个部件。
- 根据解剖结构定制医疗器械。
- 与机械加工相比，可减少材料浪费。
缺点
- 与其他工艺相比，生产成本相对较高。
- 对最大部件尺寸的限制。
- 通常需要进行后处理，以提高光洁度。
- 各向异性材料特性
- 标准和规范仍在制定中。
- 设计和加工需要专业知识。
对于中小批量的复杂钛零件而言，AM 是一项改变游戏规则的技术，尽管在技术成熟的过程中仍存在一些限制。
常见问题
| 问题 | 答案 |
|---|---|
| 哪种 AM 工艺最适合钛？ | DMLS 和 EBM 等粉末床熔融技术可实现完全熔化，达到接近锻造的性能。 |
| 钛 AM 是否需要任何支撑结构？ | 是的，大多数钛合金 AM 工艺都需要可拆卸的支撑结构。 |
| 钛合金 AM 部件通常需要哪些后处理？ | 大多数零件需要去除支撑、机加工，通常还需要热等静压。 |
| 哪些行业使用钛 AM 最多？ | 航空航天、医疗、汽车、石油和天然气是钛 AM 的主要应用领域。 |
| 钛 AM 可以实现哪些材料特性？ | 采用最佳参数时，性能接近锻造材料的 90-100%。 |
结论
钛增材制造 在航空航天、医疗、汽车和其他高价值行业中，钛 AM 实现了突破性设计和轻质部件。随着技术的不断成熟，钛 AM 技术有望在更多行业得到广泛应用，从而改变供应链并实现下一代产品。
