Содержание статьи:
С развитием технологий аддитивного производства и 3D-обработки всё большее внимание уделяется выбору материалов, которые обеспечивают оптимальное сочетание прочности, лёгкости и долговечности. Среди всех доступных металлов титан и алюминий выделяются своими уникальными характеристиками, которые делают их идеальными для 3D-обработки. В этой статье мы рассмотрим основные причины их популярности и преимущества использования.
Когда вы думаете про идеальные характеристики материалов для изготовления деталей, на ум приходят легкий вес и прочность. Естественно, это алюминий и титан. Они обладают и другими важными характеристиками, такими как превосходная устойчивость к коррозии и теплостойкость. Используя 3D-печать или обработку на станках с ЧПУ, эти два металла оказались невероятно универсальными для изготовления деталей в различных отраслях промышленности.
Алюминий и титан оба легкие, но по разным причинам. Низкий удельный вес алюминия (2,7 г/см3) означает, что он значительно легче таких аналогов, как сталь, которая примерно в три раза тяжелее. Хотя титан примерно на две трети тяжелее алюминия, присущая ему прочность означает, что его требуется меньше. На самом деле, для получения той же физической прочности, что и в случае с алюминием, требуется в разы меньше титана. Титан используется, например, в реактивных двигателях самолетов, а также в космических кораблях. Его прочность и легкий вес снижают затраты на топливо.
Различия между алюминием и титаном
Поскольку оба материала обладают высокой прочностью и малым весом, при выборе сплава для изготовления деталей важно обратить внимание на другие отличительные характеристики:
- Прочность/вес: в критических ситуациях, когда важен каждый грамм, но нужны прочные детали, титан — это то, что нужно. Титановые медицинские компоненты, сложные спутниковые компоненты, приспособления и кронштейны преуспевают именно по этой причине.
- Стоимость: алюминий — самый экономически выгодный металл для обработки или 3D-печати. Хотя титан увеличивает стоимость, он все же может принести пользу. Более легкий вес деталей позволяет экономить топливо в транспортных приложениях, а титановые детали просто служат дольше.
- Тепловые свойства: приложения, требующие высокой теплопроводности, например, теплоотводы, выиграют от применения алюминия. Для высокотемпературных применений высокая температура плавления титана выгодна там, где жаропрочность является приоритетом, например, в компонентах аэрокосмических двигателей.
- Устойчивость к коррозии: и алюминий, и титан обладают превосходной коррозионной стойкостью.
Устойчивость титана к коррозии и отсутствие реакционной способности делает его самым биосовместимым металлом, поэтому он отлично подходит для применения в медицине, например, в хирургических инструментах. Титан 6-4 также хорошо переносит соленую среду и часто используется в морской технике.
Сравнительная таблица титана и алюминия
| Характеристика | Титан | Алюминий |
|---|---|---|
| Прочность | Высокая | Средняя |
| Вес | Лёгкий | Очень лёгкий |
| Коррозионная стойкость | Отличная | Хорошая |
| Стоимость | Высокая | Доступная |
| Биосовместимость | Высокая | Низкая |
| Области применения | Авиация, медицина, космос | Авиация, автомобильная индустрия |
Применение алюминия
Алюминий встречается повсюду — это самый распространенный металл на планете. Тонкий слой оксида алюминия, который образуется на нем при контакте с воздухом, делает его практически не подверженным коррозии, а его легкий вес помогает вашим деталям не превращаться в якорь. Хотя алюминий обычно не реагирует на кислоты, в щелочной (основной) среде он подвержен коррозии.
В целом, алюминий находит свое применение в авиации и строительных материалах, таких как не несущие каркасы. Более конкретно, 6082 используется для изготовления велосипедных рам, баллонов для подводного плавания, рыболовных катушек, небольших лодок и рам автомобилей. Более прочные свойства 7075 делают его идеальным для изготовления форм для пластмасс и оснастки, а также каркасов самолетов. Если вам нужен хороший проводник электричества, алюминий справится с этой задачей. Он обладает отличной способностью передавать тепло, что делает его превосходным для теплоотводов.
Алюминиевый сплав, используемый в нашем процессе прямого лазерного спекания металлов (DMLS), AlSi10Mg, добавляет кремний и магний. Он часто используется для литья и наиболее похож на сплав серии 3000, учитывая добавление магния в качестве основного легирующего элемента. Свойства 3D-печати алюминия превосходят свойства его литого аналога, за исключением более низкого удлинения при разрыве.
Алюминий для 3D-обработки: преимущества
Алюминий — ещё один лидер среди материалов для 3D-обработки. Его популярность обусловлена уникальной комбинацией свойств, которые делают этот металл универсальным для различных применений:
- Лёгкость. Алюминий является одним из самых лёгких металлов, что делает его отличным выбором для деталей, где важен минимальный вес, например, в авиации и космонавтике.
- Хорошая теплопроводность. Этот металл идеально подходит для создания радиаторов, систем охлаждения и других деталей, где требуется эффективное управление температурой.
- Устойчивость к коррозии. Алюминий формирует естественный оксидный слой, который защищает его от коррозии, что делает его надёжным для использования в наружных конструкциях.
- Экономичность. Производство и обработка алюминия обходятся дешевле, чем титана, что делает его доступным для массового использования.
Применение титана
Титан также является одним из самых распространенных металлов на Земле, но его температура плавления настолько высока, что его трудно переработать в пригодный для использования продукт. Это основная причина, по которой он дороже других металлов. Титановые детали имеют дополнительные затраты, поскольку их трудно обрабатывать. Титан известен своей прочностью и имеет высокое соотношение прочности к весу. Он также обладает отличной коррозионной стойкостью и столь же плохим электропроводником.
Одним из достоинств титана является низкое тепловое расширение. Имея температуру плавления около 1 660 градусов Цельсия, при воздействии тепла он лучше сохраняет свою форму. Кроме того, титан не поглощает тепло, а отражает его, поэтому его можно встретить в окнах с низким коэффициентом теплопроводности, отражающих нагревающие инфракрасные лучи солнца.
Что касается внешнего вида, то цвет титана варьируется в зависимости от степени его обработки. Он может варьироваться от тускло-серого в необработанном виде до блестящего серебристого в гладком. В нашем процессе DMLS используется титан Ti 6Al4V, чаще называемый Ti 6-4. По механическим свойствам он схож с титаном марки 23 в отожженном состоянии и обладает исключительной прочностью на разрыв.
Титан для 3D-обработки: преимущества
Титан занимает особое место среди металлов благодаря своей высокой прочности, коррозионной стойкости и лёгкости. Вот основные причины, по которым титан востребован в 3D-печати и обработке:
- Высокое соотношение прочности к весу. Титан — это металл, который весит значительно меньше, чем сталь, но обладает схожей прочностью. Это делает его незаменимым в таких отраслях, как авиация, медицина и автомобильная промышленность.
- Коррозионная стойкость. Титан практически не подвержен коррозии, что особенно важно для деталей, которые эксплуатируются в агрессивных средах, таких как морская вода или химически активные вещества.
- Биосовместимость. Этот металл используется в медицинской индустрии для создания имплантатов и протезов благодаря его способности хорошо взаимодействовать с тканями организма.
- Прецизионная обработка. Титан идеально подходит для сложных конструкций, создаваемых методом 3D-печати. Он сохраняет свои свойства даже при обработке мелких деталей.
Зачем обрабатывать алюминий и титан
Фрезерная и токарная обработка с ЧПУ — это проверенные временем способы производства алюминиевых и титановых деталей. Эти процессы быстрые — часто детали изготавливаются менее чем за день — и соответствуют допускам +/-0,1 мм. Если вам нужно быстро изготовить прототип детали, алюминий выделяется своей низкой стоимостью и высоким качеством. Однако механическая обработка несколько ограничена с точки зрения геометрии, поэтому чрезвычайно сложные конструкции требуют другого решения, такого как DMLS, независимо от того, какой материал вы выберете.
Один из факторов, о котором вы, возможно, не задумывались при выборе материала, — это отходы обработки. Если для недорогого алюминия фрезерование лишнего материала вполне подходит, то для дорогого титана оно не идеально. В связи с этим инженеры часто предпочитают изготавливать прототипы из алюминия, а затем переходить на титан для производства деталей. Обработка алюминия популярна в автомобильной промышленности, где облегчение конструкции является ключевым фактором для повышения экономии топлива и минимизации влияния на производительность.
Зачем обрабатывать изделия из алюминия и титана в 3D
DMLS — это процесс аддитивного производства. Используя плавящийся лазер для сварки порошкообразного металла, он формирует детали слой за слоем. Главное преимущество DMLS заключается в том, что вы можете создавать детали с невероятно сложной геометрией, такие как соты и сетчатые структуры. Механическая металлообработка просто не может сравниться с гибкостью конструкции DMLS, независимо от того, какой металл используется.
Если вам нужны детали из титана, то одно преимущество, о котором вы, возможно, не задумывались, связано с его стоимостью. Использование порошка означает, что в итоге практически не остается отходов металла. Более того, хотя производственные затраты при использовании DMLS несколько выше, детали обеспечивают ценность за счет сочетания прочности и снижения веса. Также DMLS позволяет объединять отдельные части узлов в единую прочную деталь. Это экономит время сборки и уменьшает количество материалов в спецификации (BOM).
Почему титан и алюминий лидируют в 3D-обработке
Оба металла обладают рядом уникальных характеристик, которые делают их идеальными для использования в аддитивных технологиях. Титан незаменим там, где важны прочность и долговечность, а алюминий подходит для массового производства благодаря своей лёгкости и низкой стоимости.
Применение титана и алюминия в 3D-обработке
- Авиация и космос. Лёгкость и прочность делают эти металлы идеальными для создания сложных деталей, таких как шасси, топливные баки и обшивка самолётов.
- Медицина. Титан широко используется для изготовления имплантатов, включая зубные и ортопедические конструкции.
- Автомобильная промышленность. Алюминий используется для производства лёгких и прочных компонентов, таких как колёса, рамы и двигатели.
Заключение
Титан и алюминий — это лучшие металлы для 3D-обработки благодаря их уникальным физическим свойствам. Они открывают новые возможности для производства деталей с высокой точностью, лёгкостью и долговечностью. Выбор между ними зависит от конкретных требований проекта, будь то необходимость в максимальной прочности или минимальных затратах.
