Znanje - Sanxin

Među brojnim metalnim materijalima, legura titana je nesumnjivo sinonim za "visoku vrijednost". Kombinira visoku čvrstoću s laganim karakteristikama, s čvrstoćom bliskom onoj čelika, ali smanjenjem težine od oko 40%. Osim toga, legura titana također ima izvrsnu otpornost na koroziju i otpornost na visoke temperature, te se stoga široko koristi u područjima kao što su zrakoplovstvo, medicinska skrb i automobili, gdje su zahtjevi za performansama materijala izuzetno strogi. Međutim, ovaj metal ima i svoje nedostatke, naime, veliku poteškoću obrade. Zbog slabe toplinske vodljivosti, tradicionalni postupci rezanja mogu lako uzrokovati pregrijavanje ili čak oštećenje alata za rezanje, što rezultira niskom učinkovitošću obrade i značajnim otpadom materijala. Zbog toga se 3D printanje smatra idealnijom metodom obrade.

 

Danas ćemo razgovarati o titanovoj leguri. Koje su njezine uobičajene vrste? Koji su 3D procesi ispisa prikladni za nju? I u kojim područjima primjene je postigla zrelu primjenu? Zatim će vas biblioteka resursa korak po korak voditi kroz "puni životni ciklus" titanske legure u 3D ispisu.

 

I. Materijalna svojstva metala titana

Titan je tvrdi, sjajni, srebrnobijeli metal s elementarnim simbolom Ti i atomskim brojem 22. U prirodi uglavnom postoji u obliku minerala poput rutila, ilmenita i titanita. Industrijski se spužvasti titan obično dobiva redukcijom titanijevog tetraklorida magnezijem na visokim temperaturama, a zatim se titanijevi ingoti proizvode taljenjem električnim lukom.

Materijalna svojstva titana čine ga vrlo pogodnim za izradu dijelova koji zahtijevaju i malu težinu i visoku čvrstoću. To je od velike vrijednosti u zrakoplovnim konstrukcijama i medicinskim implantatima. Osim toga, titan ostaje stabilan u morskoj vodi, kiselinama, bazama i raznim kemijskim korozijskim okruženjima te održava dobre performanse na temperaturama do 600°C.°C.

 

II. Uobičajene vrste titanovih legura

Titan se obično ne koristi u čistom obliku u 3D printanju, već u različitim sastavima legura kako bi se zadovoljili zahtjevi performansi. Najčešće korištena je Ti-6Al-4V, također poznata kao legura titana TC4. Ovaj materijal sastoji se od titana, aluminija i vanadija te ima izvrsnu čvrstoću, otpornost na toplinu i koroziju. Među njima, legura titana 5. stupnja trenutno je "glavna legura" u zrakoplovnoj i industrijskoj industriji.

 

U medicinskom području, Grade 23 (također Ti-6Al-4V sustava) je šire prihvaćen. U usporedbi s Grade 5, ima veću čistoću, niži sadržaj nečistoća, bolju biokompatibilnost i prikladniji je za proizvode koji imaju dugotrajan kontakt s ljudskim tijelom, poput proteza i implantata.

 

Osim toga, vrijedi spomenuti i neke posebne legure titana. Na primjer, Beta 21S, βTitanijeva legura tipa - ima izvrsnu otpornost na oksidaciju i čvrstoću na visokim temperaturama te se često koristi u okruženjima s visokim temperaturama, poput motora zrakoplova; TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V), s većim udjelom aluminija, ima veću čvrstoću od Ti-6Al-4V i široko se primjenjuje u strukturnim komponentama zrakoplova; dok je komercijalni čisti titan (Cp-Ti), zbog svoje izvrsne biokompatibilnosti, prikladan za medicinska i stomatološka područja gdje su zahtjevi za čvrstoćom relativno niski, ali je biokompatibilnost vrlo tražena.

 

III. Koji su prikladni postupci tiska?

U 3D printanju, titanski materijali mogu biti u obliku praha ili žice, a specifičan izbor ovisi o korištenom procesu printanja. Trenutno, glavne tehnologije aditivne proizvodnje titanskih legura uglavnom uključuju tri vrste: selektivno lasersko taljenje (SLM), taljenje elektronskim snopom (EBM) i usmjereno energetsko taloženje (DED).

 

 

Najčešće korištena tehnologija 3D ispisa legura titana je SLM (Selective Laser Melting), također poznata kao LPBF (Laser Powder Bed Fusion), što je u biti isti proces. Tali se titanov prah sloj po sloj laserom, s visokom preciznošću i dobrom gustoćom, te je posebno prikladna za ispis malih ili srednjih dijelova sa složenim strukturama. U zrakoplovnoj i medicinskoj industriji, SLM je najčešće primjenjivana mainstream tehnologija.

Druga često korištena metoda za tisak legura titana je taljenje elektronskim snopom (EBM). Slična je SLM-u u osnovnom principu, ali koristi elektronski snop kao izvor topline i izvodi tisak u vakuumskom okruženju. EBM je učinkovitiji, prikladan za velike strukture, ima veliku brzinu oblikovanja i nisko zaostalo naprezanje te se često koristi za prilagođene implantate.

Osim toga, postupak usmjerenog energetskog taloženja (DED) također se često koristi za titanske materijale, posebno u scenarijima kao što su popravak velikih komponenti i zavarivanje kalupa. Titanska žica ili prah se uvodi u rastaljeni bazen zagrijani laserom ili elektronskim snopom kroz mlaznicu, gdje se istovremeno topi i taloži. Iako njegova preciznost nije tako visoka kao kod SLM-a, ima očite prednosti u smislu volumena i učinkovitosti.

Posljednjih godina neka su poduzeća počela eksperimentirati s korištenjem titanskog praha za tisak vezivnim mlazom, ali ta je tehnologija još uvijek u fazi istraživanja i validacije te još nije postigla komercijalnu primjenu velikih razmjera.

 

IV. Izazovi u tiskanju titanovih legura

Iako se titan sve više koristi u 3D printanju, to nije "jednostavan" tehnološki put.

Prvi problem je cijena. Cijena titanskog praha je već visoka, a proces ispisa ima izuzetno visoke zahtjeve za kontrolu okoliša, gustoću energije i parametre ispisa. Oprema je također vrhunskih modela, a složeni postupci naknadne obrade dodatno povećavaju ukupne troškove proizvodnje, koji su znatno veći od onih kod običnih metala.

 

Drugo, materijalni sustav je relativno zatvoren. Trenutno nema mnogo titanovih legura koje su zaista prikladne za 3D ispis. Većina se još uvijek vrti oko Ti-6Al-4V. Ostali sustavi legura ili imaju veće troškove ili njihove performanse tek trebaju biti provjerene.

Još jedan faktor koji se ne može zanemariti je naknadna obrada. Nakon što se titanski dijelovi otisnu, često moraju proći kroz više koraka kao što su vruće izostatsko prešanje, toplinska obrada, uklanjanje nosača i poliranje površine prije nego što zadovolje stvarne standarde upotrebe. Ovi procesi ne samo da povećavaju vrijeme, već i testiraju zrelost cijelog industrijskog lanca.

 

V. Kontinuirano širenje scenarija primjene

3D printanje legurama titana primjenjuje se u brojnim industrijama, a zrakoplovna industrija je najrazvijenija.

 

Komponente s izuzetno visokim zahtjevima za čvrstoću i temperaturu, poput nosača motora, lopatica turbina i spojnih struktura, postupno se proizvode 3D printanjem. Neka poduzeća također istražuju mogućnost integriranog printanja struktura trupa.

 

Medicinsko područje također je važno bojno polje za printanje titanom. Prilagođeno printanje implantata temeljeno na CT podacima pacijenata postalo je zrela praksa u više podtržišta kao što su spinalna, kraniomaksilofacijalna i stomatološka medicina. U usporedbi s tradicionalnim metodama, 3D printanje može značajno poboljšati pristajanje implantata, skratiti vrijeme operacije i dobilo je dobre kliničke povratne informacije.

 

U automobilskoj industriji, s napretkom trendova elektrifikacije i smanjenja težine, neki visokoučinkoviti modeli već su pokušali primijeniti titanijski tisak na ispušne sustave, komponente ovjesa, pa čak i dijelove strukture šasije. Međutim, zbog visoke cijene, trenutno se uglavnom koristi u konceptnim automobilima, trkaćim automobilima i luksuznim prilagođenim vozilima.

 

Primjena titanijeve legure u 3C području uglavnom se usredotočuje na vrhunske strukturne i estetske komponente poput okvira mobilnih telefona, kućišta pametnih satova i šarki sklopivih telefona. Titanijeva legura ima prednosti kao što su mala težina i visoka čvrstoća, otpornost na koroziju i izvrstan osjećaj, što može značajno poboljšati kvalitetu i trajnost proizvoda.

 

Osim toga, 3D ispis titanom postupno prodire u područje industrijske proizvodnje, kao što su prilagođeni pribori, popravak kalupa, održavanje zrakoplovstva i drugi posebni scenariji. Njegova strukturna fleksibilnost i svojstva materijala omogućuju zamjenu tradicionalnih procesa na nekim ključnim pozicijama.

 

U zaključku

Titanijski materijali posjeduju izvrsne performanse, a njihova primjenjivost u 3D printanju postupno se pojavljuje. Iako imaju visoku cijenu i stroge zahtjeve za obradu, za konstrukcijske dijelove koji moraju biti lagani, otporni na koroziju i visoke čvrstoće, titan i njegove legure ostaju nezamjenjive materijalne opcije.

U budućnosti, s popularizacijom opreme, postupnim padom troškova materijala i kontinuiranim poboljšanjem procesnog lanca, 3D ispis titanijevom legurom stalno će otvarati nove granice primjene.