Vue d'ensemble Impression 3D de poudre de titane
Le titane est un métal solide, léger et résistant à la corrosion, idéal pour l'impression 3D de géométries complexes destinées à l'aérospatiale, à l'automobile, à la médecine et à d'autres applications exigeantes. La poudre de titane peut être utilisée pour imprimer des pièces métalliques de pleine densité dotées d'excellentes propriétés mécaniques à l'aide de technologies de fusion sur lit de poudre telles que la fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM).
Cet article fournit un guide complet sur la poudre de titane pour l'impression 3D, couvrant la composition, les propriétés, les spécifications, les applications, les avantages et les inconvénients, les fournisseurs, les coûts, et plus encore.
Composition des Impression 3D de poudre de titane
La poudre de titane pour la fabrication additive est presque entièrement constituée de l'élément titane. Cependant, de petites quantités d'autres éléments tels que l'aluminium, le vanadium, le fer, l'oxygène, l'azote et le carbone peuvent être présents.
Grades de titane pour la fusion en lit de poudre
| Grade | Composition |
|---|---|
| Ti 6Al-4V | 90% titane, 6% aluminium, 4% vanadium |
| Ti 6Al-4V ELI | Identique à Ti 6Al-4V mais avec des limites inférieures pour l'oxygène interstitiel, le fer et l'azote. |
| Titane commercialement pur Grade 1 | 99.2% Minimum Titanium |
| Titane commercialement pur Grade 2 | 99,5% Minimum Titanium |
| Titane commercialement pur Grade 3 | 99.8% Minimum Titanium |
| Titane commercialement pur Grade 4 | 99,9% Minimum Titanium |
Le Ti 6Al-4V est la nuance la plus couramment utilisée aujourd'hui dans la fabrication additive en raison de son excellent rapport poids/résistance, de sa soudabilité et de sa résistance à la corrosion. La variante ELI présente une ductilité et une ténacité à la rupture améliorées.
Les qualités de titane commercialement pur ont une résistance plus faible mais une meilleure biocompatibilité pour les implants médicaux. Le titane de grade 5, dont la teneur en oxygène est plus élevée, n'est généralement pas utilisé pour la fusion sur lit de poudre.
Propriétés de Impression 3D de poudre de titane les pièces
Les pièces en titane imprimées en 3D peuvent atteindre des propriétés similaires ou supérieures à celles du titane fabriqué traditionnellement, avec l'avantage supplémentaire de la liberté de conception.
Propriétés mécaniques
| Propriété | Ti 6Al-4V | Ti 6Al-4V ELI | CP Ti Grade 2 |
|---|---|---|---|
| Résistance à la traction | 930 - 1050 MPa | 860 - 965 MPa | 345 - 485 MPa |
| Limite d'élasticité | 825 - 890 MPa | 795 - 875 Mpa | ≥ 275 MPa |
| Allongement à la rupture | 8 – 15% | ≥10% | 20% |
| Résistance à la fatigue | ≥ 400 MPa | ≥ 550 MPa | 275 - 550 MPa |
| Résistance à la rupture | 55 - 115 MPa√m | ≥ 100 MPa√m | N/A |
Le titane imprimé en 3D présente une rigidité, une dureté et une résistance à l'usure comparables aux méthodes traditionnelles de fabrication du titane. Le post-traitement, comme le pressage isostatique à chaud (HIP), peut encore améliorer les propriétés du matériau.
Avantages
- Rapport résistance/poids élevé
- Résistance à la corrosion
- Biocompatibilité et ostéointégration
- Liberté de conception pour l'optimisation de la topologie
- Réduction des déchets par rapport aux méthodes soustractives
- Les canaux de refroidissement conformes permettent d'améliorer les performances
Limites
- La forte réactivité à l'oxygène rend la manipulation difficile
- Les défauts d'impression tels que la porosité peuvent réduire la durée de vie en fatigue
- Poudre coûteuse et difficultés de recyclage
- Un post-traitement peut être nécessaire pour atteindre les spécifications du matériau.
Spécifications de Impression 3D de poudre de titane
La poudre de titane utilisée pour la fabrication additive doit répondre à des normes strictes en matière de distribution granulométrique, de morphologie, de chimie et d'autres attributs.
Répartition par taille
| Paramètres | Valeur typique | Rôle |
|---|---|---|
| Gamme de taille des particules | 15 - 45 microns | Détermine la résolution minimale des caractéristiques, l'étalement de la poudre |
| D10 | 20 microns | Indique une fraction de poudre plus fine |
| D50 | 30 microns | Taille médiane des particules |
| D90 | 40 microns | Indique des particules plus grosses |
| Densité apparente | 2,7 g/cc | Densité du lit de poudre, affecte la reproductibilité |
La poudre doit avoir une morphologie quasi-sphérique avec peu de satellites pour un bon étalement de la poudre. La composition chimique doit être conforme aux spécifications du grade avec de faibles niveaux d'impuretés.
Autres caractéristiques essentielles
- Capacité d'écoulement
- Teneur en oxygène et en azote résiduels
- Cohérence de la densité apparente et de la densité tap
- Recyclabilité
- Compatibilité chimique avec le procédé
- Caractéristiques de maniabilité
Le respect d'exigences de qualité rigoureuses pour chaque paramètre est essentiel pour une fabrication sans défaut.
Applications de Impression 3D de poudre de titane
L'impression 3D élargit la liberté de conception du titane, ce qui favorise son adoption dans des secteurs tels que.. :
Aérospatiale
- Supports structurels
- Treillis légers
- Composants du moteur
Automobile
- Matériel de sport automobile
- Pièces personnalisées
Médical et dentaire
- Implants orthopédiques
- Instruments chirurgicaux
- Prothèses spécifiques aux patients
Pétrole et gaz
- Vannes résistantes à la corrosion
- Raccords de tuyauterie personnalisés
Produits de consommation
- Équipements sportifs
- Boîtiers de montres
- Montures de lunettes
Une topologie optimisée et un refroidissement conforme permettent d'améliorer les performances de nombreuses pièces imprimées en titane.
Fournisseurs de poudre de titane pour l'impression 3D
La plupart des fournisseurs de poudre de titane proposent une qualité Ti 6Al-4V adaptée à la fabrication additive. Certains proposent également des services de conception d'alliages personnalisés.
Principales entreprises de poudre de titane
| Entreprise | Années d'études proposées | Services |
|---|---|---|
| AP&C | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Développement d'alliages sur mesure |
| Tekna | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Sphéroïdisation avancée du plasma |
| Additif pour charpentier | Ti 6Al-4V, Ti 6Al-4V ELI | Tests d'assurance qualité approfondis |
| Praxair | Ti 6Al-4V | Atomisation de l'azote |
| Époque | Titane commercialement pur | Commandes de petites quantités |
De nombreux équipementiers d'imprimantes 3D, comme EOS et SLM Solutions, proposent également des poudres de titane associées. Les poudres recyclées sont moins coûteuses mais présentent des niveaux d'impureté plus élevés.
Coût de la poudre de titane
| Grade | Morphologie | Fourchette de prix |
|---|---|---|
| Ti 6Al-4V | Sphérique | $350-$1000 par kg |
| Ti 6Al-4V ELI | Sphérique | $500-$2000 par kg |
| CP Ti grade 1-4 | Irrégulier | $100-$500 par kg |
Le coût dépend en grande partie du volume des commandes, de la qualité, des marges des fournisseurs et du recyclage.
Avantages et inconvénients de Impression 3D de poudre de titane
Avantages de l'impression 3D de titane
- Excellentes propriétés mécaniques
- Haute biocompatibilité
- Résistance à la corrosion et à la chaleur
- La faible densité permet des conceptions légères
- Liberté de conception pour l'optimisation de la topologie
- Délai d'exécution plus court pour les pièces personnalisées
- Réduction des déchets par rapport à l'usinage
Inconvénients de l'impression 3D de titane
- La poudre de titane est chère
- La réactivité pose des problèmes de manipulation
- Les défauts de porosité peuvent limiter la résistance à la fatigue
- Un post-traitement peut être nécessaire
- Le recyclage de la poudre présente des risques de contamination
- Base de fournisseurs limitée pour la qualité aérospatiale
Grâce aux améliorations constantes de la technologie, de la productivité et de la qualité, l'impression 3D permet des cas d'utilisation du titane qui ne sont pas réalisables par d'autres méthodes.
Comparaison des procédés d'impression du titane
Les technologies de fusion sur lit de poudre telles que la fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM) sont principalement utilisées aujourd'hui pour imprimer du titane en 3D.
Fusion sélective par laser (SLM)
- Résolution et finition de surface plus élevées
- Possibilité de construire plus rapidement
- Taille limitée de la chambre de construction
Fusion par faisceau d'électrons (EBM)
- Construction de pièces entièrement denses sous vide
- Excellentes propriétés mécaniques
- Possibilité de construire des volumes plus importants
- Vitesse de construction inférieure à celle du SLM
Dépôt d'énergie dirigée (DED)
- Réparation des composants existants
- Ajout de caractéristiques aux pièces moulées ou forgées
- Combinaison de l'impression 3D et de l'usinage
- Porosité plus élevée que les méthodes de lit de poudre
Chaque procédé présente des avantages et des inconvénients pour l'impression du titane. La fabrication hybride combinant les procédés offre une certaine flexibilité.
Normes pour la poudre de titane et les pièces imprimées
Les normes de qualité continuent d'évoluer avec le rythme rapide des progrès de la fabrication additive métallique. Voici quelques-unes des normes les plus importantes :
- ASTM F2924 - Spécification standard pour la fabrication additive de titane-6 aluminium-4 vanadium par fusion sur lit de poudre
- ASTM F3001 - Spécification standard pour la fabrication additive de titane-6 aluminium-4 vanadium ELI (extra low interstitial) par fusion sur lit de poudre
- ASTM F3184 - Spécification standard pour la fabrication additive d'alliages d'acier inoxydable par fusion sur lit de poudre
- ISO/ASTM 52921 - Terminologie normalisée pour la fabrication additive
Ces normes consensuelles volontaires aident à définir les critères d'acceptation des attributs critiques des poudres et des pièces imprimées. La qualification des pièces par l'utilisateur en fonction de l'application reste essentielle.
FAQ
Quel est le meilleur alliage de titane pour l'impression 3D ?
Le Ti 6Al-4V est actuellement la poudre d'alliage de titane la plus utilisée pour la fabrication additive en raison de ses excellentes propriétés mécaniques et de sa résistance à la corrosion, combinées à sa disponibilité commerciale. Le Ti 6Al-4V ELI offre une meilleure résistance à la rupture.
Quelles méthodes permettent d'imprimer en 3D des pièces en titane ?
La fusion sélective par laser (SLM) et la fusion par faisceau d'électrons (EBM) sont les principales technologies de fusion sur lit de poudre utilisées pour l'impression du titane. Les méthodes de dépôt par énergie dirigée (DED) sont également possibles mais présentent une plus grande porosité.
Le titane a-t-il besoin de supports pour l'impression 3D ?
Oui, le titane nécessite des supports pendant l'impression car il se solidifie rapidement. Des supports soigneusement optimisés sont nécessaires pour éviter les défauts de surface et le gaspillage de matériau, tout en assurant un ancrage adéquat.
Est-il plus économique d'imprimer en 3D ou d'usiner le titane ?
Pour les pièces uniques personnalisées, l'impression 3D du titane est souvent moins chère car elle ne nécessite pas d'outillage. Pour la production de masse, l'usinage CNC du titane peut avoir un coût par pièce plus faible, mais les dépenses initiales d'installation et les déchets de matériaux sont plus élevés.
Quelles sont les industries qui utilisent des pièces en titane imprimées en 3D ?
L'aérospatiale est aujourd'hui le plus grand utilisateur de l'impression de titane grâce à l'amélioration du rapport achat-vol sur les composants complexes. Les secteurs de la médecine, de l'automobile, du pétrole et du gaz, des articles de sport et des biens de consommation utilisent également le titane imprimé en 3D.
Combien coûte la poudre de titane pour l'impression 3D ?
La poudre de titane peut varier de $100 à 2000 par kilogramme en fonction de la composition, de la qualité, de la quantité commandée et d'autres facteurs. Les poudres sphériques Ti 6Al-4V et Ti 6Al-4V ELI destinées aux applications critiques sont vendues à des prix supérieurs à $500/kg.
Quels sont les exemples de pièces en titane imprimées en 3D ?
L'impression 3D permet d'obtenir des pièces innovantes en titane telles que des supports de cellule d'avion, des turbines, des composants pour les sports mécaniques, des prothèses personnalisées, des moules d'injection refroidis de manière conforme, et même des lunettes ou des bijoux grâce à des conceptions en treillis complexes.
