تیتانیوم (Ti6Al4V)
تیتانیوم Ti6Al4V فلزی است که با چگالی حدود نصف فولاد، استحکامی بیشتر از بسیاری از فولادها دارد؛ برای همین در هوافضا، خودرو و هر قطعه‌ای که سبکی و استحکام هم‌زمان می‌خواهد، انتخاب اول است. پرینت سه بعدی با ساختارهای شبکهای و فرم‌های بهینه، این مزیت را چند برابر میکند. در این صفحه دیتاشیت رسمی، اثر عملیات حرارتی و مقایسهٔ عددی آن با فولاد را می‌بینید. مادا تکنولوژی قطعات فلزی را با پرینت SLM تا ابعاد 160 × 160 × 160 میلیمتر می‌سازد.
- 1100 MPaاستحکام کششی پس از عملیات حرارتی
- 4.4 g/cm³چگالی؛ حدود نصف فولاد
- 595 MPaاستحکام خستگی در 10 میلیون سیکل
- 160 × 160 × 160حجم ساخت SLM مادا (میلیمتر)
تیتانیوم Ti6Al4V چیست؟
تیتانیوم Ti6Al4V، که گرید 5 هم نامیده میشود، پرکاربردترین آلیاژ تیتانیوم است: حدود 6 درصد آلومینیوم و 4 درصد وانادیوم دارد و از خانوادهٔ آلیاژهای آلفا-بتای تیتانیوم است. ترکیب چگالی کم، استحکام بالا و مقاومت بسیار خوب به خوردگی، آن را برای قطعات سبک و محکم ایده‌آل میکند.
در پرینت SLM، پودر تیتانیوم زیر گاز آرگون لایه‌به‌لایه با لیزر ذوب میشود؛ چون تیتانیوم داغ با اکسیژن و نیتروژن هوا واکنش می‌دهد و ترد میشود. ماشین‌کاری تیتانیوم از قطعهٔ خام کند و پرهزینه است و بیشتر مادهٔ گران آن به براده تبدیل میشود؛ پرینت سه بعدی فقط همان مقداری را می‌سازد که قطعه لازم دارد.
- نوع
- آلیاژ آلفا-بتای تیتانیوم، گرید 5
- روش ساخت
- پرینت فلزی SLM زیر آرگون، سپس تنش‌گیری و پسپردازش
- مزیت اصلی
- استحکام بالا با وزن کم و مقاومت به خوردگی
- محدودیت اصلی
- گران و با مقاومت سایشی ضعیف
خواص فنی تیتانیوم Ti6Al4V
| پس از چاپ | استحکام کششی | استحکام تسلیم | ازدیاد طول |
|---|---|---|---|
| جهت افقی | 1290 MPa | 1140 MPa | 7 % |
| جهت عمودی | 1240 MPa | 1120 MPa | 10 % |
| پس از عملیات حرارتی | استحکام کششی | استحکام تسلیم | ازدیاد طول |
|---|---|---|---|
| جهت افقی | 1100 MPa | 1000 MPa | 15 % |
| جهت عمودی | 1110 MPa | 1020 MPa | 15 % |
| چگالی قطعه | ≥ 4.4 g/cm³ |
|---|---|
| سختی پس از چاپ | 320 HV5 |
| استحکام خستگی در 10 میلیون سیکل | 595 MPa |
| زبری سطح پس از چاپ | Ra 9–12 µm |
| حداقل ضخامت دیواره | 0.3–0.4 mm |
مقادیر طبق دیتاشیت رسمی یک سازندهٔ بزرگ دستگاه SLM؛ داده‌های پس از چاپ برای لایهٔ 60 میکرونی و داده‌های پس از عملیات حرارتی برای عملیات در حدود 800 درجه زیر آرگون است. سازنده می‌گوید قطعه پس از عملیات حرارتی، الزامات مکانیکی استاندارد ASTM F2924 را برآورده میکند. خواص قطعه به دستگاه، پارامترها و جهت ساخت بستگی دارد.
عملیات حرارتی: کمی استحکام کمتر، شکل‌پذیری دو برابر
سرد شدن بسیار سریع هنگام چاپ، ریزساختاری بسیار محکم اما کمشکلپذیر در تیتانیوم می‌سازد و تنش پسماند در قطعه می‌گذارد؛ ازدیاد طول قطعهٔ تازه چاپشده فقط 7 تا 10 درصد است. سازنده عملیات حرارتی را برای تنش‌گیری و افزایش شکل‌پذیری توصیه میکند:
اثر بر خواص
پس از عملیات حرارتی، استحکام کششی از حدود 1290 به 1100 مگاپاسکال می‌رسد، اما ازدیاد طول از 7 به 15 درصد، یعنی حدود دو برابر، بالا می‌رود.
ریزساختار
پس از عملیات حرارتی توصیه‌شده، ریزساختار به فاز ریز آلفا و بتا تبدیل میشود.
زمان عملیات
به گفتهٔ سازنده، زمان طولانی‌تر عملیات حرارتی استحکام را کمتر و ازدیاد طول را بیشتر میکند.
تنش‌گیری پیش از جدا کردن
تنش‌گیری پیش از جدا کردن قطعه از صفحهٔ ساخت، از تاب برداشتن آن جلوگیری میکند.
استحکام به ازای وزن: چرا تیتانیوم؟
| فلز | چگالی | استحکام کششی | استحکام ویژه |
|---|---|---|---|
| تیتانیوم Ti6Al4V | 4.4 g/cm³ | 1100 MPa | ≈ 250 |
| آلیاژ نیکل 718 | 8.15 g/cm³ | 1470 MPa | ≈ 180 |
| فولاد ضدزنگ 316L | 7.97 g/cm³ | 645 MPa | ≈ 81 |
استحکام ویژه، یعنی استحکام کششی تقسیم بر چگالی (مگاپاسکال بر گرم بر سانتیمتر مکعب) است که از دیتاشیت‌های رسمی همان سازندهٔ دستگاه SLM محاسبه شده؛ تیتانیوم و 718 پس از عملیات حرارتی و 316L پس از چاپ در جهت افقی.
نتیجه: به ازای هر گرم وزن، تیتانیوم حدود سه برابر 316L و حدود 1.4 برابر آلیاژ نیکل 718 استحکام دارد. یعنی قطعه‌ای با استحکام یکسان، از تیتانیوم بسیار سبکتر ساخته میشود؛ و با ساختار شبکهای و فرم بهینه، این مزیت باز هم بیشتر میشود.
خستگی: سطح قطعه تعیین‌کننده است
عدد رسمی
طبق دیتاشیت رسمی یک سازندهٔ بزرگ دستگاه SLM، استحکام خستگی تیتانیوم پس از عملیات حرارتی در 10 میلیون سیکل 595 مگاپاسکال است؛ سازنده تأکید میکند این عدد بدون پرس ایزواستاتیک گرم (HIP) به دست آمده است.
اثر زبری سطح
سطح زبر پس از چاپ، محل شروع ترک خستگی است؛ ماشین‌کاری یا پرداخت سطوح پرتنش، عمر خستگی را بیشتر میکند.
گوشه‌های گرد
گوشه‌های تیز تنش را متمرکز می‌کنند؛ در قطعات زیر بار متناوب، همهٔ گوشه‌ها را گرد طراحی کنید.
ترکیب «استاندارد ایمپلنت» یعنی تأیید برای ایمپلنت؟
سازندهٔ پودر اعلام میکند ترکیب شیمیایی تیتانیوم چاپی با استانداردهای ایمپلنت جراحی مثل ISO 5832-3 و ASTM F1472 مطابق است. اما ترکیب شیمیایی فقط یک شرط است: ایمپلنت و ابزار پزشکی به فرایند ساخت تأییدشده، تمیزکاری، آزمون‌ها و مجوزهای خودش نیاز دارد. قطعهٔ تیتانیوم چاپی به‌خودی‌خود برای کاشت در بدن تأیید نمی‌شود.
برای ابزار پزشکی یا قطعات آزمایشگاهی، الزامات استاندارد و آزمون‌های لازم را پیش از سفارش با کارشناسان مادا تکنولوژی هماهنگ کنید.
تیتانیوم در مقایسه با فلزات دیگر
تیتانیوم را کنار آلومینیوم، فولاد ضدزنگ 316L، آلیاژ نیکل و کبالت کروم روی نمودار ببینید یا فلزات و پارامترهای دیگر را انتخاب کنید.
دنبال چه چیزی هستی؟ یک کاربرد را انتخاب کن تا متریال‌های مناسبش روشن شوند
🏆 برندهٔ هر پارامتر بین متریال‌های انتخاب‌شده
| پارامتر | 316L | Aluminium | Titanium | Cobalt Chrome | Maraging | Nickel Alloy |
|---|---|---|---|---|---|---|
| استحکام | 5 | 4 | 8 | 8 | 10 | 8 |
| سختی و مقاومت سایش | 4 | 3 | 5 | 9 | 8 | 6 |
| مقاومت به خوردگی | 9 | 6 | 9 | 9 | 4 | 9 |
| مقاومت حرارتی | 6 | 3 | 7 | 8 | 6 | 10 |
| سبکی | 2 | 10 | 7 | 2 | 2 | 1 |
| رسانایی حرارتی | 3 | 9 | 2 | 2 | 3 | 2 |
| ماشین‌کاری‌پذیری | 7 | 9 | 4 | 3 | 6 | 2 |
| صرفهٔ اقتصادی | 8 | 8 | 3 | 4 | 5 | 2 |
جمع‌بندی و پیشنهاد
امتیازها نسبی و از 0 تا 10 هستند و بر اساس خواص شناخته‌شدهٔ هر نوع متریال تعیین شده‌اند؛ برای انتخاب اولیه به کار می‌روند و جای دیتاشیت را نمی‌گیرند. عدد دقیق خواص در صفحهٔ هر متریال آمده و خواص گریدهای مختلف یک متریال با هم فرق دارد؛ پیش از ساخت، انتخاب با کارشناسان بررسی میشود.
تیتانیوم یا فلزات دیگر؟
آلومینیوم
سبکتر و ارزان‌تر برای بار متوسط و انتقال حرارت. آلومینیوم
فولاد ضدزنگ 316L
وقتی وزن مهم نیست و هزینه مهم است. فولاد 316L
کبالت کروم
برای سطوحی که سایش و اصطکاک دارند؛ تیتانیوم در سایش ضعیف است. کبالت کروم
آلیاژ نیکل
برای کار طولانی در دمای بالا. آلیاژ نیکل (اینکونل)
فولاد ماریجینگ
برای ابزار و اینسرت قالب. فولاد ماریجینگ
نکات طراحی قطعه برای پرینت تیتانیوم
ساختار شبکهای و فرم بهینه
بخش‌های کم‌تنش را با شبکهٔ سه بعدی یا فرم بهینه‌شده جایگزین کنید تا وزن و پودر مصرفی کم شود.
سطوح شیب‌دار و ساپورت
سطوح خیلی افقی ساپورت فلزی لازم دارند و تنش پسماند تیتانیوم بالاست؛ سطوح را تا جای ممکن شیب‌دار طراحی کنید.
دیوارهٔ نازک
سازنده حداقل ضخامت دیوارهٔ معمول را 0.3 تا 0.4 میلیمتر اعلام میکند؛ برای قطعات باربر ضخیم‌تر طراحی کنید.
بدون تماس لغزشی
تیتانیوم در تماس لغزشی با فلز دیگر به سطح میچسبد و ساییده میشود؛ برای این سطوح، بوش یا پوشش در نظر بگیرید.
اضافهٔ ماشین‌کاری
روی سطوح دقیق، رزوه‌ها و سطوح پرتنش، اضافهٔ ماشین‌کاری بگذارید.
پسپردازش قطعات تیتانیوم
تنش‌گیری و جدا کردن از صفحه
قطعه پس از تنش‌گیری حرارتی از صفحهٔ ساخت جدا و ساپورت‌ها برداشته می‌شوند.
سندبلاست
سطح زبر پس از چاپ با سندبلاست یکدست میشود.
ماشین‌کاری
سطوح دقیق، رزوه‌ها و سطوح پرتنش در صورت نیاز ماشین‌کاری می‌شوند.
پرداخت‌های دیگر
طبق دیتاشیت سازنده، قطعه در هر دو حالت پس از چاپ و پس از عملیات حرارتی، قابل ماشین‌کاری، ساچمه‌زنی و پولیش است.
ویژگی‌های کلیدی تیتانیوم
سبک و محکم
استحکام به ازای وزن حدود سه برابر فولاد ضدزنگ 316L.
مقاوم به خوردگی
سازنده مقاومت به خوردگی آن را عالی معرفی میکند.
مقاوم به خستگی
استحکام خستگی 595 مگاپاسکال در 10 میلیون سیکل، بدون HIP.
ساختار شبکهای
شبکه‌ها و فرم‌های بهینه‌ای که ماشین‌کاری‌شان ممکن نیست.
صرفه در مادهٔ گران
فقط همان مقداری از فلز که قطعه لازم دارد ساخته میشود.
قابل پسپردازش
ماشین‌کاری، ساچمه‌زنی و پولیش پس از چاپ.
کاربردهای تیتانیوم در پرینت سه بعدی
قطعات هوافضا
براکت‌ها و قطعات سبک و محکم سازه‌ای.
پرینت سه بعدی در هوافضاپهپاد و رباتیک
بازوها و اتصال‌های سبک با استحکام بالا.
پرینت سه بعدی در هوافضاقطعات مسابقه‌ای و خودرو
قطعات سبک برای کاهش وزن و اینرسی.
پرینت سه بعدی در خودروسازیقطعات صنعتی سبک
قطعاتی که سبکی و استحکام هم‌زمان می‌خواهند.
پرینت سه بعدی در مهندسیمحیطهای خورنده
قطعاتی که با آب دریا و مواد خورنده در تماس‌اند.
پرینت سه بعدی در مهندسینمونهٔ پژوهشی
نمونه‌های فلزی سبک برای آزمون و پژوهش.
پرینت سه بعدی در تحقیق و توسعه
محدودیت‌های تیتانیوم و جایگزین‌ها
هزینه
تیتانیوم از گران‌ترین فلزات پرینت است؛ اگر وزن مهم نیست، 316L.
سایش
مقاومت سایشی ضعیفی دارد و در تماس لغزشی ساییده میشود؛ برای این سطوح، کبالت کروم یا پوشش.
دمای بالا
برای کار طولانی در دمای بالا زیر بار، آلیاژ نیکل.
سطح زبر
زبری سطح پس از چاپ حدود Ra 9 تا 12 میکرون است و سطوح دقیق ماشین‌کاری می‌شوند.
ابعاد
حجم ساخت SLM مادا 160 × 160 × 160 میلیمتر است.
کاربرد پزشکی
ایمپلنت و ابزار پزشکی به فرایند و آزمون‌های تأییدشدهٔ جداگانه نیاز دارد.
سوالات متداول تیتانیوم
تیتانیوم Ti6Al4V چیست؟
پرکاربردترین آلیاژ تیتانیوم، با حدود 6 درصد آلومینیوم و 4 درصد وانادیوم؛ آلیاژی آلفا-بتا با چگالی کم، استحکام بالا و مقاومت بسیار خوب به خوردگی.
استحکام تیتانیوم پرینتشده چقدر است؟
طبق دیتاشیت رسمی یک سازندهٔ بزرگ دستگاه SLM، پس از عملیات حرارتی استحکام کششی حدود 1100 و تسلیم حدود 1000 مگاپاسکال با ازدیاد طول 15 درصد.
چرا تیتانیوم پرینتشده عملیات حرارتی میشود؟
قطعهٔ تازه چاپشده بسیار محکم اما کمشکلپذیر است و تنش پسماند دارد؛ عملیات حرارتی تنش را میگیرد و ازدیاد طول را از حدود 7 به 15 درصد میرساند.
تیتانیوم چقدر از فولاد سبکتر است؟
چگالی آن حدود 4.4 گرم بر سانتیمتر مکعب است، یعنی حدود نصف فولاد؛ و به ازای هر گرم وزن، حدود سه برابر 316L چاپی استحکام دارد.
آیا تیتانیوم پرینتشده برای ایمپلنت مناسب است؟
ترکیب شیمیایی آن با استانداردهای ایمپلنت مطابق است، اما ایمپلنت به فرایند ساخت تأییدشده، آزمون‌ها و مجوزهای جداگانه نیاز دارد.
آیا برای تیتانیوم پرینتشده HIP لازم است؟
نه همیشه؛ سازنده استحکام خستگی 595 مگاپاسکال در 10 میلیون سیکل را بدون HIP اعلام میکند. ماشین‌کاری سطوح پرتنش هم عمر خستگی را بیشتر میکند.
آیا تیتانیوم در برابر سایش مقاوم است؟
نه؛ در تماس لغزشی با فلز دیگر ساییده میشود و به سطح میچسبد. برای این سطوح، کبالت کروم یا پوشش مناسبتر است.
حداکثر ابعاد قطعهٔ تیتانیوم چقدر است؟
حجم ساخت پرینت SLM مادا تکنولوژی 160 × 160 × 160 میلیمتر است.
دقت قطعات فلزی SLM چقدر است؟
تلرانس عمومی مادا تکنولوژی ISO 2768-m و دقت ابعادی تضمینی ±0.5 میلیمتر است؛ سطوح دقیق با ماشین‌کاری به تلرانس لازم می‌رسند.
هزینهٔ پرینت قطعهٔ تیتانیوم چطور محاسبه میشود؟
بر اساس حجم و ارتفاع قطعه، ساپورت و پسپردازش؛ طراحی سبکشده با ساختار شبکهای، هزینه را کم میکند. فایل را برای بررسی فنی بفرستید.
فایل سه بعدی قطعه را بفرستید؛ سبک‌ترش را با تیتانیوم می‌سازیم
کارشناسان مادا تکنولوژی بر اساس بار، وزن، محیط کار و ابعاد قطعه، تیتانیوم یا فلز مناسب دیگر، جهت ساخت و امکان سبک‌سازی با ساختار شبکهای را بررسی و پیشنهاد می‌کنند.