Ny titanlegering gør 3D-printning stærkere og billigere

Ingeniører fra Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) afslørede en ny fremstillingsproces til at skabe 3D-printet titanium. Det opdaterede design erstatter dyre ingredienser, samtidig med at det forbedrer holdbarheden og reducerer produktionsomkostninger og -tid. Sådan har denne opgraderede titanlegering potentiale til at revolutionere adskillige industrier og samtidig inspirere innovative nye kompositdesigns.

3D-printede titanlegeringer

Muligheden for at 3D-printe titanlegeringer er kun omkring et årti gammel og fortsætter med at udvikle sig hvert år. Der er mange grunde til, at forskere fortsat vender sig mod titanlegeringer som et ideelt 3D-printmateriale. For det første tilbyder de et exceptionelt styrke-til-vægt-forhold. Derudover er materialet korrosionsbestandigt, hvilket bidrager til dets anvendelse i medicinske og andre højteknologiske missionskritiske enheder.

Den seneste udvikling har yderligere øget interessen for 3D-printede titanlegeringer. Udviklingen af repeterbare titangitterstrukturer har bidraget til at gøre disse print mere stabile, hvilket muliggør deres anvendelse i flere applikationer. Det er værd at bemærke, at den mest almindelige måde at printe titanlegeringer på er at bruge enten Laser Powder Bed Fusion (LPBF) eller Directed Energy Deposition (DED) teknikker.

Forståelse af Ti-6Al-4V: Branchens standardlegering

Selvom der findes mange typer titanlegeringer, er den mest populære og etablerede titanium grad 5 (Ti-6Al-4V). Denne titaniumlegering giver print holdbarhed, styrke og lav densitet. Derudover gør dens alsidighed det muligt at bruge den i en bred vifte af applikationer, herunder som en nøglekomponent i avancerede luftfarts- og bilapplikationer.

Problemer med 3D-printning af titanlegeringer

Selvom titanium grad 5 er populært, er det ikke perfekt. Dets mangler omfatter en kompliceret fremstillingsproces, der er udsat for oxidation, hvilket resulterer i fejl i printet. For at forhindre dette kan disse enheder kun fungere i et inert gasmiljø. Hvert af disse krav øger de samlede omkostninger ved 3D-printning af titanium.

Hvorfor mikrostrukturkontrol er vigtig i titaniumprintning

En af de største begrænsende faktorer ved nutidens tilgang til 3D-printning af titanium er styringen af ​​de mikrostrukturelle overgange, der opstår under størkningsprocessen. Dette er kendt som overgangen fra søjleformet til ligeakset (CET), og det er en kritisk komponent, der skal håndteres for at producere print af titanlegeringer af høj kvalitet.

Indtil videre har det været ekstremt vanskeligt for forskere at opnå præcis kontrol over CET. Dataene viser, at disse materialer har en tendens til at danne søjleformede mikrostrukturer under afkølingsprocessen. Desværre ødelægger disse strukturer printenes integritet, hvilket resulterer i ujævne mekaniske egenskaber og reduceret holdbarhed.

3D-printet titanlegeringsstudie

Heldigvis kan disse problemer blive fortid. Et team af forskere fra Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) har netop fundet ud af, hvordan man kan frigøre det fulde potentiale af 3D-printede titanlegeringer.

Deres studie¹"Sammensætningskriterier til forudsigelse af søjleformede til ligeaksede overgange i additiv fremstilling af metal,” offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nature Communications, forklarer, hvordan de var i stand til at overvinde skabelsen af søjleformede mikrostrukturer ved hjælp af nye materialeblandinger.

Kilde - RMIT University

Helt konkret erstattede teamet vanadium med en proprietær ingrediens for at opnå et højtydende print. Forskeren bemærkede, at vanadium er dyrt og vanskeligt at arbejde med på grund af flere faktorer. I erkendelse af behovet for tilgængelighed besluttede de at erstatte det med let tilgængelige alternativer, hvilket sikrede, at producenterne ikke skulle lede længe efter de materialer, der var nødvendige for at skabe højtydende titanium 3D-print i fremtiden.

Løsning af mikrostrukturudfordringen

Et af studiets primære mål var at bevise, at ingeniører kunne modellere og 3D-printe titanium-emner med ligeaksede mikrostrukturer. Disse designs ville tilbyde repeterbare og ensartede mekaniske egenskaber, hvilket gør dem ideelle til brug i præcisionskomponenter.

Nøgleparametre for legeringssammensætning

Ingeniørerne opdelte faserne i 3D-titaniumlegering-printmetoden for at få en dybere forståelse af hele processen. Det første trin er at bestemme ikke-ligevægtsstørkningsområdet. Dette område er ideelt til at sikre, at printene er jævne og glatte.

Det næste trin var at bestemme vækstrestriktionsfaktoren. Endelig er superkølingsparametrene det sidste trin i processen. I dette trin beregnede teamet de relevante parametre ved hjælp af størkningssimuleringer. Denne software gjorde det muligt for dem at teste adskillige kompositter og overvåge størkningen for at bestemme de bedste resultater.

Studietest og resultater af ny titanlegering

Holdet skabte og testede deres legeringskompositter på RMITs Advanced Manufacturing Precinct, som gav dem alt, hvad de havde brug for til at skabe, ændre og spore dannelsen af ​​søjleformede mikrostrukturer fra kimdannelse til færdiggørelse.

Det er værd at bemærke, at kompositten blev skabt ved at blande 99% rene elementære pulvere og blende dem via en TURBULA-blender. Derfra blev en TruDisk solid-state-laser brugt til at hærde udskrifterne.

Holdets test omfattede især mikroskopiske billeder af titanlegeringerne. Dette trin gjorde det muligt for ingeniørerne at sikre, at nanostrukturen forblev intakt længe efter, at trykprocessen var afsluttet.

Gennem eksperimenter var forskerne i stand til at udlede den afgørende betydning af visse legeringer med ensartet kornstruktur. Testene gav derfor øjenåbnende resultater, der kunne omforme, hvordan forskere tænker om 3D-printede titanlegeringer fremadrettet.

Testfasen af eksperimentet gjorde det muligt for ingeniørerne at bekræfte, at deres simuleringer var korrekte. Holdet var i stand til præcist at forudsige, hvordan bestemte materialer og designs ville opføre sig under test. Nu kan disse data bruges til yderligere at forfine fremstillingsprocessen og skabe endnu stærkere kompositter i fremtiden.

Holdet lykkedes med at producere ensartede korntryk af høj kvalitet via deres nye tilgang. Deres sammensætning var stærkere og mere holdbar end tidligere titanlegeringer. Derudover tilbød den en let gentagelig fremstillingsproces, der gav ensartede kornresultater.

Fordele ved 3D-printet titanlegering

Hans undersøgelse afslører mange fordele. For det første vil arbejdet fungere som en ledestjerne for fremtidig innovation inden for 3D-printsektoren for titanlegeringer. Denne bedre forståelse kan fungere som en solid ramme, som ingeniører kan bruge til at forudsige kornmorfologien af metalliske legeringer i additive fremstillingsprocesser.

Hvordan den nye titanlegering muliggør ensartet trykning

En af de vigtigste fordele ved den nye metode er, at den giver en jævn udskrivning. Evnen til at undgå dannelsen af uønskede nanostrukturer resulterer i jævne udskrifter, der kan klare meget mere belastning sammenlignet med deres forgænger. Jævnheden af disse udskrifter er afgørende, når man diskuterer deres anvendelse i meget følsomme applikationer såsom flykomponenter.

Forbedret tilgængelighed af Titanium 3D-printning

Ved at erstatte vanadium gør teamet 3D-printning af titanlegeringer let tilgængeligt for flere brugere. Vanadium er et hårdt, sølvagtigt stof, der er meget sjældent i naturen. Dets formbarhed og evne til at stabilisere sig mod oxidation har gjort det til et populært valg. Dets knaphed gør det dog svært at få fat i og ikke realistisk til store anvendelser.

Ingeniører fandt ud af, at ved at eliminere vanadium fra ligningen kunne de reducere omkostningerne ved fremstillingsprocessen med 29 % sammenlignet med traditionelle titaniumløsninger. Derfor kan denne undersøgelse åbne døren for, at flere producenter kan anvende denne banebrydende teknik i de kommende år.

Tilpasningsbar og effektiv produktion med ny legering

Ved at bruge de nye titanlegeringskompositter vil ingeniører være i stand til at skabe fuldt brugerdefinerede komponenter, der kan bruges i luftfart og medicinske applikationer. Denne skræddersyede produktion er langt mindre spild end tidligere metoder, og den giver mere fleksibilitet med hensyn til design og vægt-til-styrkeforhold.

Real-World-applikationer

Der er adskillige anvendelser af denne undersøgelse i den virkelige verden. For det første er producenter ivrige efter at finde en billig tilgang, der gør det muligt for dem at skabe højtydende komponenter. Holdets indsats vil gøre det muligt for titanlegeringskompositter at finde anvendelse på tværs af flere industrier. Her er nogle af de oplagte anvendelser af denne teknologi fremadrettet.

Ansøgninger i rumfartsteknik

Titanlegeringer er en afgørende komponent inden for luftfartsteknologi. Hver en ounce kan gøre en forskel, når man arbejder med luftfartsdesign. Som sådan kan industrien bruge dette materiale til at fremstille vitale komponenter som rumfartøjsmotorer og strukturelle dele, der er lette og mere holdbare.

medicinske anvendelser

Der er en lang liste af anvendelser for denne legering inden for det medicinske område. Disse enheder har enestående biokompatibilitet, hvilket betyder, at de kan implanteres uden at kroppen afstøder dem. Derudover har de høj styrke, er lette og korrosionsbestandige. Som sådan kan den opgraderede titanlegering forbedre implantater, proteser, bærbare enheder og fremstillingsprocessen for andre livreddende biokompatible enheder.

Applikationer til bilindustrien

Bilindustrien er altid på udkig efter bedre fremstillingsprocesser. Man kan se denne teknologi spille en central rolle i fremstillingen af lette, højtydende elektriske motorkomponenter og meget mere. Muligheden for at 3D-printe disse dele kan føre til, at man en dag i en ikke alt for fjern fremtid kan få tilsendt planerne for sine reservedele via e-mail og printe dem derhjemme.

Forventet tidslinje og kommercialisering

Tidslinjen for anvendelsen af denne teknologi er omkring 5-10 år. Der er stadig mange detaljer, som ingeniørerne skal udarbejde for at tage konceptet fra en lille test til fuldskalaproduktion. I den nærmeste fremtid vil teamet fokusere på at finde samarbejdspartnere til at udvikle teknologien yderligere.

Ingeniørerne vil nu arbejde på at bringe deres proprietære titaniumprintmetode på markedet. Som en del af denne strategi har gruppen allerede indgivet en foreløbig patentansøgning. Nu vil de undersøge mulighederne for at finde kommercielle produktionspartnere til fremtidig forskning og etablere produktionsfaciliteter.

Forskere i 3D-printet titanlegering

Ingeniørhøjskolen, Center for Additiv Fremstilling, RMIT University, Melbourne, VIC, Australien, var vært for denne banebrydende undersøgelse. Hovedforfatteren til arbejdet var Ryan Brooke. Imponerende nok har han for nylig accepteret et forskningsstipendium i oversættelse ved universitetet. Artiklen nævner også Duyao Zhang, Dong Qiu, Mark A. Gibson og Mark Easton som bidragydere.

Investering i 3D-printmetalsektoren

Muligheden for at 3D-printe metaller har åbnet døren for nye bølger inden for teknologiske fremskridt. Adskillige virksomheder er aktive i denne sektor, og mange investerer millioner i forskning og udvikling for at skabe nye og mere effektive printmetoder. Her er en virksomhed, der ses som en innovator på markedet.

Nano Dimension Ltd. (NNDM)

Nano Dimension Ltd (NNDM -5.59%) kom på markedet i 2012. Virksomhedens grundlæggere, Amit Dror, Sharon Fima og Simon Fried, skabte virksomheden for at forbedre prototyping af printkort via avancerede 3D-printløsninger. Deres tilgang viste sig at være en succes, og i 2020 lancerede virksomheden den første flerlags-PCB-printer på markedet.

Nano Dimension Ltd tilbyder i dag en række produkter, der kan hjælpe virksomheder med at bevare deres teknologiske forspring i fremstillingsprocessen. DragonFly IV-systemet forbedrer udskrivningshastigheden ved at bruge inkjet-aflejring af ledende og dielektriske materialer. Denne tilgang muliggør hurtigere prototyping og lavere omkostninger.

FLIGHT-softwarepakken er en anden populær mulighed, der gør det nemmere at arbejde med komplekse strukturer. Den gør det muligt for designere at skabe komplicerede designs, samtidig med at de optimerer deres materialeudnyttelse. Når den bruges sammen med de tilgængelige mikro-3D-printsystemer, gør den det muligt for producenter at udvikle og overvåge deres print på mikronniveau.

Seneste aktienyheder og udvikling for Nano Dimension Ltd. (NNDM)

Konklusion: RMITs gennembrud inden for titanlegering

Muligheden for at 3D-printe metaller ses som et stort spring fremad inden for additiv fremstilling. Derfor har der været en konstant tilstrømning af innovative metalkompositter, der er specielt skabt til at opnå de bedst mulige resultater ved 3D-printning. Dette seneste foretagende vil skubbe denne teknologi yderligere og gøre det muligt for ingeniører at skabe mere avancerede designs, der vil drive fremtidens teknologier.

Lær om andre fede udviklinger inden for additiv fremstilling link..

Referencer til undersøgelser:

^{1. Brooke, R., Zhang, D., Qiu, D. et al. Sammensætningskriterier til forudsigelse af søjleformede til ligeaksede overgange i additiv fremstilling af metal. Nat Commun 16, 5710 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60162-0}