Tipps für die CNC-Bearbeitung von Titan:Luft- und Raumfahrt und mehr

Mit seinem hervorragenden Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und seiner Korrosionsbeständigkeit ist Titan eines der nützlichsten und beliebtesten Metalle für Wirtschaftsingenieure, Architekten und Designer von Konsumgütern. Es ist immerhin nach den Titanen der antiken griechischen Mythologie benannt und macht seinem Namen normalerweise alle Ehre.

Titan hat wünschenswerte Materialeigenschaften und ist außerdem relativ einfach zu bearbeiten. Es ist schweißbar (in einer inerten Atmosphäre) und es kann CNC bearbeitet werden wie Edelstahl. Es eignet sich auch für praktisch alle Oberflächenveredelungen Prozesse:Perlstrahlen, Pulverbeschichtung und Elektrophorese führen alle zu guten Ergebnissen, wenn sie auf Titan aufgetragen werden. Natürlich gibt es Metalle mit einem höheren Grad an Zerspanbarkeit als Titan, aber Titan bietet eine gute Kombination aus Formbarkeit und mechanischer Leistung.

Allerdings ist die Konstruktion und Herstellung von Titanteilen nicht immer dasselbe wie bei Aluminiumteilen oder Teilen aus kostengünstigen Materialien. Und da Titanrohlinge etwa zehnmal so viel kosten wie Aluminium 6061, sollten Sie sicherstellen, dass Sie Ihre Teile gleich beim ersten Mal richtig machen.

Dieser Beitrag behandelt die Grundlagen der CNC-Bearbeitung von Titan, einschließlich der am besten geeigneten Anwendungen, Bearbeitungsüberlegungen und Oberflächenveredelungsoptionen.

Was ist Titan?

Titan ist ein glänzendes Übergangsmetall, das im 18. Jahrhundert in Großbritannien entdeckt wurde. Es hat ein silbriges Aussehen und ist trotz seiner geringen Dichte extrem fest. Dies macht es zu einem wertvollen Rohstoff in Branchen, in denen Leichtbau besonders wichtig ist.

Neben seinem guten Festigkeits-Gewichts-Verhältnis ist Titan auch sehr korrosionsbeständig – durch Meerwasser, Chlor und Säuren – und selbst in großen Mengen ungiftig. Dies macht es besonders nützlich in der medizinischen Welt, für Implantate und andere medizinische Geräte.

In der verarbeitenden Industrie wird Titan häufig mit Elementen wie Eisen, Aluminium und Vanadium legiert.

Warum Titan verwenden?

Trotz seines hohen Preises ist Titan ein unglaublich beliebtes Material. Gründe für die Verwendung von Titan sind:

• Hohe Festigkeit
• Korrosionsbeständigkeit
• Gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht
• Dehnbarkeit
• Gute Bearbeitbarkeit
• Oberflächenbehandlungsoptionen
• Recycelbar

Aus diesen Gründen wird Titan regelmäßig in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizin verwendet.

Luft- und Raumfahrtteile aus Titan umfassen Flugzeugtriebwerksteile, Flugzeugzellenteile, Rotoren und Kompressorschaufeln. Tatsächlich treibt die Luft- und Raumfahrt die Produktion von Titan voran:Zwei Drittel des weltweit produzierten Titans fließen in Flugzeugtriebwerke und Flugzeugzellen.

In der medizinischen Welt umfassen Titanteile chirurgische Implantate (z. B. langfristige Hüftprothesen) und Instrumente. Das Metall wird auch für Gegenstände wie Rollstühle und Krücken verwendet.

Warum CNC-Bearbeitung von Titan?

Um die genauesten und erschwinglichsten Titanteile zu erhalten, ist die CNC-Bearbeitung fast immer die beste Fertigungstechnik. Um zu verstehen, warum, schauen wir uns die Alternativen an.

Hersteller stellen Titanteile selten durch Gießen her . Dies liegt daran, dass erhitztes Titan heftig mit Sauerstoff reagiert und viele feuerfeste Materialien, die beim Gießen verwendet werden, Spuren von Sauerstoff enthalten.

Eine Problemumgehung besteht darin, gestampften Graphitguss zu verwenden – unter Verwendung eines sauerstofffreien Graphitgusses – aber dies führt zu Teilen mit einer sehr rauen Oberflächentextur, die für die meisten medizinischen, Luft- und Raumfahrt- und industriellen Anwendungen nicht geeignet sind. Es ist auch möglich, Titanteile im Wachsausschmelzverfahren herzustellen, aber dies erfordert eine Vakuumkammer.

Eine neuere Option ist der Einsatz von additiver Fertigung für Titanteile. Eine Handvoll 3D-Druck Technologien wie Selective Laser Melting (SLM), Electron Beam Melting (EBM) und Direct Energy Deposition (DED) können 3D-Druckmaterialien aus Titan verarbeiten. Diese 3D-Drucksysteme sind jedoch sehr teuer, und viele Branchen haben 3D-gedrucktes Titan noch nicht für sicherheitskritische Endverbrauchsteile zertifiziert.

Im Vergleich zu den Alternativen ist die CNC-Bearbeitung eine genaue, sichere, vielseitige und kostengünstige Methode zur Herstellung von Titanteilen.

Dinge, die bei der Bearbeitung von Titan zu beachten sind

Titan ist ein ausgezeichnetes Material für viele Anwendungen, aber es hat seine eigenen einzigartigen Eigenschaften, die während des CNC-Bearbeitungsprozesses respektiert werden müssen. Dinge, die bei der Bearbeitung von Titan zu beachten sind:

Wärmestau

Titanlegierungen können härter sein als herkömmliche Bearbeitungsmaterialien wie Aluminiumlegierungen. Dies kann zu erhöhtem Werkzeugverschleiß und gleichzeitig zu erhöhter Wärmeentwicklung an der Kontaktstelle führen.

Für diese härteren Titanlegierungen kann es notwendig sein, die Drehzahl der CNC-Maschine zu reduzieren, während eine größere Spanlast verwendet wird. Ein Hochdruck-Kühlmittel kann auch die Belastung Ihrer Schneidwerkzeuge verringern und zur Herstellung hochwertigerer Titanteile beitragen.

Gewisses handelsübliches reines Titan (Grade 1–2) neigt weniger dazu, übermäßige Hitze zu erzeugen, aber Vorsichtsmaßnahmen sollten trotzdem getroffen werden.

Fressen

Ein Problem, das bei kommerziell reinem Titan stärker ausgeprägt ist als bei Titanlegierungen, sind Abrieb und Aufbauschneidenbildung.

Die Titansorten 1–2 können während der Bearbeitung verharzen und am Schneidwerkzeug haften bleiben. Dies kann jedoch durch die Verwendung von Hochdruck-Kühlmittel und eine schnelle Spanabfuhr gemildert werden.

Wenn dieses Problem nicht angegangen wird, kann sich auch das Problem der Wärmeentwicklung verschlimmern und das Abstumpfen von Schneidwerkzeugen beschleunigen.

Arbeitshaltung

Titan und seine bearbeitbaren Legierungen sind weniger steif als andere gewöhnliche Metalle und erfordern daher einen festen Griff während der CNC-Bearbeitung.

Zusätzlich zu einem starren Maschinenaufbau kann es vorteilhaft sein, eine konstante Werkzeugbewegung aufrechtzuerhalten, ohne den Schnitt zu unterbrechen.

Oberflächenveredelung für maschinell bearbeitetes Titan

CNC-bearbeitete Titanteile können mit einer Vielzahl von Oberflächenbehandlungen verbessert werden – für funktionelle oder ästhetische Zwecke.

Zu den Oberflächenveredelungen gehören:

• Glättung
• Polieren
• Perlenstrahlen
• Pinsel
• Malerei
• Chromierung
• Metallisierung
• PVD-Beschichtung
• Pulverbeschichtung
• Elektrophorese

Gängige Titansorten

Titanqualität	Stärke	Korrosionsbeständigkeit	Formbarkeit	Verwendung
1	Niedrig	Hoch	Hoch	Flugzeugzellen, Wärmetauscher
2	Mittel	Hoch	Hoch	Flugzeugzellen, Flugzeugtriebwerke, Marine
3	Hoch	Hoch	Mittel	Flugzeugzellen, Flugzeugmotoren
4	Hoch	Hoch	Mittel	Flugzeugzellen, Flugzeugtriebwerke, Medizintechnik, Hydraulik
5 (6AL-4V)	Mittel	Hoch	Hoch	Flugzeugzellen, Turbinentriebwerke, Medizin

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