Ein Leitfaden zum 3D-Druck mit Titan

Mit den Vorteilen des reduzierten Materialabfalls und der Möglichkeit, leichte Konstruktionen zu erstellen, findet der Titan-3D-Druck in vielen Branchen seine Nische.

Titan hat ausgezeichnete Materialeigenschaften, aber seine hohen Kosten haben seine Verwendung in der Vergangenheit auf hochwertige Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt beschränkt. Da der 3D-Metalldruck zunehmend als praktikables Herstellungsverfahren anerkannt wird, macht die Technologie Titan für Branchen wie Medizin, Automobil und Motorsport besser verfügbar.

Der heutige Beitrag befasst sich mit der Frage, was Titan zu einer guten Wahl für den 3D-Druck macht, die Technologien, die das Material unterstützen, sowie wichtige industrielle Anwendungen.

Die einzigartigen Eigenschaften von Titan

Sektor Eigenschaften Anwendungen Luft- und RaumfahrtKorrosionsbeständigkeit
Hohes Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnis
Hohe TemperaturbeständigkeitFlugzeug- und Flügelstrukturen
Kleinere Teile wie Verdichterschaufeln, Rotoren und andere Turbinentriebwerkskomponenten MedizinischHervorragende Festigkeit
Biokompatibilität (nicht toxisch , nicht allergen)Orthopädische Geräte wie Wirbelsäulen-, Hüft- und Knieimplantate. Automotive &MotorsportsKorrosionsbeständigkeit
Hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
Hohe TemperaturbeständigkeitBremssättel, Halter, Felgen, Achsschenkel.

Denken Sie stark, leicht und korrosionsbeständig, und Sie haben die Essenz dessen, was Titan zu einem so begehrten Material macht. Titan ist bekannt für seine hervorragenden Materialeigenschaften – so stark wie Stahl, aber mit nur 60 % seiner Dichte.

Das hohe Festigkeits-Dichte-Verhältnis, die gute Korrosionsbeständigkeit und die chemische Beständigkeit von Titan machen es besonders begehrt für Hochleistungsindustrien wie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung.

Hier werden Titanlegierungen in Anwendungen eingesetzt, die leichte Teile erfordern, die ihre mechanischen Eigenschaften auch bei hohen Temperaturen behalten.

Titan ist auch bekannt für seine Biokompatibilität, die es zu einer idealen Wahl für medizinische Anwendungen wie Implantate macht.

Obwohl Titan eine Reihe von Vorteilen bietet, bleibt es ein relativ teures Material. Denn das Metall wird in relativ geringen Mengen abgebaut und die Verarbeitung von Rohtitan bleibt eine komplexe Aufgabe, die das Material deutlich teurer macht als alternative Metalle wie Stahl.

Was macht Titan für den 3D-Druck geeignet?

Titan kann ein schwierig zu bearbeitendes Metall sein, insbesondere wenn es um die Bearbeitung geht. Titan hat zum einen eine geringe Wärmeleitfähigkeit. Das bedeutet, dass bei der Bearbeitung, zum Beispiel mit einer CNC-Maschine, die entstehende Wärme im CNC-Werkzeug gespeichert wird – was zu einem schnellen Verschleiß des Werkzeugs führen kann.

Da bei der Zerspanung zudem Material geschnitten und abgetragen wird, kann bei diesem Prozess viel Materialabfall entstehen. Viele Unternehmen suchen daher nach besseren Alternativen zur Herstellung von Titanteilen.

Metall-3D-Druck erweist sich als diese praktikable Alternative.

Beim Metall-3D-Druck ist die am häufigsten verwendete Titansorte die Legierung Ti6Al4V (Ti64). Neben Ti64 ist auch der 3D-Druck mit Reintitan möglich.

Die Vorteile des 3D-Drucks mit Titan

Der 3D-Druck von Titan hat viele Vorteile.

Bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt trägt die Verwendung von Titan zu 3D-Druckteilen oft dazu bei, das Buy-to-Fly-Verhältnis zu senken. Der aus der Luft- und Raumfahrt stammende Begriff bezeichnet den Zusammenhang zwischen dem Gewicht der ursprünglich eingekauften Materialmenge und dem Gewicht des Fertigteils.

In der konventionellen Fertigung können Flugzeugkomponenten aus Titan beispielsweise ein Buy-to-Fly-Verhältnis zwischen 12:1 und 25:1 aufweisen. Dies bedeutet, dass 12-25 kg Rohmaterial benötigt werden, um 1 kg Teile herzustellen. In diesem Szenario werden bis zu 90 % des Materials abgetragen.

Metall-3D-Druck kann dieses Verhältnis für Titanbauteile auf 3:1 bis 12:1 reduzieren. Dies liegt daran, dass Metall-3D-Drucker normalerweise nur die erforderliche Materialmenge verwenden, die für die Herstellung eines Teils erforderlich ist, und nur wenig Abfall von Stützstrukturen erzeugt. Bei einem teuren Material wie Titan können die Kosteneinsparungen durch dieses reduzierte Buy-to-Fly-Verhältnis ganz erheblich sein.

Additive Fertigung kann dank Topologieoptimierung auch die Leichtbaueigenschaften von Titan verbessern. Mithilfe von Topologieoptimierungssoftware legen Ingenieure bestimmte Anforderungen fest, z. B. Belastungs- und Steifigkeitsbeschränkungen, und lassen dann das Softwaretool die ursprüngliche Konstruktion optimieren, um diese Anforderungen zu erfüllen. Durch diese Optimierung wird unnötiges Material aus dem Design entfernt, wodurch ein leichteres und dennoch stabiles Bauteil entsteht.

Topologisch optimierte Konstruktionen lassen sich oft nur mit Hilfe additiver Fertigungstechnologien herstellen. Dieser Vorteil wird besonders von der Luft- und Raumfahrtindustrie geschätzt, wo leichte 3D-gedruckte Titanteile zu Gewichtseinsparungen und einer besseren Flugzeugleistung führen können.

Welche Technologien unterstützen Titan?

Die drei am häufigsten verwendeten Metall-3D-Druckverfahren zur Herstellung von Titanteilen sind Direct Energy Deposition (DED), Electron Beam Melting (EBM) und Selective Laser Melting (SLM).

Direkte Energiedeposition

Die ersten Bemühungen, Titan in 3D zu drucken, begannen 1997 bei der Aeromet Corporation, die die DED-Technologie zur Herstellung von Teilen für die Luft- und Raumfahrtindustrie einsetzte.

Bei der DED wird eine hochintensive Energiequelle wie ein Laser oder ein Strahl verwendet, um das Titanpulver (oder den Draht) zu schmelzen, während es durch eine Düse auf das Substrat aufgebracht wird. Der entscheidende Vorteil hierbei ist die Möglichkeit, große Teile mit einer relativ hohen Materialauftragsrate (bis zu 320 cc/h) herzustellen.

Heute gibt es viele Variationen der DED-Technologie, darunter Sciakys Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) und Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM).

Elektronenstrahlschmelzen

Das schwedische Unternehmen Arcam hat seine EBM-Technologie entwickelt, um 3D-gedruckte Titanimplantate und Luft- und Raumfahrtkomponenten zu ermöglichen. Beim EBM wird ein Elektronenstrahl auf eine Schicht aus Metallpulver aufgebracht, geschmolzen und mit der vorherigen Schicht verschmolzen.

EBM gilt als genauer als DED und eignet sich für kleinere, komplexe Teile. Insbesondere findet der EBM-Prozess im Vakuum und bei hoher Temperatur statt. Dies führt zu minimalen Eigenspannungen in 3D-gedruckten Teilen, was auch bedeutet, dass die Teile keine nachträgliche Wärmebehandlung benötigen.

Im Jahr 2013 hat Arcam zwei AM-Maschinen herausgebracht, Arcam Q10 und Arcam Q20, die auf die orthopädische Implantat- bzw. die Luft- und Raumfahrtindustrie ausgerichtet sind. Der Arcam Q20 wurde speziell für die Arbeit mit der Ti6Al4V-Legierung entwickelt.

Arcam hat auch den Arcam Spectra H 3D-Drucker auf den Markt gebracht, der in der Lage ist, neue rissanfällige Titanlegierungen wie Titanaluminid zu drucken.

Selektives Laserschmelzen

Wie EBM ist SLM ein Pulverbettschmelzverfahren, obwohl es anstelle eines Elektronenstrahls einen Laserstrahl verwendet, um die Metallpulverschichten zu schmelzen und zu verschmelzen. Die Dicke einer Schicht im SLM-Prozess kann bis zu 20 Mikrometer betragen, was diese Technologie im Vergleich zu DED und EBM viel genauer macht.

Anwendungen des Titan-3D-Drucks

Die Luft- und Raumfahrt dominiert die Schlüsselanwendungen des Titan-3D-Drucks. Allerdings beginnen auch andere Branchen wie Medizin, Motorsport, Chemie und Marine, die Technologie zur Herstellung von Titankomponenten zu untersuchen.

Luft- und Raumfahrt

Für Luft- und Raumfahrtunternehmen hilft der 3D-Druck von Titan, das Gewicht hochbelasteter Strukturen zu reduzieren, wodurch es sich hervorragend für Düsentriebwerke, Gasturbinen und viele Flugzeugkomponenten eignet.

Viele der größten Luft- und Raumfahrtunternehmen bauen 3D-gedruckte Titanteile in ihre Flugzeuge ein.

Liebherr-Aerospace &Transportation SAS

So hat beispielsweise der Luftfahrtzulieferer Liebherr-Aerospace &Transportation SAS Anfang des Jahres mit der Serienproduktion von 3D-gedruckten Bugfahrwerkshalterungen aus Titan für den Airbus A350 XWB begonnen. Diese Halterungen werden die ersten Airbus-Teile sein, die aus 3D-gedrucktem Titan hergestellt werden.

Boeing und Norsk Titanium

Auch Boeing hat auf den Titan-3D-Druck gesetzt. Seit 2015 arbeitet Boeing mit dem norwegischen Metall-3D-Druckunternehmen Norsk Titanium zusammen, um große strukturelle Titankomponenten für den 787 Dreamliner herzustellen. Im Jahr 2017 qualifizierten sie das unbenannte Titanteil, das mit Hilfe der proprietären Rapid Plasma Deposition (RPD)-Technologie von Norsk hergestellt wurde, von der FAA.

Auf der Grundlage des DED-Verfahrens verwendet RDP Titandraht mit Plasmabrennern, um große Strukturbauteile aus Titan zu drucken. Die Technologie ist Berichten zufolge 50-100-mal schneller als pulverbasierte Systeme und verbraucht 25-50% weniger Titan als Schmiedeprozesse. Die beschleunigten Vorlaufzeiten und die Reduzierung des Materialabfalls könnten Boeing bis zu 3 Millionen US-Dollar pro Flugzeug einsparen.

Derzeit wird der Titan-3D-Druck hauptsächlich für kleinere Flugzeugkomponenten wie Halterungen und Gehäuse erforscht. Zukünftig kann sich der Einsatz jedoch auf wesentlich größere Strukturbauteile ausdehnen, befeuert durch die Einsparungen bei Gewicht, Kosten und Entwicklungszeit.

Medizin

Die Ungiftigkeit, hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Titan machen es zu einem attraktiven Material für orthopädische und zahnärztliche Implantate.

Im 3D-Druck können Hersteller medizinischer Geräte Implantate mit komplexen, porösen Strukturen herstellen. Bemerkenswerterweise imitieren diese Strukturen die Struktur menschlicher Knochen, sodass die Knochenzellen sie als Gerüst erkennen, durch das sie wachsen können.

Die Titan-Wirbelsäulenimplantate von Osseus

Ein Unternehmen, das solche Geräte entwickelt, ist das in den USA ansässige Osseus Fusion System. Seine 3D-gedruckten Wirbelsäulenimplantate aus Titan, genannt Aries-L Interbody Fusion Devices, verfügen über ein proprietäres mehrachsiges Netz und eine optimierte Mikrooberflächentopologie, die eine schnellere Verschmelzung der Knochen ermöglichen. Um solch komplexe Funktionen zu ermöglichen, druckt Osseus seine Aries-Geräte auf einem FDA-validierten SLM-3D-Drucker.

Die Verwendung von Titan-3D-Druck für orthopädische Geräte wie Wirbelsäulen-, Hüft- und Knieimplantate nimmt zu. Laut einem aktuellen Smartech-Bericht werden bis 2020 medizinische Anwendungen von 3D-gedrucktem Titan rund 274.000 kg Titan ausmachen. Dies stellt einen sehr positiven Ausblick für den Titan-3D-Druck in der medizinischen Industrie dar.

Automobil &Motorsport

Bugattis Titan-Bremssattel

Im Vergleich zur Luft- und Raumfahrt und Medizin hat die Automobilindustrie den Titan-3D-Druck nicht so schnell eingeführt. Obwohl die gleichen Vorteile gelten, ist der Consumer-Automobilmarkt sehr kostenbewusst, was die Verwendung dieses teuren Materials in den meisten Fahrzeugen einschränkt.

Derzeit finden sich 3D-gedruckte Titanteile in Rennwagen und Luxusfahrzeuge, bei denen Gewicht und Leistung entscheidende Faktoren sind.

Eines der bekanntesten Beispiele für den Einsatz von Titan-3D-Druck in der Automobilindustrie ist der Bremssattel von Bugatti, der für den Supersportwagen Bugatti Chiron entwickelt wurde.

Der Bremssattel, ein wesentlicher Bestandteil des Bremssystems, misst 41 x 21 x 13,6 cm und wurde in 45 Stunden mit SLM-Technologie 3D-gedruckt. Das fertige Teil soll rund 40% leichter sein als eine bearbeitete Aluminiumalternative.

Im vergangenen Jahr hat das Unternehmen den Bremssattel erfolgreich getestet und bewiesen, dass er extremen Festigkeits-, Steifigkeits- und Temperaturanforderungen gerecht wird.

Zusätzlich zum Bremssattel hat Bugatti bei der Herstellung einer aktiven Spoilerhalterung Titan-3D-Druck verwendet. In Zusammenarbeit mit Siemens wurde das Teil optimiert, um Gewicht zu reduzieren und dennoch Festigkeit zu bieten, was zu einer Gewichtseinsparung von 53 % und einer erhöhten Steifigkeit führt.

Die 3D-gedruckten Titanräder von HRE

Der US-Felgenhersteller HRE ist ein weiteres Unternehmen, das vom Titan-3D-Druck profitiert. Das primäre Ziel von HRE war es, den Materialverlust bei der Herstellung von Felgen zu reduzieren.

HRE druckte mittels EBM-Technologie eine komplex geformte Felge 3D und erzielte dabei eine Gewichtsreduzierung von 19%.

Bei traditionellen Herstellungsverfahren für diese Anwendung kann der anfallende Materialabfall bis zu 80% betragen. HRE sagt, dass beim 3D-Druck das verschwendete Material 5 % nicht überschreitet.

HRE betrachtet die Felge eher als technologisches Schaufenster denn als kommerzielles Produkt. Das Projekt bietet jedoch einen Einblick in die Zukunft von Raddesign und -herstellung.

Titan-3D-Druck und Motorsport

Im Motorsport spielt der Titan-3D-Druck „eine entscheidende strategische Rolle“ bei der Herstellung leichterer Hochleistungsfahrzeuge, einschließlich Rennwagen.

Ein Beispiel stammt vom Oxford Brookes Formula Student Team. In Zusammenarbeit mit dem britischen Manufacturing Technology Centre (MTC) hat das Team die Stützen des Fahrzeugs neu gestaltet und mit der EBM-Technologie hergestellt. Dank dieses Verfahrens erzielte das Team eine Gewichtseinsparung von 50 %.

Die Herausforderungen des Titan-3D-Drucks

Trotz der Vorteile des Titan-3D-Drucks gibt es einige Herausforderungen, die berücksichtigt werden müssen.

Zunächst müssen Standards für die Verwendung von Titan mit additiven Technologien entwickelt werden. Einige Unternehmen gehen bereits Schritte in diese Richtung. 2018 unterzeichneten Boeing und Oerlikon eine fünfjährige Partnerschaft, die sich auf die Standardisierung des Titan-3D-Drucks und die Sicherstellung, dass gedruckte Komponenten die Fluganforderungen der FAA und des DoD erfüllen, konzentriert.

Die zweite Herausforderung liegt in den hohen Kosten von Titanpulvern. Die Kosten für Titanpulver, das für den 3D-Druck optimiert wurde, liegen beispielsweise zwischen 300 und 600 US-Dollar.

Um die tatsächlichen Materialkosten pro Kilogramm Titan zu senken, haben einige Pulverhersteller alternative Verfahren zur Pulverherstellung entwickelt. Canadian PyroGenesis zum Beispiel verwendet sein NexGen™ Plasma Atomization System, das Metallpulver, einschließlich Titan, mit über 25 kg/h produziert. Höhere Produktionsraten ermöglichen es dem Unternehmen, Titan zu wettbewerbsfähigen niedrigeren Preisen herzustellen.

Das in Großbritannien ansässige Unternehmen Metalysis hat ein weiteres Verfahren zur Pulverherstellung entwickelt, das die Titanpreise senken könnte. Das Verfahren verwendet eine Form der Elektrolyse, um rohes Titanoxid in Titanpulver umzuwandeln. Die Hauptvorteile dieser Technologie liegen in der Umweltfreundlichkeit und den geringen Kosten im Vergleich zu herkömmlichen Pulverherstellungsverfahren.

Im September 2018 begann Metalysis mit der kommerziellen Produktion von Titanpulvern, zusätzlich zu anderen Legierungen, mit dem Ziel, zwischen 10 und 100 Tonnen Metallpulver pro Jahr zu liefern.

Wenn neue Verfahren zur Herstellung von Titanpulver ihr Potenzial voll ausschöpfen können, könnte der durchschnittliche Preis für ein Kilogramm Titan laut SmarTech Analysis bis 2024 um 17 % gesenkt werden.

Titan-3D-Druck:eine erfolgreiche Kombination

Titan-3D-Druck hat sich zu einer wertvollen Technologie in der Luft- und Raumfahrt, Medizin und Automobilindustrie entwickelt. Der Hauptgrund dafür ist die erfolgreiche Mischung aus den hervorragenden Eigenschaften von Titan und der Fähigkeit des 3D-Drucks, Abfall zu reduzieren und komplexe und leichte Designs zu erstellen.

In Zukunft, da die Kosten für Titan sinken und mehr Anwendungen entdeckt werden, wird der Titan-3D-Druck zu einer großartigen Fertigungsalternative für eine viel breitere Palette von Industrien.