Alles, was Sie über den 3D-Druck mit Titan wissen müssen

Kupfer, Sand, Alumide … wir haben bereits viele der im 3D-Druck verwendeten Materialien näher erläutert. Heute beschäftigen wir uns mit Titan. Es ist ein Übergangsmetall, das in der Natur nie in reiner Form vorkommt. Um es zu gewinnen, werden Mineralien wie Rutil (TiO2) und Ilmenit (FeTiO3) in einem komplizierten Verfahren verwendet.

Obwohl mit diesem Verfahren reines Titan gewonnen werden kann, ist es energieaufwändig. Das erzeugte Metall erreicht in der Regel eine Reinheit von 99,9 % und wird häufig mit anderen Metallen kombiniert, um leistungsfähigere Legierungen zu schaffen. Aufgrund seiner Eigenschaften ist Titan zu einem bevorzugten Material für die additive Fertigung in Bereichen wie der Medizin, der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie geworden. Aber was sind seine Stärken und Eigenschaften? Welche 3D-Drucktechnologien können verwendet werden? Lesen Sie unseren Leitfaden, um mehr zu erfahren!

Bild: Freepik

Was sind die Eigenschaften von Titan?

Titan, das durch Ti symbolisiert wird und die Ordnungszahl 22 hat, ist ein Material, das wegen seiner praktischen und vielseitigen Eigenschaften geschätzt wird. Es zeichnet sich durch sein geringes Gewicht, seine Festigkeit, seine geringe Toxizität und seine hohe Korrosionsbeständigkeit aus, wodurch es sich für viele Anwendungen eignet. Darüber hinaus ist es mit einer stahlähnlichen Festigkeit, aber einem um etwa 40 % geringeren Gewicht besonders nützlich für die Herstellung von Teilen, die gleichzeitig leicht und langlebig sein müssen. Titan ist außerdem beständig gegen Salzwasser, Chemikalien und Verschleiß, was es zu einem idealen Material für extreme Umgebungen macht. Neben seinen mechanischen Eigenschaften hat Titan auch gute thermische Eigenschaften, da es hohen Temperaturen bis zu 600°C trotzen kann. Umgekehrt bleibt es auch bei sehr kalten Temperaturen stabil.

Allerdings ist dieses Material schwer zu bearbeiten, vor allem wegen seiner geringen Wärmeleitfähigkeit. Bei der Bearbeitung, z. B. mit CNC-Maschinen, wird die erzeugte Wärme größtenteils von der Maschine zurückgehalten, was zu schnellem Verschleiß führen kann. Außerdem entsteht bei der Bearbeitung aufgrund des Materialabtrags oft viel Abfall. Angesichts dieser Probleme wenden sich viele Unternehmen effizienteren Methoden zur Herstellung von Titanteilen zu. Der 3D-Metalldruck hat sich daher als vielversprechende Lösung herauskristallisiert.

Bild: AM Material

Die verschiedenen Titanlegierungen für den 3D-Druck

Wie bereits erläutert, wird Titan im 3D-Druck häufig in Form von Legierungen verwendet, obwohl es aufgrund seiner Biokompatibilität für bestimmte Anwendungen, z. B. im medizinischen Bereich, auch rein extrahiert werden kann. Im 3D-Druck werden verschiedene Titanlegierungen verwendet, die häufigste ist Ti6Al-4V Grad 5 (Ti64), eine Mischung aus Titan, Aluminium und Vanadium, die wegen ihrer Hitze- und Korrosionsbeständigkeit geschätzt wird. Weitere Legierungen sind Ti6Al-4V Grad 23, das sich für medizinische Prothesen und Implantate eignet, und Titanium Beta 21S, das fester und oxidationsbeständiger ist und in orthopädischen Implantaten und Triebwerken für die Luft- und Raumfahrt verwendet wird. Cp-Ti (Reintitan), wird aufgrund seiner Verträglichkeit mit dem menschlichen Körper auch im medizinischen Bereich eingesetzt. Die Legierung TA15, die aus Titan, Aluminium und Zirkonium besteht, wird für die Herstellung von hochtemperaturbeständigen Teilen in der Luft- und Raumfahrt und in Motoren häufig herangezogen.

Titanlegierungen werden im Bereich des 3D-Drucks gegenüber Reintitan bevorzugt, da sie sich für komplexe Anwendungen eignen. Obwohl Reintitan für sein geringes Gewicht, seine Korrosionsbeständigkeit und seine Biokompatibilität bekannt ist, weist es einige Einschränkungen auf, die es manchmal weniger leistungsfähig machen. So sind seine Zähigkeit, Härte und Ermüdungsfestigkeit relativ gering, was bei Anwendungen, bei denen Materialien benötigt werden, die hohen Belastungen und wiederholten Beanspruchungen standhalten können, problematisch sein kann.

Bild: Materialise

Welche Technologien werden beim 3D-Druck von Titan verwendet?

Im 3D-Druck wird Titan in der Regel in Form von Metallpulver oder Draht verwendet, je nachdem, welche Technik gewählt wird. Es gibt mehrere Technologien, mit denen Titan gedruckt werden kann, und die verschiedene Lösungen für die Herstellung von Teilen bieten. Eine der gängigsten ist die Materialabscheidung durch konzentrierte Energie (DED). Bei diesem Verfahren wird Titan in Form von Pulver oder Draht aufgetragen und dann mithilfe einer Energiequelle, z. B. eines Lasers, geschmolzen. Ein weiteres beliebtes Verfahren ist das Laser-Pulverbett-Schmelzen (LPBF), auch DMLS oder SLM genannt. Bei dieser Technik wird ein Laser verwendet, um Metallpulverpartikel Schicht für Schicht zu schmelzen und so hochpräzise Titanteile zu schaffen, z. B. aus der Legierung Ti6Al4V.

Der Elektronenstrahlschmelzdruck (EBM) wird ebenfalls zum Drucken von Titan verwendet. Er funktioniert anders als der Laser, indem er einen Elektronenstrahl in einer Vakuumumgebung verwendet, und eignet sich besonders für die Herstellung von Titanteilen, die eine hohe Festigkeit erfordern, wie sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet werden. Der 3D-Druck mit Binder Jetting schließlich ist eine weitere Methode, bei der ein Titanpulver mit einem Bindemittel verbunden wird, bevor es durch einen Sinterprozess verfestigt wird.

Der 3D-Druck von Titan ist zwar sehr vielversprechend, bringt jedoch einige Herausforderungen mit sich, die unbedingt erwähnt werden sollten. Zunächst einmal sind die Produktionskosten aufgrund des Preises der Titanlegierungen hoch, die teurer sind als andere Materialien, die für die additive Fertigung verwendet werden. Diese Kosten sind auch auf die Komplexität des Druckverfahrens und die Notwendigkeit der Nachbearbeitung der Teile zurückzuführen. Außerdem gibt es weniger Titanlegierungen für den 3D-Druck als für andere Metalle, was die Beschaffung erschweren und die Kosten erhöhen kann. Schließlich müssen Titanteile nach dem Drucken oft noch sorgfältig nachbehandelt werden, z. B. durch das Entfernen von Halterungen, Wärmebehandlung und Polieren, um die gewünschte Qualität zu erreichen. Diese zusätzlichen Schritte erhöhen nicht nur die Produktionszeit, sondern auch die Kosten.

Welche Anwendungen gibt es für den 3D-Druck von Titan?

In der Luft- und Raumfahrtindustrie hat sich der 3D-Druck von Titan für die Herstellung von Schlüsselkomponenten wie Turbinenschaufeln, Halterungen und Strukturteilen durchgesetzt. Das Metall wird wegen seiner einzigartigen Kombination aus Leichtigkeit, Festigkeit und Beständigkeit gegen extreme Temperaturen geschätzt. In der Medizintechnik wird Titan aufgrund seiner biokompatiblen Eigenschaften und seiner Beständigkeit gegen Korrosion seit langem verwendet. Von Prothesen bis hin zu individuell angepassten Implantaten hat diese Technologie den medizinischen Sektor verändert, da sie bessere Ergebnisse liefert und die Operationszeit verkürzt, wie die Beispiele der von Amnovis oder Eplus3D hergestellten Implantate zeigen.

Implantate aus Titan, hergestellt von Amnovis.(Bild: Amnovis)

Auch die Automobilindustrie setzt zunehmend auf den 3D-Druck von Titan, um das Gewicht von Fahrzeugen zu reduzieren und ihre Kraftstoffeffizienz zu verbessern. Diese Technologie wird zur Herstellung von Motorkomponenten, Abgassystemen, Aufhängungsteilen und sogar Teilen des Fahrgestells verwendet. Schließlich wird sie auch auf andere Industriezweige wie Werkzeuge, Schablonen und Befestigungen ausgeweitet. Denn sie ermöglicht die Herstellung von Werkzeugen und komplexen Strukturen, die auf spezifische Bedürfnisse zugeschnitten sind.

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*Titelbildnachweis: Materialise