Stop Ti-6Al-4V – właściwości i zastosowanie

W przemysłowym druku 3D z tytanu szczególne znaczenie ma stop Ti-6Al-4V, określany również jako Grade 5. W zastosowaniach wymagających podwyższonej czystości materiałowej wykorzystuje się także odmianę Grade 23.

Ti-6Al-4V jest stopem zawierającym przede wszystkim tytan, aluminium oraz wanad. Odpowiednio dobrany skład chemiczny pozwala uzyskać materiał charakteryzujący się wysoką wytrzymałością przy stosunkowo niewielkiej masie.

Połączenie tych właściwości sprawia, że Ti-6Al-4V znajduje zastosowanie w produkcji komponentów przeznaczonych do pracy w wymagających warunkach.

Medycyna i implantologia

Jednym z najważniejszych obszarów wykorzystania stopów tytanu jest medycyna. Ti-6Al-4V może być stosowany do produkcji elementów implantów ortopedycznych oraz stomatologicznych.

Technologia przyrostowa umożliwia również projektowanie powierzchni o kontrolowanej porowatości. Odpowiednio zaprojektowana struktura może wspierać integrację implantu z tkanką kostną, co ma istotne znaczenie w zastosowaniach implantologicznych.

Lotnictwo i przemysł kosmiczny

W lotnictwie każdy kilogram masy konstrukcji może mieć znaczenie dla parametrów eksploatacyjnych całego statku powietrznego. Z tego względu druk 3D z tytanu jest interesującym rozwiązaniem przy produkcji lekkich i jednocześnie wytrzymałych komponentów.

Technologie przyrostowe pozwalają projektować części z wykorzystaniem optymalizacji topologicznej, dzięki czemu materiał może być usuwany z obszarów, które nie mają istotnego wpływu na pracę komponentu.

Motoryzacja, motorsport i przemysł maszynowy

Wysoka wytrzymałość stopu Ti-6Al-4V sprawia, że materiał ten znajduje zastosowanie także przy produkcji specjalistycznych części dla motoryzacji, motorsportu oraz przemysłu maszynowego.

Technologia przyrostowa może być wykorzystywana między innymi do wykonywania lekkich komponentów, elementów układów mechanicznych oraz części o nietypowej geometrii.

Jak przebiega druk 3D z tytanu w technologii LPBF?

Jedną z najważniejszych technologii wykorzystywanych do produkcji metalowych elementów przyrostowych jest LPBF – Laser Powder Bed Fusion. Metoda ta polega na selektywnym stapianiu kolejnych warstw proszku metalowego za pomocą skupionej wiązki lasera.

Proces rozpoczyna się od rozprowadzenia cienkiej warstwy proszku na platformie roboczej. Następnie laser topi materiał w miejscach odpowiadających aktualnemu przekrojowi modelu 3D. Po zakończeniu jednej warstwy platforma zmienia swoje położenie, nakładana jest kolejna warstwa proszku, a proces jest powtarzany aż do uzyskania kompletnego elementu.

W ten sposób powstaje część zgodna z cyfrowym modelem CAD.

Dlaczego atmosfera ochronna jest tak ważna?

Druk 3D z tytanu metodą LPBF odbywa się w kontrolowanych warunkach. Proces prowadzi się w zamkniętej komorze roboczej, w której stosuje się atmosferę gazu obojętnego, najczęściej argonu.

Jest to szczególnie istotne w przypadku tytanu, który w wysokiej temperaturze może intensywnie reagować z gazami obecnymi w atmosferze. Kontrolowane środowisko procesu pomaga ograniczyć ryzyko niepożądanych zmian właściwości materiału podczas stapiania i krzepnięcia.

Odpowiedni dobór parametrów procesu – między innymi mocy lasera, prędkości skanowania, grubości warstwy oraz strategii prowadzenia wiązki – ma bezpośredni wpływ na jakość końcowego komponentu.

Druk proszkowy z tytanu – materiał wykorzystywany w procesie LPBF

Podstawowym surowcem stosowanym w technologii LPBF jest proszek metalowy. W przypadku stopu Ti-6Al-4V jego właściwości mają bezpośrednie znaczenie dla stabilności procesu oraz parametrów gotowego elementu.

Proszek przeznaczony do produkcji przyrostowej powinien charakteryzować się odpowiednią granulacją, czystością oraz właściwościami zapewniającymi prawidłowe rozprowadzanie kolejnych warstw.

W procesie wykorzystuje się zazwyczaj cząstki o kształcie zbliżonym do sferycznego. Pozwala to uzyskać korzystną płynność materiału i równomierne tworzenie warstw proszku.

Najważniejsze zalety druku proszkowego

1. Ograniczenie zużycia materiału

Jedną z podstawowych zalet technologii przyrostowych jest możliwość efektywnego wykorzystania surowca. W przeciwieństwie do obróbki z pełnego bloku materiału, gdzie znaczna część tytanu może zostać usunięta podczas skrawania, LPBF buduje komponent bezpośrednio z kolejnych warstw proszku.

Niewykorzystany materiał może, zależnie od procedury technologicznej i wymagań jakościowych, zostać poddany odpowiedniemu procesowi odzysku i ponownie wykorzystany.

2. Możliwość wykonywania skomplikowanych geometrii

Druk 3D z metalu daje projektantom znacznie większą swobodę niż wiele tradycyjnych metod produkcji.

Technologia LPBF umożliwia wykonywanie między innymi:

• złożonych kanałów wewnętrznych,
• lekkich struktur kratowych,
• cienkościennych elementów,
• geometrii zoptymalizowanych topologicznie,
• konstrukcji o zmiennej gęstości,
• elementów, których wykonanie metodami konwencjonalnymi byłoby bardzo trudne.

Dzięki temu projekt części może być dostosowany nie tylko do możliwości produkcyjnych, ale przede wszystkim do funkcji, jaką ma pełnić gotowy komponent.

3. Produkcja elementów dopasowanych do konkretnego zastosowania

Technologia addytywna sprawdza się również tam, gdzie potrzebne są krótkie serie, prototypy lub pojedyncze, wysoko wyspecjalizowane elementy.

Szczególnie interesującym przykładem jest medycyna. Na podstawie danych obrazowych, takich jak tomografia komputerowa, można przygotować cyfrowy model komponentu dopasowanego do indywidualnej anatomii pacjenta.

W przypadku produkcji jednostkowej lub niskoseryjnej druk 3D może ograniczyć potrzebę przygotowywania kosztownych narzędzi i oprzyrządowania.

Kontrola jakości elementów z Ti-6Al-4V

Uzyskanie wysokiej jakości komponentu nie zależy wyłącznie od samego procesu drukowania. Znaczenie mają również przygotowanie modelu, parametry technologiczne, właściwości proszku, orientacja elementu na platformie oraz późniejsza obróbka.

Po zakończeniu procesu część może wymagać dodatkowych operacji, takich jak:

• usunięcie podpór,
• obróbka powierzchni,
• obróbka mechaniczna wybranych powierzchni,
• obróbka cieplna,
• kontrola wymiarowa,
• badania jakościowe i materiałowe.

W przypadku komponentów przeznaczonych do zastosowań odpowiedzialnych szczególne znaczenie ma pełna kontrola procesu produkcyjnego oraz odpowiednia weryfikacja właściwości gotowego elementu.

Druk 3D z tytanu – podsumowanie

Druk 3D z tytanu w technologii LPBF stanowi zaawansowaną metodę wytwarzania metalowych komponentów o złożonej geometrii. Połączenie właściwości stopu Ti-6Al-4V z możliwościami produkcji przyrostowej pozwala tworzyć lekkie, wytrzymałe i funkcjonalne części przeznaczone do wymagających zastosowań.

Technologia znajduje zastosowanie między innymi w medycynie, lotnictwie, przemyśle kosmicznym, motoryzacji, motorsporcie oraz przemyśle maszynowym.

Szczególną wartością LPBF jest możliwość projektowania komponentów z uwzględnieniem optymalizacji masy, wykorzystania materiału oraz funkcjonalności konstrukcji. Dzięki temu druk 3D z tytanu jest nie tylko alternatywą dla wybranych tradycyjnych metod produkcji, ale również narzędziem umożliwiającym tworzenie nowych, wcześniej trudnych do wykonania konstrukcji.