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3D列印技術與鈦合金的應用:優勢、挑戰與未來發展

06月20日 2024
Titanium Alloy 鈦合金

自1990年代以來,3D列印技術經歷了顯著的演變,採用了高能熱融合和快速成型等技術。與傳統製造方法相比,3D列印流線化生產過程並提高生產效率,尤其在製造複雜部件時能夠達到更高的精度。使用鈦合金打印的3D零件不僅具備高強度和精確的尺寸,其機械性能更是優於傳統鍛造工藝。憑藉優異的生物相容性和機械性能,鈦合金在生物醫療、航空產業和精密儀器領域中十分廣泛的被運用。

鈦合金3D列印的優缺點

優點 缺點
高強度重量比 初始設備和材料成本高
可打印複雜幾何形狀 需要後處理
高度定制化 低質量一致性
減少材料浪費 表面質量較低

鋁也是3D金屬打印中的常見材料,那我應該選擇哪一個呢?

鋁和鈦都是3D金屬打印中的常見選擇,各有優勢和考量。雖然兩者都是輕質材料,但應用和生產性能都不同。鈦雖比鋁重約三分之二,但因其固有強度,使用較少的材料即可達到所需強度。另一方面,鋁在不同產業中得到廣泛使用並因其可及性而成為最常見的輕質材料。在選擇3D列印材料時,需考慮它們的不同特性。以下是鋁和鈦的比較。

鋁 vs. 鈦

密度 較低 較高
耐腐蝕性 較低 較高
導電性 優秀的電和熱導率 導電性差,導熱性適中
成本 較低 較高
強度 較低 較高
可加工性 極佳 適中
外觀 反光,高光澤 較無光澤/暗的外觀

總的來說,鋁是一種成本效益高且應用廣泛的材料,適用於要求較低的部件。而鈦則以其高強度和高成本,適用於複雜和高性能部件。

金屬3D列印過程

使用鈦合金進行金屬3D列印的選擇性激光熔化(SLM)過程可分為以下幾個步驟:

  1. 設計與準備:使用CAD軟體設計3D模型,並將其轉換為列印機台可讀格式。
  2. 粉床準備:在打印機床上鋪一層薄薄的鈦合金粉末。
  3. 激光熔化:高功率激光根據CAD模型逐層掃描粉末,精確熔化並固化。
  4. 層層疊加:每層打印完成後,打印床下降一層並進行下一層打印。重複此過程至完成。
  5. 後處理:打印完成後,去除未熔化的粉末並進行後處理,如移除支撐結構和表面處理等。

SLM加工過程可製造出具有極高密度和強度的鈦合金部件,並因此廣泛應用於航空、汽車、醫療等領域。

鈦合金材料數據

類別 指標 數據 備註
基本數據 可實現精度 ±50 微米 成型範圍:350x350x420mm
最小壁厚 大約0.3-0.4 毫米
表面粗糙度 Ti64_30_030_default.job Ra 9 – 12 μm

Rz 40 – 80 μm

Ti64 Performance層厚 (30 μm) 9 mm^3/s (32.4 cm^3/h) 

1.98 in^3/h

Ti64 Speed 1.0 層厚(60 μm) 3.75 mm^3/s (13.5 cm^3/h)
打印速率 Ti64_30_030_default.job 0.82 in^3/h
Ti64 Performance層厚 (30 μm) 9 mm^3/s (32.4 cm^3/h) 

1.98 in^3/h

Ti64 Speed 1.0 層厚(60 μm) 9 mm^3/s (32.4 cm^3/h) 

1.98 in^3/h

物理和化學性能 材料成分 鈦、鋁、釩等 鋁(5.5-6.75%), 釩(3.5-4.5%)
相對密度 大約100%
密度 4.41 g/cm3

0.159 b/in3

機械性能 極限抗拉強度(XY/Z 1230/1200 ± 50 MPa
斷裂伸長率 (XY/Z) 10/11 ± 2/3 % 熱處理後最小值1050/1060 ± 20 MPa
硬度 320 ± 12 HV5 熱處理後最小值 14/15 ± 1%
最高工作溫度 大約350℃ / 600°F

3D列印鈦合金Ti6Al4V的挑戰

鈦合金Ti6Al4V因其優異的強度和耐腐蝕性在金屬3D列印中備受青睞。然而,要達到最佳打印效果仍面臨一些挑戰,包括需要先進的設備、精確的控制和高質量的粉末。

先進設備對確保激光在打印過程中精確熔化材料至關重要。此外,精確的控制機台才能在防止鈦合金氧化的同時保持高打印質量。粉末的清潔度和氧氣水平將會直接影響最終產品的機械性能,因此粉末的處理和存儲必須遵守嚴格標準。

鈦合金與3D列印的結合

鈦合金在增材製造中是一種非常受歡迎的材料,廣泛應用於航空產業、醫療植入物、高性能設備等。Ti6Al4V具有優異的強度、重量輕和極高的耐腐蝕性。3D列印技術的進步進一步擴大了鈦合金的應用範圍,提供定制化解決方案和更高效的材料利用率。這一進步也打破了傳統製造的設計限制,在生產複雜結構和精密部件方面取得了革命性突破。若您有任何加工需求,請隨時聯繫我們。我們將運用我們的CNC加工專業技術,與您一起討論如何高效率、高質量地完成您的項目。

 

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