Ny titanlegering gjør 3D-printing sterkere og billigere

Ingeniører fra Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) avduket en ny produksjonsprosess for å lage 3D-printet titan. Den fornyede designen erstatter dyre ingredienser samtidig som den forbedrer holdbarheten og reduserer produksjonskostnader og tid. Slik har denne oppgraderte titanlegeringen potensial til å revolusjonere flere bransjer, samtidig som den inspirerer innovative nye komposittdesign.

3D-printede titanlegeringer

Muligheten til å 3D-printe titanlegeringer er bare rundt et tiår gammel og fortsetter å utvikle seg hvert år. Det er mange grunner til at forskere fortsetter å vende seg mot titanlegeringer som et ideelt 3D-printingsmateriale. For det første tilbyr de et eksepsjonelt styrke-til-vekt-forhold. I tillegg er materialet korrosjonsbestandig, noe som bidrar til bruken i medisinske og andre høyteknologiske, forretningskritiske enheter.

Nyere utvikling har drevet interessen for 3D-printede titanlegeringer ytterligere. Utviklingen av repeterbare titangitterstrukturer har bidratt til å gjøre disse utskriftene mer stabile, noe som muliggjør bruk i flere applikasjoner. Det er verdt å merke seg at den vanligste måten å printe titanlegeringer på er å bruke enten Laser Powder Bed Fusion (LPBF) eller Directed Energy Deposition (DED) teknikker.

Forstå Ti-6Al-4V: Bransjestandardlegeringen

Selv om det finnes mange typer titanlegeringer, er den mest populære og etablerte titan grad 5 (Ti-6Al-4V). Denne titanlegeringen gir utskrifter holdbarhet, styrke og lav tetthet. I tillegg gjør allsidigheten den til bruk i en rekke bruksområder, inkludert som en nøkkelkomponent i avanserte luftfarts- og bilindustrien.

Problemer med 3D-printing av titanlegeringer

Selv om det er populært, er ikke titangrad 5 perfekt. Manglene inkluderer en komplisert produksjonsprosess som er utsatt for oksidasjon, noe som resulterer i feil i utskriften. For å forhindre dette kan disse enhetene bare operere i et inert gassmiljø. Hvert av disse kravene øker den totale kostnaden for 3D-printing av titan.

Hvorfor mikrostrukturkontroll er viktig i titantrykk

En av de største begrensende faktorene med dagens tilnærming til 3D-printing av titan er å kontrollere de mikrostrukturelle overgangene som oppstår under størkningsprosessen. Dette er kjent som overgangen fra søyleform til likeakset (CET), og det er en kritisk komponent som må håndteres for å produsere titanlegeringsutskrifter av høy kvalitet.

Til dags dato har det vært ekstremt vanskelig for forskere å få presis kontroll over CET. Dataene viser at disse materialene har en tendens til å lage søyleformede mikrostrukturer under avkjølingsprosessen. Dessverre ødelegger disse strukturene integriteten til utskrifter, noe som resulterer i ujevne mekaniske egenskaper og redusert holdbarhet.

3D-printet titanlegeringsstudie

Heldigvis kan disse problemene bli en saga blott. Et team av forskere ved Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) har nettopp funnet ut hvordan de kan frigjøre det fulle potensialet til 3D-printede titanlegeringer.

Studiet deres¹"Sammensetningskriterier for å forutsi overganger fra søyleformede til likeaksede formasjoner i additiv produksjon av metaller, publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Nature Communications, forklarer hvordan de klarte å overvinne dannelsen av søyleformede mikrostrukturer ved hjelp av nye materialblandinger.

Kilde - RMIT University

Mer spesifikt erstattet teamet vanadium med en proprietær ingrediens for å oppnå en høypresterende utskrift. Vitenskapsmannen bemerket at vanadium er dyrt og vanskelig å jobbe med på grunn av flere faktorer. De erkjente behovet for tilgjengelighet og bestemte seg for å erstatte det med lett tilgjengelige alternativer, slik at produsentene ikke ville måtte lete lenge etter materialene som trengs for å lage kraftige 3D-utskrifter av titan i fremtiden.

Løsning av mikrostrukturutfordringen

Et av hovedmålene med studien var å bevise at ingeniører kunne modellere og 3D-printe titanelementer med likeaksede mikrostrukturer. Disse designene ville tilby repeterbare og like mekaniske egenskaper, noe som gjør dem ideelle for bruk i presisjonskomponenter.

Viktige parametere for legeringssammensetning

Ingeniørene delte opp fasene i 3D-tianlegering-utskriftsmetoden for å få en dypere forståelse av hele prosessen. Det første trinnet er å bestemme området for ikke-likevektsstørkning. Dette området er ideelt for å sikre at utskriftene er jevne og glatte.

Neste trinn var å bestemme vekstrestriksjonsfaktoren. Til slutt er superkjølingsparametrene det siste trinnet i prosessen. For dette trinnet beregnet teamet de relevante parametrene ved hjelp av størkningssimuleringer. Denne programvaren tillot dem å teste flere kompositter og overvåke størkningen for å bestemme de beste resultatene.

Studietest og resultater av ny titanlegering

Teamet laget og testet legeringskomposittene sine ved RMITs Advanced Manufacturing Precinct, som ga dem alt de trengte for å lage, endre og spore dannelsen av kolonneformede mikrostrukturer fra kimdannelse til ferdigstillelse.

Det er verdt å merke seg at kompositten ble laget ved å blande 99 % rene elementpulvere og blande dem med en TURBULA-blender. Derfra ble en TruDisk faststofflaser brukt til å herde utskriftene.

Teamets testing inkluderte blant annet mikroskopiske bilder av titanlegeringene. Dette trinnet gjorde det mulig for ingeniørene å sikre at nanostrukturen forble intakt lenge etter at utskriftsprosessen var fullført.

Gjennom eksperimentering kunne forskerne utlede den vitale betydningen av visse legeringer med ensartet kornstruktur. Testene ga dermed øyeåpnende resultater som kan endre hvordan forskere tenker om 3D-printede titanlegeringer fremover.

Testfasen av eksperimenteringen gjorde det mulig for ingeniørene å bekrefte at simuleringene deres var korrekte. Teamet var i stand til å forutsi nøyaktig hvordan visse materialer og design ville oppføre seg under testing. Nå kan disse dataene brukes til å forbedre produksjonsprosessen ytterligere og lage enda sterkere kompositter i fremtiden.

Teamet lyktes i å produsere høykvalitets og ensartede kornmønstre gjennom sin nye tilnærming. Sammensetningen var sterkere og mer holdbar enn tidligere titanlegeringer. I tillegg tilbød den en lett repeterbar produksjonsprosess som ga ensartede kornmønstre.

Fordeler med studien av 3D-printet titanlegering

Studien hans avdekker mange fordeler. For det første vil arbeidet fungere som en rettesnor for fremtidig innovasjon innen 3D-printing av titanlegeringer. Denne bedre forståelsen kan fungere som et solid rammeverk som ingeniører kan bruke til å forutsi kornmorfologien til metalllegeringer i additive produksjonsprosesser.

Hvordan den nye titanlegeringen muliggjør ensartet utskrift

En av hovedfordelene med den nye metoden er at den gir jevn utskrift. Evnen til å unngå dannelse av uønskede nanostrukturer resulterer i jevne utskrifter som tåler mye mer slitasje sammenlignet med forgjengeren. Jevnheten i disse utskriftene er avgjørende når man diskuterer bruken av dem i svært sensitive applikasjoner som luftfartskomponenter.

Forbedret tilgjengelighet for Titanium 3D-printing

Ved å erstatte vanadium gjør teamet 3D-printing av titanlegering lett tilgjengelig for flere brukere. Vanadium er et hardt, sølvaktig stoff som er svært sjeldent i naturen. Dets formbarhet og evne til å stabilisere seg mot oksidasjon har gjort det til et populært valg. Imidlertid gjør knappheten det vanskelig å få tak i og ikke realistisk for storskala applikasjoner.

Ingeniører fant ut at ved å eliminere vanadium fra ligningen, kunne de redusere kostnadene for produksjonsprosessen med 29 % sammenlignet med tradisjonelle titanalternativer. Følgelig kan denne studien åpne døren for at flere produsenter kan bruke denne banebrytende teknikken i de kommende årene.

Tilpassbar og effektiv produksjon med ny legering

Ved å bruke de nye titanlegeringskomposittene vil ingeniører kunne lage fullt tilpassbare komponenter som kan brukes i luftfart og medisinske applikasjoner. Denne skreddersydde produksjonen er langt mindre sløsende enn tidligere metoder, og den gir mer fleksibilitet når det gjelder design og vekt-til-styrke-forhold.

Virkelige applikasjoner

Det finnes flere praktiske anvendelser for denne studien. For det første er produsenter ivrige etter å finne en rimelig tilnærming som gjør det mulig for dem å lage komponenter med høy ytelse. Teamets innsats vil gjøre det mulig for titanlegeringskompositter å finne bruk i flere bransjer. Her er noen av de åpenbare bruksområdene for denne teknologien fremover.

Søknader innen luftfartsteknikk

Titanlegeringer er en avgjørende komponent innen luftfartsteknologi. Hver unse kan utgjøre en forskjell når det gjelder luftfartsdesign. Som sådan kan industrien bruke dette materialet til å lage viktige komponenter som romfartsmotorer og strukturelle deler, som er lette og mer holdbare.

Medisinske applikasjoner

Det finnes en lang liste med bruksområder for denne legeringen innen det medisinske feltet. Disse enhetene gir eksepsjonell biokompatibilitet, noe som betyr at de kan implanteres uten at kroppen din avstøter dem. I tillegg gir de høy styrke, er lette og korrosjonsbestandige. Som sådan kan den oppgraderte titanlegeringen forbedre implantater, proteser, kroppsnære enheter og produksjonsprosessen til andre livreddende biokompatible enheter.

Applikasjoner for bilindustrien

Bilindustrien er alltid på utkikk etter bedre produksjonsprosesser. Man kan se for seg at denne teknologien spiller en sentral rolle i å lage lette, høytytende elektriske motorkomponenter og mer. Muligheten til å 3D-printe disse delene kan føre til at man i en ikke altfor fjern fremtid kan få tilsendt planene for reservedelene sine på e-post og printe dem ut hjemme.

Forventet tidslinje og kommersialisering

Tidslinjen for anvendelsen av denne teknologien er rundt 5–10 år. Det er fortsatt mange detaljer som ingeniørene må utarbeide for å ta konseptet fra en liten test til fullskala produksjon. I den nærmeste fremtid vil teamet fokusere på å finne samarbeidspartnere for å utvikle teknologien videre.

Ingeniørene skal nå jobbe med å bringe sin proprietære titantrykkmetode ut på markedet. Som en del av denne strategien har gruppen allerede søkt om et foreløpig patent. Nå skal de se på å finne kommersielle produksjonspartnere for fremtidig forskning og sette opp produksjonsanlegg.

Forskere i studien av 3D-printede titanlegeringer

Ingeniørfakultetet ved Senter for additiv produksjon ved RMIT University i Melbourne, VIC, Australia, var vertskap for denne banebrytende studien. Hovedforfatter av arbeidet var Ryan Brooke. Imponerende nok takket han nylig ja til et forskningsstipend i oversettelse ved universitetet. Artikkelen lister også opp Duyao Zhang, Dong Qiu, Mark A. Gibson og Mark Easton som bidragsytere.

Investering i 3D-printing av metallsektoren

Muligheten til å 3D-printe metaller har åpnet døren for nye bølger innen teknologiske fremskritt. Flere selskaper er aktive i denne sektoren, og mange investerer millioner i forskning og utvikling for å skape nye og mer effektive utskriftsmetoder. Her er et selskap som blir sett på som en innovatør i markedet.

Nano Dimension Ltd. (NNDM)

Nano Dimension Ltd (NNDM -5.59%) kom på markedet i 2012. Selskapets grunnleggere, Amit Dror, Sharon Fima og Simon Fried, opprettet firmaet for å forbedre prototyping av PCB-kort via avanserte 3D-printløsninger. Tilnærmingen deres viste seg å være vellykket, og i 2020 lanserte selskapet den første flerlags PCB-skriveren som kom på markedet.

Nano Dimension Ltd tilbyr i dag en rekke produkter som kan hjelpe bedrifter med å beholde sitt teknologiske forsprang i produksjonsprosessen. DragonFly IV-systemet forbedrer utskriftshastigheten ved å bruke blekkskriveravsetning av ledende og dielektriske materialer. Denne tilnærmingen muliggjør raskere prototyping og lavere kostnader.

Programvarepakken FLIGHT er et annet populært alternativ som gjør det enklere å jobbe med komplekse strukturer. Den lar designere lage intrikate design samtidig som de optimaliserer materialbruken. Når den brukes sammen med de tilgjengelige mikro-3D-utskriftssystemene, lar den produsenter utvikle og overvåke utskriftene sine på mikronnivå.

Siste nytt og utvikling for aksjen Nano Dimension Ltd. (NNDM)

Konklusjon: RMITs gjennombrudd innen titanlegering

Muligheten til å 3D-printe metaller blir sett på som et stort sprang fremover innen additiv produksjon. Følgelig har det vært en jevn tilstrømning av innovative metallkompositter laget spesielt for å oppnå best mulig resultat ved 3D-printing. Denne siste satsingen vil drive denne teknologien ytterligere og gjøre det mulig for ingeniører å lage mer avanserte design for å drive fremtidens teknologier.

Lær om andre kule utviklinger innen additiv produksjon her..

Referert til studier:

^{1. Brooke, R., Zhang, D., Qiu, D. et al. Sammensetningskriterier for å forutsi overganger fra søyleform til likeakset form i additiv produksjon av metall. Nat Commun 16, 5710 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60162-0}