钛合金3D打印的应用领域与发展(2)

时间：2023-10-23 09:14 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

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钛材料

△钛粉

纯钛通常不用于工程应用，但在生物医学市场中很常见，用于膝盖和髋部植入物等零件。钛基合金是能够提供特定机械性能的金属成分的受控混合物，广泛用于需要实现特定零件性能的行业，长期以来一直为制造商提供铸造用钛的金属材料供应商现在提供专为增材制造而配制的钛粉末。
Virtual Foundry等几家公司可提供用于基于挤出机的熔融沉积建模 (FDM) 的钛丝。这种材料含有嵌入 PLA 中的金属粉末，可以使用 FDM 打印机在挤出机温度高于 205 °C 的情况下进行打印。经过后处理和烧结后，这些细丝可以生产出金属含量超过 90% 的金属部件，使其适合制作原型。

△大学金属 3D 打印实验室华盛顿地球丰富材料部署与研究联合中心用钛制造零件

用于增材制造的钛
■Ti 6Al-4V，5 级是增材制造中最常用的钛合金，非常适合航空航天、汽车领域以及军事应用中的原型和功能部件。它也是制造具有复杂几何形状和精度的零件以及生产工装的优良材料。

■23 级Ti 6Al-4V是一种生物相容性合金，常用于医疗植入物和假肢。

■Beta 21S钛合金比Ti-6Al-4V等传统钛合金具有更高的强度，并且与Ti-15V-3Cr等传统钛合金相比具有优异的抗氧化性和抗蠕变性。21 级钛是所有钛合金中吸氢效率最低的之一。它是骨科植入物和航空航天发动机应用的理想选择。β钛广泛应用于正畸领域。

■由于钛与人体的生物相容性，Cp-Ti（纯钛）1、2 级广泛应用于医疗领域，用途广泛。

■TA15是一种添加了铝和锆的近α钛合金。TA15 制成的部件具有高比强度，加上高承载能力和耐温性，使其可用于飞机和发动机制造中的重型部件。

钛供应商 (公司)

材料制造商提供了多种专为 3D 打印而配制的各种粒径和纯度的钛和钛合金，包括：
■Carpenter Technology：TI 6AL-4V ELI
■Heraeus：Ti6Al4V Gr.5 和 Gr.23
■Sandvik：Osprey TI-6AL-4V Gr.5 和 Gr.23
■GKN：CPTi – Gr.1 和 Gr.2，Ti64 – Gr.2 5和Gr。23、Ti6242、Ti5553、Beta 21S
■AP&C（GE Additive 公司）：CPTi – Gr.1 和 Gr.2、Ti-6AI-4V Gr.5 和 Gr.23、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr
■AstroAlloys：TruForm Ti-6Al-4V Gr.5 和 Gr.23、Ti-48Al-2Nb-2Cr、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
■Uniformity Labs：Ti64 Gr.23
■Tekna：Ti64
■PyroGenesis Additive：CPTi – Gr.1、Ti-6AI-4V Gr.5 和 Gr.23
■IperionX：回收钛

△打印轻型自行车部件后，用真空吸尘器吸走未使用的钛粉，以便在 Trumpf TruPrint 3000 内重复使用

3D打印钛工艺
有多种金属 3D 打印技术可用于加工钛基合金，但最常用的是使用钛粉的粉末床熔融工艺（激光粉末床熔融、电子束粉末床熔融）。根据咨询公司Ampower的一份报告，“大多数钛增材制造零件都是采用粉末床技术制造的，粉末床熔融用于生产航空和赛车的轻质部件以及医疗植入物，而粘合剂喷射通常用于生产较小的钛医疗器械。”

△激光粉末床融合工艺

●激光粉末床熔化（LPBF），也称为选择性激光熔化（SLM），是一种利用高功率激光器使用的粉末金属的制造技术。LPBF 通过在前一层材料上添加一层材料来生产零件。根据要加工的钛基合金的特性，必须优化和调整 LPBF 加工参数，以控制孔隙率、微观结构和最终材料特性。

●电子束粉末床熔化 (EB PBF)，也称为电子束熔化 (EBM)，是一种类似的工艺，但使用更高功率的电子束而不是激光。Ampower 表示，电子束的高工艺温度导致单层冷却速度较慢，因此与 LPBF 相比，微观结构更粗糙。

●在粉末床融合过程中，金属 3D 打印机从选择性扫描的金属粉末床开始工作。所有几何信息均通过先前在 3D 建模软件中定义的 CAD 模型提供给打印系统。粉末材料的特征主要是颗粒形态（不规则或球形）和粒度分布等特征。需要球形形态，以便在打印过程进行时粉末具有良好的流动性。粉末的制造过程决定了其最终特性。金属粉末可以通过气体雾化、旋转雾化、等离子体旋转电极工艺和水雾化来制造。最重要的是，优质粉末才能生产优质零件。

●其他适合钛的增材制造方法包括直接能量沉积（DED）、快速等离子体沉积（RPD）和粘合剂喷射。

钛金属 3D 打印机

△Arcam EBM Spectra L 和雷尼绍 RenAM 500Q 均采用钛金属打印。

当前的3D打印系统市场提供了各种各样的金属3D打印机，用于加工不同的钛基合金。

●粉床熔融 (PBF)
■3D Systems提供三种类型的钛材料，与其多种 PBF 3D 打印机兼容。
■EOS提供五种钛材料选项，适用于其四台金属粉末床熔融 3D 打印机。
■GE Additive为其 SLM 3D 打印机 Concept Laser 系列提供钛和钛合金。
■SLM Solutions为其选择性激光熔化 3D 打印机系列提供三种钛合金。
■Velo3D为其 PBF 3D 打印机提供钛解决方案。
■Trumpf 的激光金属熔合 3D 打印机专为钛零件生产而设计。
■雷尼绍金属 3D 打印机广泛用于生产医疗和牙科领域的钛零件。
■AddUp 的 FormUp350 激光金属融合 3D 打印机与钛兼容。

●粘合剂喷射
■Digital Metal在其粘合剂喷射 3D 打印机上提供了一种钛合金。
■Desktop Metal在其 Studio、X 系列和 Production System 打印机上提供钛金属。

●电子束熔炼 (EBM)
GE Additive为其 EBM 3D 打印机提供钛和钛合金。

●冷聚变
Spee3D于 2022 年宣布，现在能够使用钛进行 3D 打印。

●熔融沉积成型 (FDM) 和挤压
Desktop Metal使用其挤出粘合金属沉积技术为三台打印机提供填充钛合金的专有丝材。

3D 打印钛的特性

△Atherton Cycles 的 3D 打印钛合金凸耳

两种粉末床工艺中的一个重要问题是材料微观结构在打印过程中如何演变，以及能量密度和传递的热量如何与材料晶格相互作用。这种相互作用反映在激光束或电子束传递到原料的随时间变化的温度分布中。

3D 打印使钛材料经历多方面且复杂的热处理循环，从而影响材料的机械性能。建立趋势和它们之间的关系很困难，因为每台打印机都不同，材料也各不相同，并且有一系列范围需要微调。最近该领域有很多研究，大多数都指出 3D 打印钛零件具有卓越的结构完整性。2021 年 3 月，金属 3D 打印机制造商 MELD Manufacturing 发布数据，确认其工艺生产的钛符合打印时的锻造材料的 ASTM 和 AMS 标准要求。

△来自专门从事钛 3D 打印的合同制造商 Zenith Tecnica 的定制钛部件

这些数据是通过国家制造科学中心 (NCMS)、陆军研究实验室 (ARL) 和先进制造、材料和工艺 (AMMP) 项目使用 Ti-6Al-4V (Ti64) 材料生成的，被称为 ASTM 5 级，用于测试。数据表明，打印材料在所有轴（包括穿过打印层的 Z 方向）上都超过了 ASTM 标准中规定的屈服强度、极限拉伸强度和伸长率的最低要求。

总之，3D 打印钛的未来发展充满希望，将在众多领域发挥更大的作用。通过持续的技术创新和应用拓展，3D 打印钛将为社会带来更多便捷、高效和优质的金属部件。

(责任编辑：admin)

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