Печать титановых сплавов на 3D-принтере по металлу｜Объяснение различий и применения лазера/электронного луча

Использование 3D-принтеров для создания титановых сплавов нашло применение во многих областях, таких как аэрокосмическая промышленность и производство медицинских приборов. 3D-печать привлекает внимание, поскольку позволяет производить изделия сложной геометрии, которые сложно изготовить с помощью традиционных методов производства.

В этой статье мы в доступной форме объясним основные принципы 3D-печати титановыми сплавами, объясним разницу между LB-PBF и EB-PBF, а также приведем примеры использования.

※LB-PBF：Лазерное наплавление порошка
※EB-PBF: Электронно-лучевая плавка порошка

Зачем использовать титановые сплавы в металлических 3D-принтерах?

Помимо своих основных свойств — «легкость и прочность», — титановые сплавы используются в различных областях благодаря своей превосходной совместимости с 3D-принтерами, которые обеспечивают высокую степень свободы при проектировании.

Легкость и высокая прочность | Совместимость свойств титанового сплава и 3D-печати

Титановые сплавы известны как металл, который одновременно «лёгкий» и «прочный», и привлекают внимание как материалы, подходящие для 3D-печати. ​​Хотя титан примерно на 40% легче стали, даже чистый титан обладает высокой прочностью, а титановые сплавы демонстрируют ещё более высокие характеристики.

Кроме того, он обладает коррозионной стойкостью к морской и соленой воде, термостойкостью к высоким температурам и высокой прочностью, что обеспечивает стабильную эксплуатацию в суровых условиях. Использование 3D-принтеров позволяет проектировать изделия с внутренними полостями или решетчатой ​​структурой, что снижает вес при сохранении прочности. 3D-принтеры используются в различных областях, включая детали самолетов, искусственные суставы, гоночные автомобили и велосипедные рамы.

Печать титановых сплавов на 3D-принтере по металлу [Разница между LB-PBF и EB-PBF]

В этом разделе описываются два типичных метода 3D-печати титановых сплавов: «LB-PBF» и «EB-PBF», а также их преимущества и проблемы.

Особенности и проблемы лазерной LB-PBF

LB-PBF (Laser Beam Powder Bed Fusion) — это метод плавления металлического порошка путем воздействия лазерного луча на слой порошка, который затем наносится слой за слоем для формирования трехмерной структуры. Лазерный луч очень тонкий и управляемый, что делает его подходящим для печати деталей, требующих изящных форм и высокой точности. В частности, он часто применяется для печати изделий, требующих точности размеров, таких как прецизионные механические детали.

Однако есть и некоторые проблемы. Многократный быстрый нагрев и быстрое охлаждение в процессе печати могут привести к появлению остаточных напряжений, что может привести к растрескиванию или деформации. Это требует постпечатной обработки и тщательного проектирования. Кроме того, работа с титановыми сплавами, которые быстро окисляются при высоких температурах, требует сложной системы управления газом, что представляет собой ещё одно препятствие для внедрения.

Это хороший вариант, когда точность является приоритетом, но важно учитывать и сравнивать с другими методами скорость и стабильность печати.

Особенности и преимущества электронно-лучевой технологии EB-PBF

Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF) — это технология печати, которая использует электронный луч для расплавления и затвердевания металлического порошка, который затем повторяется слой за слоем для формирования трехмерной структуры. Этот метод характеризуется своей способностью производить высококачественную отделку при одновременном снижении окисления, поскольку весь процесс выполняется в вакуумной среде. Преимуществом этого является стабильное качество детали, поскольку титановый сплав трудно окисляется при этом из-за печати в вакуумной среде. Кроме того, предварительный нагрев всей поверхности порошка перед плавлением уменьшает температурный зазор во время печати, что приводит к небольшому или отсутствию остаточного напряжения. Это предотвращает такие проблемы, как растрескивание и коробление, и снижает возникновение дефектов деталей. Кроме того, напечатанные EB-PBF детали не требуют термической обработки для снятия остаточных напряжений, что сокращает необходимое количество производственных операций.

Технология EB-PBF отличается более высокой скоростью печати и подходит для печати крупногабаритных и толстостенных деталей. Она всё чаще используется для изготовления искусственных соединений и структурных деталей в авиации. Однако, по сравнению с технологией LB-PBF, в некоторых случаях она не подходит для печати деталей с очень мелкими деталями.

В целом, EB-PBF является лучшим выбором для производителей, которым критически важны стабильность и производительность.

Сравнение LB-PBF и EB-PBF (источник тепла/материал/точность/стоимость)

Оба метода печати, LB-PBF и EB-PBF, используют порошковый материал. Однако существуют чёткие различия в источнике нагрева, окружающей среде и результатах печати.

Метод печати EB-PBF отличается превосходной стабильностью, скоростью и низким риском окисления. Его внедрение, в частности, принесло пользу отраслям, где требуются крупногабаритные детали и высокое качество. Выбор метода в соответствии с областью применения и назначением может повысить точность и производительность.

Пример 3D-печати титанового сплава

3D-печать титановых сплавов используется там, где требуются точность и лёгкость. Вот некоторые типичные примеры применения в медицине и аэрокосмической промышленности.

Медицинская область (тазобедренный сустав/позвоночник/имплантат)

В сфере медицинских изделий технология 3D-печати титановых сплавов используется для создания изделий, изготовленных по индивидуальному заказу. Например, для искусственного тазобедренного сустава можно изготовить индивидуальные имплантаты, соответствующие форме и движению костей, что улучшает посадку и долговечность.

3D-печать также позволяет проектировать детали, поддерживающие позвоночник, известные как спинальные кейджи, с внутренней сетчатой ​​структурой, которая облегчает интеграцию с костью. В области имплантатов также можно изготавливать изделия оптимизированных размеров и формы, заранее проектируя имплантат на основе данных о скелете пациента.

Индивидуально изготовленные имплантаты позволяют добиться лучшей посадки и стабильности по сравнению с традиционными изделиями, что приводит к сокращению времени послеоперационного восстановления и нагрузки.

Новый продукт обеспечивает как высокий уровень прилегания, так и безопасности, чего было трудно достичь с помощью обычных продуктов, а также сокращает период послеоперационного восстановления и улучшает результаты лечения пациентов.

Авиационно-космическая промышленность

В аэрокосмической промышленности 3D-печать титановых сплавов получила широкое распространение как весьма востребованная технология, поскольку требуются лёгкость и высокая прочность. Например, лопатка турбины должна быть максимально лёгкой и в то же время прочной в суровых условиях высоких температур и давления.

Использование 3D-печати позволяет проектировать внутреннюю полую и решетчатую структуру внутри детали, обеспечивая необходимую прочность и одновременно снижая ненужный вес.

Более того, производители самолетов используют 3D-печать титановых сплавов для унификации деталей путем объединения нескольких конструкций деталей в одну, что затруднительно при использовании традиционных методов производства, что приводит к снижению производственных затрат и требуемых запасов.

Таким образом, технология 3D-печати с использованием титановых сплавов не только повышает эксплуатационные характеристики продукции, но и создает добавленную стоимость с точки зрения снижения веса деталей и повышения производительности производства.

Что следует учитывать при 3D-печати титановых сплавов

При 3D-печати титановых сплавов необходимо заранее учесть ряд моментов, таких как стоимость материала, стоимость принтера, возможность привлечения аутсорсинга и т. д.

Тенденции цен и распределения рынка порошка титанового сплава

Для 3D-печати титановых сплавов используется специальный металлический порошок. Однако стоимость материалов, как правило, высока. В частности, требуется сферический порошок высокой чистоты, стоимость которого, как правило, выше, чем у других металлических материалов. Однако большую часть металлического порошка, окружающего отпечатанное изделие, можно восстановить и повторно использовать для печати, что исключает расточительную утилизацию материалов по сравнению с традиционными методами обработки.

Кроме того, необходимо уделять внимание системе поставок. Титановый порошок производится на специализированных производственных площадках, объём его реализации ограничен. Цена может существенно колебаться в зависимости от баланса спроса и предложения на рынке и международной конъюнктуры. В связи с этим обеспечение стабильного пути закупок также является важным фактором.

Первоначальные затраты на установку и обслуживание 3D-принтера

Хотя 3D-принтер для титановых сплавов позволяет получать высококачественные детали, сам принтер также стоит дорого.

После установки потребуются затраты на материалы, а также затраты на периодическое техническое обслуживание, затраты на ресурсы выделенного оператора и инвестиции в объект для мер безопасности.

Кроме того, затраты на обслуживание процесса, необходимое для постобработки и контроля качества после печати, также высоки. Проектирование потребует оценки всего производственного процесса, а не только самого объекта. Стабильная работа возможна после установки принтера, если оценить все возможные затраты и заранее подготовиться.

На что следует обратить внимание при использовании аутсорсинга и контрактных услуг

Чтобы снизить риски первоначальных инвестиций, некоторые компании могут прибегнуть к аутсорсингу и контрактным услугам печати. ​​Использование внешних специализированных служб для создания прототипов в сжатые сроки и проверки небольших партий — эффективный метод.

Однако аутсорсинг требует особого внимания. Например, предварительное подтверждение необходимо при обработке проектных данных, содержащих корпоративные секреты, а также требований к материалам и точности, поскольку некоторые поставщики услуг 3D-печати могут не предоставлять эти данные. Более того, если продукт требует комплексного подхода от проектирования до производства, аутсорсинг может быть затруднительным.

Таким образом, хотя аутсорсинг используется только как вариант на ранних этапах внедрения, его долгосрочное использование возможно при планировании будущего внутреннего производства.

Процесс печати титановым сплавом электронно-лучевым методом [Пример JAM-5200EBM]

Далее мы рассмотрим процесс печати титанового сплава электронно-лучевым методом (EB-PBF), включая этапы печати, состав и сертификацию принтера на примере JAM-5200EBM.

Этапы печати методом EB-PBF

Сначала данные 3D-проектирования собираются в специальном программном обеспечении и подготавливаются к печати, включая данные среза, условия облучения и структуру поддержки. Затем внутренняя часть принтера вакуумируется, и вся подложка предварительно нагревается электронным лучом.

Затем будут повторяться следующие шаги.

1. Опускание фундаментной плиты на один уровень.
2. Равномерное распределение металлического порошка (порошковая камера)
3. Предварительный нагрев всего порошкового слоя
4. Расплавление и затвердевание металлического порошка путем облучения области печати электронным лучом.
5. Повторный предварительный нагрев всего порошкового слоя

Повторяя этот процесс, слой за слоем формируется трехмерная структура на основе проектных данных.

После завершения печати рабочая ванна охлаждается вместе с основанием. Затем из 3D-принтера стравливается воздух, и извлекается порошковый брикет, в котором порошок временно спекается.

Далее окружающий спеченный порошок удаляется с помощью PRS (системы рекуперации порошка), а внутренняя отпечатанная часть извлекается.

Поскольку метод EB-PBF позволяет одновременно предварительно прогреть весь слой порошка, он позволяет снизить рассеивание порошка и искажение металла во время печати, что является его особенностью.

Состав и технологическая схема электронно-лучевой системы

JAM-5200EBM состоит из нескольких сложных технологических компонентов. Основные компоненты перечислены ниже.

• Для генерации/управления электронным лучом: источник электронов (катод, линза магнитного поля, отклоняющая катушка)
• Для подачи металлического порошка: бункер для порошка, установка для нанесения покрытия, устройство постоянной подачи порошка
• Для печати: вакуумная камера, резервуар для сборки
• Для поддержания постоянной температуры на рабочей поверхности: тепловой экран
• Для перемещения вверх и вниз по рабочему столу: привод оси Z
• Для сбора порошка после печати: контейнер для сбора порошка

Электронные пучки, испускаемые катодом, ускоряются под высоким напряжением и фокусируются в пучок магнитной линзой. Затем пучок с высокой скоростью перемещается в нужное положение отклоняющей катушкой и излучается в заданную точку.

Такое управление лучом поддерживается функцией автоматической калибровки луча в 3D-принтере. Калибровка обеспечивает регулировку фокуса по всей области печати и коррекцию аберраций для поддержания оптимального электронного луча.

Кроме того, на этапе проектирования процесса программное обеспечение анализирует форму поперечного сечения на основе загруженных 3D-данных, автоматически оценивая грубые и мелкие сечения. Условия плавления и стратегии сканирования автоматически настраиваются соответствующим образом, обеспечивая как точность, так и скорость печати.

Обработка полей, требующих высокой точности/высокой надежности (сертификат AMS)

JAM-5200EBM разработан для применения в областях, требующих высокой точности и надежности, таких как авиастроение и медицинское оборудование. Одной из особенностей JAM-5200EBM, отвечающей этим требованиям, является его соответствие «сертификату AMS (стандарты SAE для аэрокосмических материалов)».

Это международный стандарт, разработанный Обществом инженеров-автомобилестроителей (SAE), который определяет состав материалов, свойства, производственные процессы и требования к качеству для самолетов, космических аппаратов и оборонных систем.

В опасных для жизни ситуациях, например, при вживлении в тело деталей авиационных двигателей и медицинских имплантатов, малейшая ошибка в форме или изменение характеристик могут привести к серьезным проблемам.

JAM-5200EBM способен печатать титановым сплавом (Ti-6Al-4V), соответствующим стандарту AMS7011, и, как подтверждено, обеспечивает качество, соответствующее стандарту AMS7032. Ожидается, что JAM-5200EBM станет важной технологией для поддержки строго регулируемых производственных предприятий, требующих контроля качества, например, при производстве деталей для самолетов и медицинских имплантатов.

Мониторинг обратно рассеянных электронов для Ti64 [Пример JAM-5200EBM]

Компания JEOL разрабатывает функцию мониторинга обратно рассеянных электронов (BSE), которую может обеспечить только производитель электронных микроскопов. BSE (обратно рассеянные электроны), испускаемые электронным пучком, могут быть улавлены, а неровности на поверхности расплава можно наблюдать in situ.

Технология электронного микроскопа, позволяющая обнаруживать обратно рассеянные электроны, что невозможно при использовании лазерного луча, используется для контроля качества печатной продукции. Эта функция заключается в расплавлении порошка Ti64 электронными лучами и получении изображения методом обратного рассеяния электронов (BSE) путем повторного облучения расплавленной поверхности теми же электронными лучами. Это позволяет автоматически обнаруживать внутренние дефекты и деформации деталей на основе изображения поперечного сечения. Наблюдение in situ в процессе печати может гарантировать качество печатной продукции. В настоящее время внутренние дефекты с помощью обратно рассеянных электронов можно обнаружить только для материала Ti64. В будущем мы планируем применить эту технологию и к другим материалам.

Заключение

Титановые сплавы используются во многих областях, таких как медицинское оборудование и аэрокосмическая промышленность, благодаря своей лёгкости и прочности. В последние годы достижения в области 3D-печати титановыми сплавами позволили изготавливать изделия сложной формы и лёгкие конструкции.

С другой стороны, при внедрении 3D-принтеров следует учитывать ряд моментов, таких как метод печати, выбор оборудования и стоимость материалов. Свяжитесь с нами, если вы хотите обсудить различия между лазерным (LB-PBF) и электронно-лучевым (EB-PBF) методами, а также примеры применения, чтобы определить оптимальный метод внедрения для вашей компании.

Сопутствующие продукты