Additive Fertigung von Titan mittels Laser, Elektronenstrahl und Lichtbogen

Titanlegierungen vereinen eine hohe spezifische Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit, doch ihre herkömmliche Bearbeitung ist kostspielig und schwierig. Bei der additiven Fertigung werden Bauteile schichtweise nahezu in ihrer Endform hergestellt, was dieses Verfahren für komplexe Bauteile in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizin attraktiv macht. Die wichtigsten Energiequellen sind Laser, Elektronenstrahlen und Lichtbögen.

Laser-Additive Fertigung

Selektives Laserschmelzen

Beim selektiven Laserschmelzen werden nacheinander aufgebrachte Pulverbettschichten mithilfe eines fokussierten Lasers entsprechend den in Schichten unterteilten Modelldaten geschmolzen. Nachdem eine Schicht erstarrt ist, senkt sich die Bauplattform ab, es wird neues Pulver aufgebracht, und der Vorgang wiederholt sich.

Prozessparameter wie Laserleistung, Abtastgeschwindigkeit, Schichtdicke, Schraffurabstand und Abtaststrategie beeinflussen die Dichte, Defekte, Restspannungen und Textur. Eine in der Quelle zitierte Studie zu Ti-6Al-4V berichtet, dass ein vollständiges Glühen bei 840 °C über einen Zeitraum von 2 Stunden die Mikrostruktur des gedruckten Werkstücks verändert und dessen Gleichmäßigkeit verbessert.

Laser-Metallauftrag

Beim Laser-Metallauftrag wird Pulver oder Draht direkt in ein durch den Laser erzeugtes Schmelzbad eingebracht. Mit diesem Verfahren lassen sich größere Strukturen aufbauen und teure Bauteile reparieren, allerdings sind die Auftragsgenauigkeit und die Oberflächenqualität im Allgemeinen geringer als bei der Pulverbettfusion. Durch die schnelle gerichtete Erstarrung können grobe säulenförmige Prior-Beta-Körner und eine Korbgeflechtstruktur entstehen, wie dies bei Ti-17 zu sehen ist.

Laserverfahren bieten eine hohe Präzision und Materialausnutzung, doch die Pulverkosten, die Restspannungen, die begrenzte Baugröße, die Prozessstabilität und die Notwendigkeit der Nachbearbeitung stellen nach wie vor Einschränkungen dar.

Additive Fertigung mittels Elektronenstrahl

Die Elektronenstrahl-Pulverbettfusion findet im Vakuum statt und wärmt das Pulverbett vor, wodurch thermische Gradienten und Restspannungen reduziert werden. Sie eignet sich gut für reaktive Titanlegierungen und ermöglicht hohe Baugeschwindigkeiten, obwohl die Oberflächengüte und die Maßgenauigkeit im Allgemeinen geringer sind als bei der Laser-Pulverbettfusion.

Die Quelle berichtet, dass pulverbettgeschmolzenes Ti-6Al-4V eine gute kryogene Duktilität aufweisen kann, mit einer Dehnung von etwa 20% bei 20 K und 29% bei 77 K, und führt dieses Verhalten auf Verformungsverzwillingung zurück.

Additive Fertigung mittels Drahtlichtbogen

Beim additiven Fertigungsverfahren mit Drahtlichtbogen kommen ein Lichtbogen und Draht als Ausgangsmaterial zum Einsatz. Die hohe Abscheidungsrate und die niedrigen Materialkosten eignen sich für große Bauteile, allerdings ist die Wärmezufuhr hoch, die Maßgenauigkeit geringer und es kann eine umfangreiche Nachbearbeitung erforderlich sein. Der thermische Zyklus kann in Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V-Auftragschichten makroskopische Streifen und heterogene Mikrostrukturen erzeugen.

Welches additives Fertigungsverfahren für Titan sollten Sie wählen?

Zukünftige Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf Verbundwerkstoffe mit Titanmatrix, Legierungen für den Einsatz bei Temperaturen über 600 °C sowie nanoskalige Verstärkungsstoffe wie TiB und TiC. Eine zuverlässige Überwachung, Simulation, Fehlerkontrolle und prozessspezifische Konstruktionsregeln werden für eine breitere industrielle Anwendung von entscheidender Bedeutung sein.