Um guia para impressão 3D com Titanium

Com os benefícios de redução do desperdício de material e a capacidade de criar designs leves, a impressão 3D em titânio está encontrando seu nicho em muitos setores.

O titânio tem excelentes propriedades materiais, mas seu alto custo historicamente limitou seu uso a aplicações de alto valor na indústria aeroespacial. Agora que a impressão 3D em metal está se tornando cada vez mais reconhecida como um método de fabricação viável, a tecnologia está tornando o titânio mais disponível para indústrias como médica, automotiva e automobilística.

A postagem de hoje analisa o que torna o titânio uma boa escolha para impressão 3D, as tecnologias que suportam o material, bem como as principais aplicações industriais.

As propriedades exclusivas do titânio

Setor Propriedades Aplicativos Resistência aeroespacialCorrosão
Alta relação força-peso
Resistência a altas temperaturas Estruturas de armação e asa
Peças menores como lâminas de compressor, rotores e outros componentes do motor de turbina Força MédicaExcelente
Biocompatibilidade (não tóxica , não alergênico) Dispositivos ortopédicos, como implantes de coluna, quadril e joelho. Automotive &MotorsportsCorrosion resistence
Alta relação resistência-peso
Resistência a altas temperaturasBraçadeiras de freio, suportes, aros de roda, verticais.
Pense forte, leve e à prova de corrosão e você terá a essência do que torna o titânio um material tão procurado. O titânio é conhecido por suas excelentes propriedades materiais - tão forte quanto o aço, mas com apenas 60% de sua densidade.

A alta relação resistência-densidade, boa resistência à corrosão e resistência química do titânio o tornam particularmente desejável para indústrias de alto desempenho como aeroespacial e defesa.

Aqui, ligas de titânio são usadas em aplicações que requerem peças leves capazes de reter suas propriedades mecânicas em altas temperaturas.

Titânio também é conhecido por sua biocompatibilidade, o que o torna a escolha ideal para aplicações médicas, como implantes.

No entanto, embora o titânio ofereça uma série de benefícios, continua sendo um material relativamente caro. Isso ocorre porque o metal é extraído em quantidades relativamente pequenas e o processamento do titânio bruto continua sendo uma tarefa complexa, tornando o material consideravelmente mais caro do que metais alternativos como o aço.

O que torna o titânio adequado para impressão 3D?

O titânio pode ser um metal difícil de trabalhar, principalmente quando se trata de usinagem. Por um lado, o titânio tem uma baixa condutividade térmica. Isso significa que quando ela é usinada, por exemplo com uma máquina CNC, o calor gerado é armazenado na ferramenta CNC - o que pode causar um desgaste rápido da ferramenta.

Além disso, uma vez que a usinagem envolve o corte e a remoção de material, o processo pode levar à produção de muito desperdício de material. Como resultado, muitas empresas estão procurando melhores alternativas para produzir peças de titânio. A impressão 3D em metal está provando ser essa alternativa viável. Com a impressão 3D do metal, o tipo de titânio mais comumente usado é a liga Ti6Al4V (Ti64). Além do Ti64, também é possível imprimir em 3D com titânio puro.

Os benefícios da impressão 3D com titânio

Há muitos benefícios para a impressão 3D de titânio.

Para aplicações aeroespaciais, o uso de titânio para peças de impressão 3D geralmente ajuda a reduzir a proporção de compra para voar. O termo, que vem da indústria aeroespacial, refere-se à correlação entre o peso da quantidade de material originalmente adquirido e o peso da peça acabada.

Na fabricação convencional, por exemplo, os componentes de titânio para aeronaves podem ter uma relação de compra para voar entre 12:1 e 25:1. Isso significa que são necessários 12-25kg de matéria-prima para produzir 1kg de peças. Neste cenário, até 90% do material é removido à máquina.

A impressão 3D de metal pode reduzir esta proporção para componentes de titânio entre 3:1 e 12:1. Isso ocorre porque as impressoras 3D de metal normalmente usam apenas a quantidade necessária de material para criar uma peça, gerando apenas um pequeno desperdício de estruturas de suporte. Para um material caro como o titânio, a economia de custo dessa proporção reduzida de compra para voar pode ser bastante significativa. A manufatura aditiva também pode melhorar as propriedades de leveza do titânio, graças à otimização da topologia. Usando software de otimização de topologia, os engenheiros definem certos requisitos, como restrições de carga e rigidez e, em seguida, permitem que a ferramenta de software otimize o projeto inicial para atender a esses requisitos. Por meio dessa otimização, qualquer material desnecessário é removido do projeto, criando um componente mais leve, porém forte.

Projetos topologicamente otimizados muitas vezes só podem ser fabricados com a ajuda de tecnologias de manufatura aditivas. Esse benefício é particularmente valorizado pela indústria aeroespacial, onde peças leves de titânio impressas em 3D podem levar à redução de peso e melhor desempenho da aeronave.

Quais tecnologias suportam titânio?

Os três métodos de impressão 3D de metal mais comumente usados ​​para criar peças de titânio são deposição direta de energia (DED), fusão por feixe de elétrons (EBM) e fusão seletiva a laser (SLM).

Deposição de energia direta

Os primeiros esforços para imprimir titânio em 3D começaram em 1997 na Aeromet Corporation, que usava a tecnologia DED para produzir peças para a indústria aeroespacial.

No DED, uma fonte de energia de alta intensidade, como um laser ou um feixe, é usada para derreter o pó de titânio (ou fio) à medida que é depositado por meio de um bico no substrato. O principal benefício aqui é a capacidade de criar peças grandes a uma taxa de deposição de material relativamente alta (até 320 cc / h).

Hoje, existem muitas variações da tecnologia DED, incluindo Fabricação de Aditivos de Feixe de Eletrões (EBAM) e Fabricação de Aditivos para Arco de Arame (WAAM) de Sciaky.

Derretimento do feixe de elétrons

A empresa sueca Arcam tem desenvolvido sua tecnologia EBM para permitir implantes impressos em 3D de titânio e componentes aeroespaciais. No EBM, um feixe de elétrons é aplicado a uma camada de pó metálico, derretendo e fundindo-a com a camada anterior. O EBM é considerado mais preciso do que o DED e adequado para peças menores e complexas. Notavelmente, o processo EBM ocorre no vácuo e em alta temperatura. Isso resulta em tensões residuais mínimas nas peças impressas em 3D, o que também significa que as peças não requerem tratamento térmico subsequente.

Em 2013, a Arcam lançou duas máquinas AM, Arcam Q10 e Arcam Q20, voltadas para as indústrias de implantes ortopédicos e aeroespacial, respectivamente. O Arcam Q20 foi especialmente projetado para funcionar com a liga Ti6Al4V.

A Arcam também lançou a impressora 3D Arcam Spectra H, que é capaz de imprimir novas ligas de titânio com tendência a rachaduras, como o alumineto de titânio.

Derretimento seletivo a laser

Como o EBM, o SLM é um processo de fusão em leito de pó, embora use um feixe de laser em vez de um feixe de elétrons para derreter e fundir as camadas de pó metálico. A espessura de uma camada no processo SLM pode ser tão fina quanto 20 mícrons, tornando essa tecnologia muito mais precisa quando comparada ao DED e EBM.

Aplicações de impressão 3D de titânio

A indústria aeroespacial domina as principais aplicações da impressão 3D de titânio. Dito isso, outras indústrias como médica, automobilística, química e marítima também estão começando a investigar a tecnologia para produzir componentes de titânio.

Aeroespacial

Para empresas aeroespaciais, a impressão 3D de titânio ajuda a reduzir o peso de estruturas altamente carregadas, tornando-o extremamente adequado para motores a jato, turbinas a gás e muitos componentes de fuselagem. Muitas das maiores empresas aeroespaciais estão incorporando peças de titânio impressas em 3D em suas aeronaves.

SAS Liebherr-Aerospace &Transportation


Por exemplo, o fornecedor aeroespacial Liebherr-Aerospace &Transportation SAS, iniciou a produção em série de suportes de trem de pouso de titânio impressos em 3D para o Airbus A350 XWB no início deste ano. Esses suportes serão as primeiras peças do Airbus a serem produzidas com titânio impresso em 3D.

Boeing e Norsk Titanium

A Boeing também apostou na impressão 3D de titânio. Desde 2015, a Boeing está em parceria com a empresa norueguesa de impressão 3D de metal, Norsk Titanium, para produzir grandes componentes estruturais de titânio para o 787 Dreamliner. Em 2017, eles qualificaram pela FAA a peça de titânio sem nome, feita com a ajuda da tecnologia patenteada Rapid Plasma Deposition (RPD) da Norsk.



Com base no processo DED, a RDP usa fio de titânio com tochas de plasma para imprimir grandes componentes estruturais de titânio. A tecnologia é supostamente 50-100 vezes mais rápida do que os sistemas baseados em pó e usa 25-50% menos titânio do que os processos de forjamento. Os prazos de entrega acelerados e a redução do desperdício de material podem economizar para a Boeing até US $ 3 milhões por aeronave.

Atualmente, a impressão 3D de titânio está sendo explorada em grande parte para componentes de aeronaves menores, como suportes e carcaças. No futuro, no entanto, seu uso pode se expandir em componentes estruturais muito maiores, alimentados pela economia de peso, custo e tempo de desenvolvimento.

Médico

A não toxicidade, a alta resistência e a resistência à corrosão do titânio o tornam um material atraente para implantes ortopédicos e dentários.

Quando usado com impressão 3D, os fabricantes de dispositivos médicos podem criar implantes com estruturas porosas complexas. Notavelmente, essas estruturas imitam a estrutura dos ossos humanos, de modo que as células ósseas as reconhecem como uma estrutura através da qual crescem.

Implantes vertebrais de titânio Osseus



Uma empresa que desenvolve esses dispositivos é a Osseus Fusion System, dos Estados Unidos. Seus implantes espinhais de titânio impressos em 3D, chamados Aries-L Interbody Fusion Devices, apresentam uma malha multieixo proprietária e topologia de microssuperfície otimizada, que permitem que os ossos se fundam mais rapidamente. Para tornar possíveis esses recursos complexos, a Osseus imprime seus dispositivos Aries em uma impressora SLM 3D validada pela FDA. O uso de impressão 3D de titânio para dispositivos ortopédicos, como implantes de coluna, quadril e joelho, está em ascensão. Em 2020, as aplicações médicas de titânio impresso em 3D representarão cerca de 274.000 kg de titânio, de acordo com um relatório recente da Smartech. Isso define uma perspectiva muito positiva para a impressão 3D de titânio na indústria médica.

Automóvel e esportes motorizados

Pinça de freio de titânio da Bugatti


Em comparação com a indústria aeroespacial e médica, a indústria automotiva não foi tão rápida em adotar a impressão 3D de titânio. Embora os mesmos benefícios se apliquem, o mercado automotivo consumidor é muito consciente dos custos, o que limita o uso deste material caro na maioria dos veículos.

Atualmente, peças impressas em 3D de titânio podem ser encontradas em carros de corrida e veículos de luxo onde peso e desempenho são fatores significativos.

Um dos exemplos mais proeminentes do uso de impressão 3D de titânio no setor automotivo é a pinça de freio Bugatti, desenvolvida para seu supercarro Bugatti Chiron.

Parte essencial do sistema de travagem, a pinça do travão mede 41 x 21 x 13,6 cm e foi impressa em 3D em 45 horas com a tecnologia SLM. Diz-se que a peça acabada é cerca de 40% mais leve do que uma alternativa de alumínio usinado.

No ano passado, a empresa testou com sucesso a pinça de freio, provando que ela pode atender aos requisitos extremos de resistência, rigidez e temperatura.
Rodas de titânio impressas em 3D da HRE

O fabricante de aros de roda dos EUA, HRE, é outra empresa que se beneficia da impressão 3D em titânio. O objetivo principal do HRE era reduzir a quantidade de material desperdiçado na produção de aros de roda.

Usando a tecnologia EBM, o HRE 3D imprimiu um aro de roda de formato complexo e conseguiu uma redução de peso de 19% no processo.

Com os métodos de produção tradicionais para esta aplicação, o desperdício de material gerado pode chegar a 80%. Com a impressão 3D, a HRE diz que o material desperdiçado não excede 5%.

A HRE considera o aro da roda mais uma vitrine tecnológica do que um produto comercial. Dito isso, o projeto oferece um vislumbre do que o futuro do design e da fabricação de rodas pode trazer.

Impressão 3D Titanium e esportes motorizados

No automobilismo, a impressão 3D de titânio desempenha “um papel estratégico crítico” na produção de veículos mais leves e de alto desempenho, incluindo carros de corrida.

Um exemplo vem da equipe Oxford Brookes Formula Student. Em parceria com o Centro de Tecnologia de Fabricação (MTC) do Reino Unido, a equipe redesenhou os montantes do veículo e os fabricou usando a tecnologia EBM. Graças a esse processo, a equipe conseguiu uma redução de peso de 50%.

Os desafios da impressão 3D em titânio

Apesar das vantagens da impressão 3D em titânio, existem alguns desafios que precisam ser levados em consideração.

Em primeiro lugar está a necessidade de desenvolver padrões para o uso de titânio com tecnologias de aditivos. Algumas empresas já estão dando passos nessa direção. Em 2018, a Boeing e a Oerlikon assinaram uma parceria de cinco anos com foco na padronização da impressão 3D de titânio e garantindo que os componentes impressos atendam aos requisitos de voo da FAA e DoD.

O segundo desafio está no alto custo dos pós de titânio. Por exemplo, o custo do pó de titânio otimizado para impressão 3D varia de $ 300 a $ 600.

Para reduzir o custo real do material por quilograma de titânio, alguns produtores de pó desenvolveram métodos alternativos de produção de pó. A Canadian PyroGenesis, por exemplo, está usando seu NexGen ™ Plasma Atomization System, que produz pó metálico, incluindo titânio, a mais de 25 kg / h. Taxas de produção mais altas permitem que a empresa produza titânio a preços competitivamente mais baixos.

A Metalysis, empresa com sede no Reino Unido, desenvolveu outro método de produção de pó que pode reduzir os preços do titânio. O método emprega uma forma de eletrólise para transformar óxido de titânio bruto em pó de titânio. Os principais benefícios desta tecnologia residem em sua ecologia e baixo custo em comparação com os métodos tradicionais de produção de pó.

Em setembro de 2018, a Metalysis iniciou a produção comercial de pós de titânio, além de outras ligas, visando entregar entre 10 e 100 toneladas de pós de metal por ano.

Se os novos métodos de fabricação de pó de titânio forem capazes de atingir seu potencial, o preço médio de um kg de titânio poderá ser reduzido em 17% até 2024, de acordo com a Análise SmarTech.

Impressão Titanium 3D:uma combinação vencedora

A impressão 3D Titanium tornou-se uma tecnologia valiosa na indústria aeroespacial, médica e automotiva. A principal razão para isso é a combinação vencedora das excelentes propriedades do titânio e a capacidade da impressão 3D de reduzir o desperdício e criar designs complexos e leves.

Daqui para frente, conforme o custo do titânio diminui e mais aplicações são descobertas, a impressão 3D em titânio se tornará uma ótima alternativa de fabricação para uma gama muito mais ampla de indústrias.

Entrevista com especialista:Jonathan Warbrick da Fabricação de aditivos de grafite sobre como alcançar o sucesso com a impressão 3D Entrevista com especialista:Ben Batagol da Conflux Technology sobre a reinvenção da tecnologia de troca de calor com impressão 3D