vědomosti

Mezi mnoha kovovými materiály je titanová slitina nepochybně synonymem pro „vysokou hodnotu“. Kombinuje vysokou pevnost s nízkou hmotností, s pevností blízkou oceli, ale s úbytkem hmotnosti přibližně o 40 %. Titanová slitina má navíc vynikající odolnost proti korozi a vysokým teplotám, a proto se široce používá v oblastech, jako je letectví, lékařství a automobilový průmysl, kde jsou požadavky na vlastnosti materiálů extrémně přísné. Tento kov má však i své nevýhody, a to vysokou obtížnost zpracování. Vzhledem ke špatné tepelné vodivosti mohou tradiční řezací procesy snadno způsobit přehřátí nebo dokonce poškození řezných nástrojů, což má za následek nízkou účinnost zpracování a značný odpad materiálu. Proto je 3D tisk považován za ideálnější metodu zpracování.

 

Dnes si povíme o titanové slitině. Jaké jsou její běžné typy? Které 3D tiskové procesy jsou pro ni vhodné? A ve kterých aplikačních oblastech dosáhla zralé implementace? Dále vás knihovna zdrojů krok za krokem provede „celým životním cyklem“ titanové slitiny v 3D tisku.

 

I. Materiálové vlastnosti kovového titanu

Titan je tvrdý, lesklý, stříbřitě bílý kov s označením Ti a atomovým číslem 22. V přírodě se vyskytuje převážně ve formě minerálů, jako je rutil, ilmenit a titanit. Průmyslově se houbovitý titan obvykle získává redukcí chloridu titaničitého hořčíkem za vysokých teplot a následným tavením elektrickým obloukem se vyrábějí titanové ingoty.

Díky svým materiálovým vlastnostem je titan velmi vhodný pro výrobu součástí, které vyžadují jak nízkou hmotnost, tak vysokou pevnost. To má velkou hodnotu v konstrukcích letadel a lékařských implantátech. Titan si navíc udržuje stabilitu v mořské vodě, kyselinách, zásadách a různých chemických korozních prostředích a udržuje si dobrý výkon při teplotách až do 600 °C.°C.

 

II. Běžné typy titanových slitin

Titan se v 3D tisku obvykle nepoužívá v čisté formě, ale spíše v různých slitinách, které splňují požadavky na výkon. Nejrozšířenější je Ti-6Al-4V, známá také jako titanová slitina TC4. Tento materiál se skládá z titanu, hliníku a vanadu a má vynikající pevnost, tepelnou odolnost a odolnost proti korozi. Titanová slitina třídy 5 je v současnosti „hlavní slitinou“ v leteckém a kosmickém průmyslu.

 

V lékařství je více používána třída 23 (rovněž systém Ti-6Al-4V). Ve srovnání s třídou 5 má vyšší čistotu, nižší obsah nečistot, lepší biokompatibilitu a je vhodnější pro produkty, které mají dlouhodobý kontakt s lidským tělem, jako jsou protézy a implantáty.

 

Kromě toho stojí za zmínku i některé speciální titanové slitiny. Například Beta 21S, βTitanová slitina typu - se vyznačuje vynikající odolností proti oxidaci a pevností za vysokých teplot a často se používá ve vysokoteplotních prostředích, jako jsou letecké motory; TA15 (Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V) s vyšším obsahem hliníku má vyšší pevnost než Ti-6Al-4V a široce se používá v konstrukčních součástech letadel; zatímco komerční čistý titan (Cp-Ti) je díky své vynikající biokompatibilitě vhodný pro lékařské a stomatologické obory, kde jsou požadavky na pevnost relativně nízké, ale biokompatibilita je vysoce žádaná.

 

III. Jaké jsou vhodné tiskové procesy?

V 3D tisku mohou být titanové materiály ve formě prášku nebo drátu a konkrétní volba závisí na použitém tiskovém procesu. V současné době zahrnují hlavní technologie aditivní výroby titanových slitin tři typy: selektivní laserové tavení (SLM), tavení elektronovým paprskem (EBM) a řízené energetické nanášení (DED).

 

 

Nejčastěji používanou technologií 3D tisku titanových slitin je SLM (Selective Laser Melting), známá také jako LPBF (Laser Powder Bed Fusion), což je v podstatě stejný proces. Taví titanový prášek vrstvu po vrstvě laserem, vyznačuje se vysokou přesností a dobrou hustotou a je obzvláště vhodná pro tisk malých nebo středně velkých dílů se složitými strukturami. V leteckém a lékařském průmyslu je SLM nejrozšířenější technologií.

Další běžně používanou metodou tisku titanových slitin je tavení elektronovým paprskem (EBM). V základním principu je podobná SLM, ale jako zdroj tepla používá elektronový paprsek a tisk probíhá ve vakuovém prostředí. EBM je efektivnější, vhodná pro velké konstrukce, má vysokou rychlost tváření, nízké zbytkové napětí a často se používá pro zakázkové implantáty.

Kromě toho se pro titanové materiály často používá také proces řízené energetické depozice (DED), zejména v situacích, jako jsou opravy velkých součástí a svařování forem. Titanový drát nebo prášek se přivádí do roztavené lázně ohřáté laserem nebo elektronovým paprskem skrz trysku, kde se taví a současně nanáší. Ačkoli jeho přesnost není tak vysoká jako u SLM, má zjevné výhody, pokud jde o objem a účinnost.

V posledních letech některé podniky začaly experimentovat s použitím titanového prášku pro tryskový tisk, ale tato technologie je stále ve fázi výzkumu a validace a dosud nedosáhla rozsáhlého komerčního využití.

 

IV. Problémy s tiskem titanových slitin

Přestože se titan ve 3D tisku stále častěji používá, nejedná se o „snadnou“ technologickou cestu.

Prvním problémem jsou náklady. Cena titanového prášku je již nyní vysoká a proces tisku má extrémně vysoké požadavky na kontrolu prostředí, hustotu energie a parametry tisku. Zařízení patří k špičkovým modelům a složité postupy následného zpracování dále zvyšují celkové výrobní náklady, které jsou výrazně vyšší než u běžných kovů.

 

Za druhé, materiálový systém je relativně uzavřený. V současné době neexistuje mnoho titanových slitin skutečně vhodných pro 3D tisk. Většina se stále soustředí na Ti-6Al-4V. Jiné slitinové systémy mají buď vyšší náklady, nebo jejich výkon dosud nebyl ověřen.

Dalším faktorem, který nelze ignorovat, je následné zpracování. Po tisku titanových dílů musí často projít několika kroky, jako je izostatické lisování za tepla, tepelné zpracování, odstranění podkladu a leštění povrchu, než splní skutečné standardy použití. Tyto procesy nejen zvyšují časové náklady, ale také testují vyspělost celého průmyslového řetězce.

 

V. Neustálé rozšiřování aplikačních scénářů

3D tisk z titanových slitin se uplatňuje v mnoha odvětvích, přičemž nejrozvinutější je letecký průmysl.

 

Součásti s extrémně vysokými požadavky na pevnost a teplotu, jako jsou úchyty motorů, lopatky turbín a spojovací konstrukce, se postupně vyrábějí pomocí 3D tisku. Některé podniky také zkoumají možnost integrovaného tisku konstrukcí trupu.

 

Lékařská oblast je také důležitým bojištěm pro titanový tisk. Tisk implantátů na míru založený na CT datech pacientů se stal zralou praxí v mnoha dílčích odvětvích, jako je spinální, kranio-maxilofaciální a zubní lékařství. Ve srovnání s tradičními metodami může 3D tisk výrazně zlepšit usazení implantátů, zkrátit dobu operace a získal dobrou klinickou zpětnou vazbu.

 

V automobilovém průmyslu se s rozvojem elektrifikace a trendů odlehčování již u některých vysoce výkonných modelů pokoušeli o aplikaci titanového potisku na výfukové systémy, komponenty zavěšení kol a dokonce i na části konstrukce podvozku. Vzhledem k vysoké ceně se však v současnosti používá hlavně v koncepčních vozech, závodních vozech a luxusních zakázkových vozidlech.

 

Aplikace titanových slitin v oblasti 3C se zaměřuje především na špičkové konstrukční a estetické komponenty, jako jsou rámy mobilních telefonů, kryty chytrých hodinek a panty skládacích telefonů. Titanová slitina má výhody, jako je nízká hmotnost a vysoká pevnost, odolnost proti korozi a vynikající pocit na dotek, což může výrazně zvýšit kvalitu a trvanlivost výrobků.

 

Kromě toho 3D tisk titanu postupně proniká do oblasti průmyslové výroby, jako jsou zakázkové přípravky, opravy forem, údržba letectví a další speciální scénáře. Jeho strukturální flexibilita a materiálové vlastnosti umožňují nahradit tradiční procesy v některých klíčových pozicích.

 

Na závěr

Titanové materiály disponují vynikajícími výkonnostními výhodami a jejich aplikační hodnota v 3D tisku se postupně objevuje. Přestože mají vysoké náklady a přísné požadavky na zpracování, pro konstrukční díly, které musí být lehké, odolné proti korozi a vysoce pevné, zůstávají titan a jeho slitiny nenahraditelnou materiálovou možností.

V budoucnu, s popularizací zařízení, postupným poklesem nákladů na materiál a neustálým zlepšováním procesního řetězce, bude 3D tisk z titanových slitin neustále otevírat nové hranice aplikací.