Mencetak Aloi Titanium dengan Pencetak 3D Logam｜Penjelasan Perbezaan dan Penggunaan Rasuk Laser/Elektron

Penggunaan pencetak 3D untuk membina aloi titanium telah digunakan dalam banyak bidang, seperti aeroangkasa dan industri peranti perubatan. Percetakan 3D menarik perhatian kerana ia membolehkan penghasilan geometri kompleks yang sukar dihasilkan dengan kaedah pembuatan konvensional.

Dalam lajur ini, kami akan menerangkan pengetahuan asas percetakan 3D aloi titanium, perbezaan antara LB-PBF dan EB-PBF, dan contoh penggunaan dengan cara yang mudah difahami.

※LB-PBF：Campuran Katil Serbuk Sinar Laser
※EB-PBF：Penyatuan Katil Serbuk Rasuk Elektron

Mengapa menggunakan aloi titanium dengan pencetak 3D logam?

Selain sifat asasnya sebagai "ringan dan kuat," aloi titanium digunakan dalam pelbagai bidang kerana keserasian yang sangat baik dengan pencetak 3D, yang menawarkan kebebasan yang tinggi dalam reka bentuk.

Ringan dan Kekuatan Tinggi | Keserasian sifat aloi titanium dan percetakan 3D

Aloi titanium dikenali sebagai logam yang "ringan" dan "kuat", dan telah mendapat perhatian sebagai bahan yang sesuai untuk percetakan 3D. Walaupun kira-kira 40% lebih ringan daripada keluli, walaupun titanium tulen mempunyai kekuatan tinggi, dan aloi titanium mempamerkan sifat yang lebih tinggi.

Tambahan pula, ia mempunyai rintangan kakisan terhadap air laut dan air masin, rintangan haba terhadap suhu tinggi, dan ketahanan yang tinggi untuk kegunaan yang stabil dalam keadaan yang teruk. Dengan menggunakan pencetak 3D, adalah mungkin untuk mereka bentuk produk dengan struktur rongga atau kekisi dalaman, yang mengurangkan berat badan sambil mengekalkan kekuatan. Pencetak 3D sedang digunakan dalam pelbagai bidang, termasuk bahagian pesawat, sambungan tiruan, kenderaan lumba dan bingkai basikal.

Mencetak Aloi Titanium dengan Pencetak 3D Logam[Perbezaan antara LB-PBF dan EB-PBF]

Bahagian ini menerangkan dua kaedah percetakan biasa yang digunakan untuk cetakan 3D aloi titanium, "LB-PBF" dan "EB-PBF," bersama-sama dengan kelebihan/cabarannya.

Ciri dan cabaran LB-PBF berasaskan laser

LB-PBF(Laser Beam Powder Bed Fusion) ialah kaedah untuk mencairkan serbuk logam dengan menggunakan pancaran laser pada katil serbuk, yang kemudiannya diulang lapisan demi lapisan untuk membentuk struktur tiga dimensi. Pancaran laser sangat halus dan boleh dikawal, menjadikannya sesuai untuk pencetakan bahagian yang memerlukan bentuk halus dan ketepatan tinggi. Khususnya, ia sering digunakan untuk produk yang memerlukan ketepatan dimensi seperti bahagian mekanikal yang tepat.

Walau bagaimanapun, terdapat beberapa isu. Pemanasan pantas berulang dan penyejukan pantas semasa proses pencetakan boleh menyebabkan tekanan sisa, yang berpotensi menyebabkan keretakan atau meledingkan. Ini memerlukan pemprosesan pasca cetakan dan pertimbangan reka bentuk yang teliti. Selain itu, pengendalian aloi titanium yang teroksida dengan cepat dalam persekitaran suhu tinggi, memerlukan pengurusan gas yang canggih, memberikan satu lagi halangan untuk diterima pakai.

Ini adalah pilihan yang kukuh apabila ketepatan menjadi keutamaan, tetapi adalah penting untuk mempertimbangkan dan membandingkan dengan kaedah lain dari segi kelajuan dan kestabilan cetakan.

Ciri dan faedah EB-PBF berasaskan rasuk elektron

Electron Beam Powder Bed Fusion (EB-PBF) ialah teknologi percetakan yang menggunakan pancaran elektron untuk mencairkan dan memejal serbuk logam, yang kemudiannya diulang lapisan demi lapisan untuk membentuk struktur tiga dimensi. Kaedah ini dicirikan oleh keupayaannya untuk menghasilkan kemasan berkualiti tinggi sambil mengurangkan pengoksidaan, kerana semua proses dilakukan dalam persekitaran vakum. Faedah ini adalah kualiti bahagian yang stabil kerana aloi titanium sukar untuk dioksidakan dalam kaedah ini kerana percetakan dalam persekitaran vakum. Di samping itu, dengan memanaskan seluruh permukaan serbuk sebelum cair, jurang suhu semasa pencetakan dikurangkan, mengakibatkan tekanan baki sedikit atau tiada. Ini mengelakkan masalah seperti keretakan dan meledingkan serta mengurangkan berlakunya kecacatan bahagian. Di samping itu, bahagian bercetak EB-PBF tidak memerlukan rawatan haba untuk menghilangkan tegasan sisa daripada bahagian, mengurangkan bilangan operasi pembuatan yang diperlukan.

EB-PBF mempunyai kelajuan cetakan yang lebih pantas dan sesuai untuk mencetak bahagian bersaiz besar dan berdinding tebal. Ia semakin digunakan untuk bahagian sendi dan struktur tiruan untuk pesawat. Walau bagaimanapun, berbanding dengan LB-PBF, dalam beberapa kes, ia tidak sesuai untuk mencetak bahagian dengan ciri yang sangat halus.

Secara umum, EB-PBF ialah pilihan utama bagi pengeluar yang kestabilan dan produktiviti adalah kritikal.

Perbandingan LB-PBF dan EB-PBF(sumber haba/bahan/ketepatan/kos)

Kedua-dua LB-PBF dan EB-PBF adalah kaedah cetakan menggunakan bahan serbuk. Walau bagaimanapun, terdapat perbezaan yang jelas pada sumber haba, persekitaran, dan hasil cetakan.

Kaedah percetakan EB-PBF sangat baik dari segi kestabilan percetakan, kelajuan, risiko pengoksidaan yang kecil. Khususnya, pengenalannya telah memberi manfaat kepada industri di mana bahagian bersaiz besar dan kualiti tinggi diperlukan. Pemilihan kaedah mengikut penggunaan dan tujuan boleh meningkatkan ketepatan dan hasil.

Contoh cetakan 3D aloi titanium

Percetakan 3D aloi titanium digunakan dalam bidang yang memerlukan ketepatan dan pemberat ringan. Berikut ialah beberapa aplikasi biasa di tapak perubatan dan aeroangkasa.

Bidang perubatan (sendi pinggul/kandang tulang belakang/implan)

Dalam bidang peranti perubatan, teknologi percetakan 3D untuk aloi titanium digunakan dalam produk yang disesuaikan dengan pesakit individu. Sebagai contoh, untuk sendi pinggul tiruan, implan tersuai boleh dihasilkan mengikut bentuk dan pergerakan tulang, meningkatkan kecergasan dan ketahanan.

Percetakan 3D juga memungkinkan untuk mereka bentuk bahagian yang menyokong tulang belakang, yang dikenali sebagai sangkar tulang belakang, dengan struktur jaringan dalaman yang memudahkan untuk disepadukan dengan tulang. Dalam bidang implan juga, produk dengan saiz dan bentuk yang optimum boleh dihasilkan, dengan mereka bentuk implan berdasarkan data rangka pesakit terlebih dahulu.

Kesesuaian dan kestabilan yang lebih baik berbanding dengan produk konvensional boleh dicapai dengan implan tersuai, mengakibatkan pengurangan pemulihan dan beban selepas pembedahan.

Produk baharu ini menawarkan tahap kesesuaian dan keselamatan yang tinggi, yang sukar dicapai dengan produk konvensional, dan juga mengurangkan pemulihan selepas pembedahan dan meningkatkan hasil pesakit.

Industri aeroangkasa

Dalam industri aeroangkasa, percetakan 3D aloi titanium telah diperluaskan sebagai teknologi yang sangat sesuai, kerana berat ringan dan ketahanan tinggi diperlukan. Sebagai contoh, bilah turbin diperlukan seringan mungkin, pada masa yang sama tahan lama dalam persekitaran yang teruk dengan suhu tinggi/tekanan tinggi.

Penggunaan percetakan 3D membolehkan mereka bentuk struktur berongga dan kekisi dalaman di dalam bahagian, memastikan kekuatan yang diperlukan sambil mengurangkan berat yang tidak perlu.

Selain itu, pengeluar pesawat menggunakan cetakan 3D aloi titanium untuk penyatuan bahagian dengan menggabungkan beberapa reka bentuk bahagian ke dalam reka bentuk satu bahagian, yang sukar dengan kaedah pembuatan konvensional, yang membawa kepada pengurangan kos pembuatan dan inventori yang diperlukan.

Oleh itu, teknologi percetakan 3D menggunakan aloi titanium bukan sahaja meningkatkan prestasi produk, tetapi juga menghasilkan nilai tambah dari segi bahagian ringan dan hasil pembuatan.

Perkara yang perlu dipertimbangkan untuk aloi titanium percetakan 3D

Untuk percetakan 3D aloi titanium, terdapat beberapa perkara yang perlu dipertimbangkan terlebih dahulu seperti harga bahan, kos pencetak, sama ada penyumberan luar boleh dilakukan atau tidak, dsb.

Harga dan trend pengedaran pasaran serbuk aloi titanium

Untuk cetakan 3D aloi titanium, serbuk logam khusus digunakan. Walau bagaimanapun, kos bahan adalah mahal secara umum. Khususnya, serbuk sfera dan ketulenan tinggi diperlukan, kosnya cenderung lebih tinggi daripada bahan logam lain. Walau bagaimanapun, kebanyakan serbuk logam yang mengelilingi produk bercetak boleh dipulihkan dan digunakan semula untuk percetakan, menghapuskan pelupusan bahan yang membazir berbanding dengan kaedah pemesinan konvensional.

Selain itu, sistem bekalan juga perlu diberi perhatian. Serbuk aloi titanium dihasilkan di kemudahan pengeluaran khas, jumlah pengedarannya adalah terhad. Harga sebahagian besarnya boleh berubah-ubah disebabkan oleh keseimbangan bekalan-permintaan dalam pasaran dan keadaan antarabangsa. Berdasarkan latar belakang ini, mendapatkan laluan perolehan yang stabil juga merupakan perkara penting untuk dipertimbangkan.

Kos pemasangan awal dan kos penyelenggaraan pencetak 3D

Walaupun pencetak 3D untuk aloi titanium menghasilkan bahagian berprestasi tinggi, pencetak itu sendiri juga mahal.

Selepas pemasangan, kos bahan serta kos penyelenggaraan berkala, kos sumber pengendali khusus, dan pelaburan kemudahan untuk langkah keselamatan akan diperlukan.

Di samping itu, kos penyelenggaraan proses yang diperlukan untuk pasca pemprosesan dan pemeriksaan kualiti selepas cetakan juga tinggi. Mereka bentuk dengan menilai keseluruhan operasi pembuatan akan diperlukan, bukan sahaja untuk kemudahan itu. Operasi yang konsisten boleh dicapai selepas pemasangan pencetak, dengan menganggar pelbagai kos dan menyediakan lebih awal.

Perkara yang memerlukan perhatian dalam menggunakan perkhidmatan penyumberan luar dan kontrak

Sebagai langkah untuk mengurangkan risiko dalam pelaburan awal, sesetengah syarikat mungkin menggunakan perkhidmatan penyumberan luar dan percetakan kontrak. Ia merupakan kaedah yang berkesan untuk menggunakan perkhidmatan khusus luar untuk membuat prototaip dengan masa petunjuk yang singkat dan pengesahan dalam kelompok kecil.

Walau bagaimanapun, penyumberan luar memerlukan perhatian khusus. Sebagai contoh, pengesahan awal diperlukan dalam pengendalian data reka bentuk yang terlibat dengan rahsia syarikat dan keperluan untuk bahan dan ketepatan yang diingini kerana ini mungkin tidak dijawab oleh beberapa pembekal percetakan 3D kontrak. Selain itu, dalam kes produk yang memerlukan operasi bersepadu daripada mereka bentuk kepada pembuatan, ia mungkin sukar dengan penyumberan luar.

Oleh itu, sementara penyumberan luar hanya digunakan sebagai pilihan pada peringkat awal pelaksanaan, penggunaan jangka panjang adalah mungkin dengan merancang untuk pengeluaran dalaman masa hadapan.

Proses percetakan aloi titanium dalam kaedah pancaran elektron [Contoh JAM-5200EBM]

Dari sini, kami akan memperkenalkan aliran pencetakan aloi titanium dengan kaedah pancaran elektron (EB-PBF) seperti langkah pencetakan dan komposisi dan pensijilan pencetak, dengan JAM-5200EBM sebagai contoh.

Langkah-langkah mencetak dengan kaedah EB-PBF

Pertama, data reka bentuk 3D diperoleh dalam perisian khusus dan menyediakan data untuk pencetakan yang menetapkan data hirisan, keadaan penyinaran rasuk dan struktur sokongan. Kemudian, bahagian dalam pencetak dikosongkan dan keseluruhan plat asas dipanaskan terlebih dahulu oleh pancaran elektron.

Kemudian, langkah-langkah berikut akan diulang.

1. Menurunkan plat asas dengan satu lapisan.
2. Menyebarkan kuasa logam secara merata (katil serbuk)
3. Memanaskan keseluruhan katil serbuk
4. Mencairkan dan memejalkan serbuk logam dengan menyinari pancaran elektron ke kawasan untuk dicetak.
5. Panaskan semula keseluruhan katil serbuk

Dengan mengulangi proses ini, struktur 3D berdasarkan data reka bentuk terbentuk, lapisan demi lapisan.

Selepas cetakan selesai, tangki binaan disejukkan bersama dengan plat asas. Kemudian, pencetak 3D dibuang dan kek serbuk di mana serbuk disinter sementara, dikeluarkan.

Selanjutnya, serbuk tersinter di sekeliling dikeluarkan oleh PRS (sistem pemulihan serbuk) dan bahagian dalam cetakan dipulihkan.

Oleh kerana kaedah EB-PBF boleh memanaskan keseluruhan katil serbuk secara meluas sekali gus, ia boleh mengurangkan taburan serbuk dan herotan logam semasa pencetakan, yang merupakan ciri.

Reka bentuk komposisi dan proses sistem pancaran elektron

JAM-5200EBM terdiri daripada pelbagai teknologi kompleks. Komponen utama adalah seperti berikut.

• Untuk menjana/mengawal pancaran elektron: Sumber elektron (katod, kanta medan magnet, gegelung pesongan)
• Untuk membekalkan serbuk logam: corong serbuk, alat semula, unit bekalan tetap serbuk
• Untuk mencetak: Ruang vakum, bina tangki
• Untuk memastikan suhu tetap pada permukaan binaan: pelindung haba
• Untuk bergerak ke atas dan ke bawah jadual binaan : Pemacu paksi Z
• Untuk mengumpul serbuk selepas mencetak: Kotak pemulihan serbuk

Rasuk elektron yang dipancarkan daripada katod dipercepatkan pada voltan tinggi dan difokuskan ke dalam rasuk oleh kanta medan magnet. Kemudian, rasuk digerakkan pada kelajuan tinggi ke kedudukan yang dikehendaki oleh gegelung pesongan dan disinari ke titik yang dituju.

Kawalan rasuk sedemikian disokong oleh fungsi penentukuran rasuk automatik dalam pencetak 3D. Melalui penentukuran, pelarasan fokus di seluruh kawasan pencetakan dan pembetulan penyimpangan dilakukan untuk memastikan pancaran elektron optimum.

Di samping itu, pada peringkat reka bentuk proses, perisian menganalisis bentuk keratan rentas berdasarkan data 3D yang dimuatkan, secara automatik menilai bahagian kasar dan halus. Keadaan cair dan strategi pengimbasan ditetapkan secara automatik dengan sewajarnya, membolehkan kedua-dua ketepatan dan kelajuan pencetakan.

Pengendalian bidang yang memerlukan ketepatan tinggi/kebolehpercayaan tinggi (sijil AMS)

JAM-5200EBM direka bentuk berdasarkan andaian untuk digunakan dalam bidang yang memerlukan ketepatan yang tinggi dan kebolehpercayaan yang tinggi, seperti pesawat dan peralatan perubatan. Salah satu ciri JAM-5200EBM untuk keperluan tersebut ialah pematuhannya kepada "sijil AMS(SAE Aerospace Material Standards)".

Ini adalah piawaian antarabangsa yang dibangunkan oleh Persatuan Jurutera Automotif (SAE) dan ia mentakrifkan komposisi bahan, sifat, proses pembuatan dan keperluan kualiti untuk pesawat, kapal angkasa, dan sistem pertahanan.

Dalam situasi yang mengancam nyawa seperti bahagian enjin pesawat dan implan perubatan yang ditanam di dalam badan, ralat sedikit pun dalam bentuk atau variasi ciri boleh membawa kepada masalah besar.

JAM-5200EBM mampu mencetak aloi titanium (Ti-6Al-4V) yang mematuhi AMS7011 dan telah disahkan telah mencapai kualiti yang memenuhi AMS7032. Hasilnya, JAM-5200EBM dijangka menjadi teknologi penting yang menyokong kemudahan pengeluaran terkawal tinggi di mana kawalan kualiti diperlukan, seperti untuk bahagian pesawat dan implan perubatan.

Pemantauan elektron berselerak belakang untuk Ti64 [Contoh JAM-5200EBM]

JEOL sedang dalam pembangunan keupayaan pemantauan BSE (Back-Scattered Electron) yang hanya boleh disediakan oleh pengeluar mikroskop elektron. BSE (Back-Scattered Electron) yang dipancarkan daripada pancaran elektron boleh terperangkap dan ketidaksamaan pada permukaan cair boleh diperhatikan secara in situ.

Teknologi mikroskop elektron yang boleh mengesan elektron bertaburan belakang, yang tidak mungkin dengan pancaran laser, digunakan dalam kawalan kualiti produk bercetak. Fungsi ini adalah untuk mencairkan serbuk Ti64 oleh rasuk elektron dan memperoleh imej BSE dengan menyinari rasuk elektron yang sama ke permukaan lebur semula, untuk mengesan kecacatan dalaman dan ubah bentuk secara automatik berdasarkan imej keratan rentas. Pemerhatian in-situ semasa percetakan boleh memastikan kualiti produk produk cetakan. Pada masa ini, kecacatan dalaman boleh diperhatikan oleh BSE hanya untuk bahan Ti64. Pada masa akan datang, kami merancang untuk menerapkan ini pada bahan lain.

Kesimpulan

Aloi titanium digunakan dalam banyak bidang seperti peranti perubatan dan aeroangkasa, mengambil kesempatan daripada ringan dan kekuatannya. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, kemajuan dalam percetakan aloi titanium oleh pencetak 3D telah memungkinkan untuk menghasilkan bentuk kompleks dan struktur ringan.

Sebaliknya, terdapat beberapa perkara yang perlu dipertimbangkan semasa memperkenalkan pencetak 3D, seperti kaedah pencetakan, pemilihan instrumen dan kos bahan. Sila hubungi kami jika anda ingin membincangkan perbezaan antara jenis laser (LB-PBF) dan kaedah pancaran elektron (EB-PBF) serta contoh aplikasi untuk menentukan kaedah pengenalan terbaik untuk syarikat anda.

Lebih Banyak Produk