Additieve fabricage van titanium met laser, elektronenstraal en boog

Titaniumlegeringen combineren een hoge soortelijke sterkte, corrosiebestendigheid en hittebestendigheid, maar de conventionele bewerking ervan is kostbaar en moeilijk. Bij additive manufacturing worden onderdelen die vrijwel hun definitieve vorm hebben, laag voor laag opgebouwd, wat deze techniek aantrekkelijk maakt voor complexe onderdelen in de lucht- en ruimtevaart en de medische sector. De belangrijkste energiebronnen zijn lasers, elektronenbundels en elektrische bogen.

Laser-additieve productie

Selectief lasersmelten

Bij selectief lasersmelten wordt een gebundelde laserstraal gebruikt om opeenvolgende lagen poederbed te smelten volgens de gegevens van het in plakjes verdeelde model. Nadat een laag is uitgehard, daalt het bouwplatform, wordt er nieuw poeder gestrooid en herhaalt de cyclus zich.

Procesparameters zoals laservermogen, scansnelheid, laagdikte, afstand tussen de strepen en scanstrategie zijn bepalend voor de dichtheid, defecten, restspanning en textuur. Een in de bron aangehaalde studie naar Ti-6Al-4V meldt dat een volledige gloeibehandeling bij 840 °C gedurende 2 uur de microstructuur van het geproduceerde materiaal verandert en de uniformiteit ervan verbetert.

Lasermetaalafzetting

Bij laserafzetting wordt poeder of draad rechtstreeks in een door een laser gecreëerd smeltbad gevoerd. Hiermee kunnen grotere onderdelen worden vervaardigd en dure componenten worden gerepareerd, maar de afzettingsnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit zijn over het algemeen lager dan bij poederbedfusie. Snelle gerichte stolling kan grove kolomvormige prior-bèta-korrels en een mandvlechtstructuur opleveren, zoals te zien is bij Ti-17.

Laserprocessen bieden een hoge precisie en een hoog materiaalbenuttingspercentage, maar de kosten van het poeder, restspanning, de beperkte afmetingen van de opgebouwde structuur, de processtabiliteit en de noodzaak van nabewerking blijven knelpunten.

Additieve fabricage met elektronenbundel

Bij poederbedfusie met een elektronenstraal vindt het proces plaats in vacuüm en wordt het poederbed voorverwarmd, waardoor thermische gradiënten en restspanningen worden verminderd. Deze methode is zeer geschikt voor reactieve titaniumlegeringen en maakt hoge opbouwsnelheden mogelijk, hoewel de oppervlakteafwerking en maatnauwkeurigheid over het algemeen minder zijn dan bij laserpoederbedfusie.

De bron meldt dat Ti-6Al-4V dat via poederbedfusie is vervaardigd, een goede ductiliteit bij lage temperaturen kan behouden, met een rek van ongeveer 20% bij 20 K en 29% bij 77 K, en brengt dit gedrag in verband met vervormingsverdubbeling.

Additieve fabricage met booglas

Bij additieve fabricage met draadboog wordt gebruikgemaakt van een elektrische boog en draad als grondstof. De hoge afzettingssnelheid en de lage grondstofkosten maken deze methode geschikt voor grote constructiedelen, maar de warmte-inbreng is hoog, de maatnauwkeurigheid is lager en er kan aanzienlijke nabewerking nodig zijn. De thermische cyclus kan macroscopische banden en heterogene microstructuren veroorzaken in Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V-afzettingen.

Welk additief productieproces voor titanium kiest u?

Toekomstige ontwikkelingen richten zich op composietmaterialen met een titaniummatrix, legeringen voor gebruik bij temperaturen boven 600 °C en versterkingsmaterialen op nanoschaal, zoals TiB en TiC. Betrouwbare monitoring, simulatie, defectcontrole en processpecifieke ontwerpregels zullen van essentieel belang zijn voor een bredere industriële toepassing.