{"id":26906,"date":"2021-02-12T00:01:29","date_gmt":"2021-02-11T23:01:29","guid":{"rendered":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/?p=26906"},"modified":"2021-02-10T14:00:47","modified_gmt":"2021-02-10T13:00:47","slug":"titan-3-druck-ti6ai4v-090220211","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.3dnatives.com\/de\/titan-3-druck-ti6ai4v-090220211\/","title":{"rendered":"Titanlegierung Ti6Al4V im 3D-Druck: Welche Eigenschaften hat sie?"},"content":{"rendered":"

Titan und seine Legierungen sind hochgesch\u00e4tzte Metalle im Bereich der additiven Fertigung<\/a>, von denen die Legierung Ti6Al4V die Wichtigste ist. Titan ist ein metallischer Werkstoff, der in der Natur gebunden\u00a0als Oxid, genauer gesagt in Rutil (TiO2) oder Ilmenit (FeTiO3), <\/span>vorkommt. Die Gewinnung von Reintitan erfolgt nach dem Kroll-Verfahren. In grundlegender und vereinfachter Form besteht sie aus der Extraktion von Titantetrachlorid (TiCl4) durch Chlorierung bei 1000 \u00baC in Gegenwart von Kohlenmonoxid, das dann durch Magnesium oder gemahlenem Natrium in einer inerten Atmosph\u00e4re bei einer Temperatur zwischen 800 und 850 \u00baC reduziert wird, wodurch man reines Titan erh\u00e4lt. Die hohe Reaktivit\u00e4t von Titan macht es schwierig, es als reines Metall zu erhalten, daher wird eine Probe mit 99,9 % Reinheit kommerziell als Reintitan eingestuft. Deshalb wird es meist in Kombination mit anderen Elementen verwendet, um eine Legierung zu bilden.<\/span><\/p>\n

Die wichtigsten Eigenschaften von Titan sind die hohe Festigkeit, die geringe Dichte und die ausgezeichnete Korrosionsbest\u00e4ndigkeit. Das macht Titan und seine Legierungen zu attraktiven Werkstoffen f\u00fcr verschiedene Bereiche wie zum Beispiel Luft- und Raumfahrt oder Medizintechnik. Der einzige erhebliche Nachteil von Titan ist sein hoher Preis. Dar\u00fcber hinaus haben die Werkstoffe aufgrund der Eigenschaften ihrer Legierungen ein gro\u00dfes Potenzial f\u00fcr die Herstellung von Teilen und Elementen durch additive Fertigung.<\/p>\n

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Ein 3D-gedruckter Bremssattel aus Titan (Bildnachweis: Bugatti)<\/p><\/div>\n

Klassifizierung und Arten von Titan-Legierungen<\/h3>\n

Titanlegierungen werden in drei Gruppen eingeteilt: \u03b1, \u03b1 + \u03b2 und \u03b2<\/strong>, abh\u00e4ngig von der Phase oder den Phasen, die im Mikrogef\u00fcge der Legierung vorhanden sind. Aber was ist denn nun eine Mikrostruktur und eine Phase? Die Mikrostruktur<\/strong> ist die Struktur eines Materials, die unter einem Licht- oder Elektronenmikroskop sichtbar ist. Sie gibt Auskunft \u00fcber die Gr\u00f6\u00dfe, Form und Ausrichtung der einzelnen Kristalle oder K\u00f6rner, aus denen ein Material besteht. Diese Mikrostruktur bestimmt weitgehend die Eigenschaften des Materials. Im Gegensatz dazu ist eine Phase<\/strong> ein Bereich des Materials mit homogenen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Ebenso unterscheidet sie sich als solches in ihrer Mikrostruktur und\/oder Zusammensetzung von einem anderen Bereich. Beide Eigenschaften des Materials h\u00e4ngen von der Abk\u00fchlgeschwindigkeit vom fl\u00fcssigen in den festen Zustand und von der angewandten W\u00e4rmebehandlung ab.<\/span><\/p>

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Die Einteilung in die einzelnen Gruppen h\u00e4ngt von den Elementen ab, mit denen Titan kombiniert wird. Die \u03b1-Typ-Legierungen werden von \u03b1-stabilisierenden Elementen (Aluminium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff) dominiert. \u03b1-Legierungen zeichnen sich durch ihre – im Vergleich zu anderen Legierungen – geringen mechanischen Eigenschaften und ihre hervorragende Korrosionsbest\u00e4ndigkeit aus. Die am h\u00e4ufigsten verwendeten Legierungen in dieser Gruppe sind Ti3Al2.5V und Ti5Al2.5V. Legierungen vom \u03b2-Typ wurden entwickelt, um die mechanischen Eigenschaften des Materials zu verbessern. Diese Legierungen, unter anderem Ti10.2.3, Ti555.3 und Ti17, enthalten \u03b2-Stabilisatoren (Eisen, Molybd\u00e4n, Vanadium).<\/p>\n

Schlie\u00dflich sind die Legierungen vom Typ \u03b1 + \u03b2 die am meisten untersuchten und enthalten sowohl \u03b1-stabilisierende als auch \u03b2-stabilisierende Elemente, was zu einer gemischten Mikrostruktur mit einer guten Kombination von Eigenschaften f\u00fchrt. Die am weitesten verbreitete Legierung ist Ti6Al4V<\/strong>, die aufgrund der Ausgewogenheit zwischen mechanischer Festigkeit, Duktilit\u00e4t, Erm\u00fcdungsfestigkeit und Bruchz\u00e4higkeit 56 % des gesamten Ti-Marktes einnimmt. Nach Legierungstyp kann die Marktauslastung in 26% aus \u03b1, 4% aus \u03b2 und 70% aus \u03b1 + \u03b2 unterteilt werden.<\/p>\n

\"Ti6Al4V\"

Links, eine gleichachsige Ti6Al4V-Mikrostruktur (Zustand wie ohne W\u00e4rmebehandlung). Rechts, das Ti6Al4V-Phasendiagramm<\/p><\/div>\n

Ti6Al4V-Legierung im 3D-Druck<\/h3>\n

Was den allgemeinen Markt betrifft, ist die Legierung Ti6Al4V aufgrund ihrer hohen Festigkeit, geringen Dichte, hervorragenden Korrosionsbest\u00e4ndigkeit und hohen Biokompatibilit\u00e4t die am h\u00e4ufigsten verwendete Legierung im 3D-Druck. Diese Kombination von Eigenschaften macht es zu einem Produkt, das unter anderem in der Automobil-<\/a>, Luft- und Raumfahrt-, (Bio-)Medizin-, Chemie- und Milit\u00e4rindustrie eingesetzt wird.<\/p>\n

Der 3D-Druck von Teilen mit Ti6Al4V beginnt mit der Legierung in Pulverform. Hierf\u00fcr werden haupts\u00e4chlich zwei Techniken verwendet: Plasma-Zerst\u00e4ubung oder Gas-Zerst\u00e4ubung. Die Plasmazerst\u00e4ubung<\/strong> wird f\u00fcr die Herstellung von reaktivem Materialpulver (Ti6Al4V) verwendet. Die Technik besteht darin, Dr\u00e4hte der Legierung in den Trichter des Spr\u00fchger\u00e4ts einzuf\u00fchren. Diese werden von einem Plasmaschwei\u00dfger\u00e4t geschmolzen und w\u00e4hrend das geschmolzene Metall herunterf\u00e4llt, erstarrt es zu kugelf\u00f6rmigen Partikeln. Die Gaszerst\u00e4ubung<\/strong> ist die am h\u00e4ufigsten verwendete Technik. Bei dieser Technik wird das geschmolzene Material in eine D\u00fcse eingef\u00fchrt und in einem Inertgasstrom (Ar oder N) zerkleinert. Der Gasstrom verfestigt das geschmolzene Material und erzeugt kugelf\u00f6rmige Partikel, die sich am Boden der Kammer absetzen und sammeln.<\/p>\n

\"Ti6Al4V\"

In-Ohr-Kopfh\u00f6rer aus 3D-Titan gedruckt (Bildnachweis: Unique Melody)<\/p><\/div>\n

Die Herstellungsverfahren f\u00fcr Metallpulver, in diesem Fall Ti6Al4V, sind sehr wichtig, da sie die Partikelgr\u00f6\u00dfe und die Eigenschaften des Metallpulvers bestimmen, was wiederum die Eigenschaften des 3D-gedruckten Teils oder des endg\u00fcltigen Elements bestimmen. Derzeit sind drei Arten von Ti6Al4V-Pulver auf dem Markt: TC4 gem\u00e4\u00df GB\/T 3620.1-2017, Ti6Al4V grade 5 und Ti6Al4V grade 23 gem\u00e4\u00df ASTM B348-13. Die drei Typen unterscheiden sich in ihrer Partikelgr\u00f6\u00dfen-Verteilung, die die Mindestdicke der gedruckten Schicht begrenzt. Die gebr\u00e4uchlichsten 3D-Druckverfahren mit Ti6Al4V sind DMLS und SLM<\/a>, abh\u00e4ngig von der Art des Teils und seinen gew\u00fcnschten Eigenschaften.<\/p>\n

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