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最有深度的文章!鈦合金3D金屬列印技術與其未來趨勢(Ti6Al4V)
December 15,2023
自20世紀90年代起，3D打印技術基於高能量熱熔覆技術和快速原型技術發展，相較於傳統製造技術，其減少了複雜工序和時間消耗，特別是在處理結構複雜的部件時，能提供更高的製造精度。使用3D打印技術生產的鈦合金零部件，不僅強度高、尺寸精準，還具有超越傳統鍛造工藝的機械性能。鈦合金廣泛應用於生物醫學、航空航天和精密儀器等領域，得益於其出色的生物相容性和機械性能。
〈延伸閱讀：金屬3D列印怎麼做? 製程關鍵因素一次帶你看！〉
金屬3D列印製程種類
隨著增材製造技術的發展，不同的鈦合金製造技術有其獨特之處：
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雷射選區熔化成形技術 (SLM)：這種技術使用高能雷射束在鈦粉末上逐層熔化，精確控制熔化過程，適用於製造高精度和複雜結構的零件。
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電子束熔絲成形技術 (EBM)：使用電子束作為熱源，熔化金屬絲材進行堆積，適合製造大型結構零件，但相較於SLM，精度略低。
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雷射立體成形技術 (LMD)：通過雷射束熔化金屬粉末，同時進行堆積和固化，適合修補或增強現有零件。
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電子束選取熔化成形技術：類似於SLM，但使用電子束作為熱源，適用於製造精密零件，尤其在需要控制微結構時。
每種技術皆具獨特優勢，選擇應考量零件需求、成本及效率。
目前最成熟的技術為雷射選區熔化成形技術（SLM），亦是峰群國際科技的專長。此技術在精密度與效率上提供無可比擬的優勢，適用於高規格的製造需求。
金屬3D列印步驟
金屬3D列印中的鈦合金SLM製程（Selective Laser Melting）主要包括以下幾個步驟：
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設計和準備: 使用CAD軟體設計所需部件的三維模型，並轉換成適合3D列印的格式。
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粉末布置: 在3D列印機的工作平台上鋪設一層細小的鈦合金粉末。
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雷射熔化: 高功率雷射按照CAD模型逐層掃描粉末，將其精確地熔化並固化。
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層層疊加: 每熔化一層後，工作平台下降一個層厚，再鋪設一層新的粉末，重複雷射熔化過程。
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後處理: 列印完成後，去除未熔化的粉末，進行必要的後處理，如去除支撐結構、表面處理等。
SLM製程能製造出極高密度和強度的鈦合金零件，廣泛應用於航空、汽車、醫療等領域。
〈延伸閱讀：SLM金屬3D列印是什麼？快速帶你了解〉
峰群國際科技金屬3D列印鈦合金Ti6Al4V技術數據表
| 分類 | 指標 | 值 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 一般處理數據 | 可實現精度 | ±50微米 | -成型範圍:350x350x420mm |
| 最小壁厚 | 約0.3-0.4毫米 (0.012-0.016英寸) | - | |
| 表面粗糙度 | Ti64_30_030_default.job | Ra 9 - 12 μm, Rz 40 - 80 μm | - |
| Ti64 Performance層厚 (30 μm) | Ra 0.36 – 0.47 x 10^-3 inch, Rz 1.6 – 3.2 x 10^-3 inch | - | |
| Ti64 Speed 1.0 層厚(60 μm) | 9 mm^3/s (32.4 cm^3/h) 1.98 in^3/h | - | |
| 容積率 | Ti64_30_030_default.job | 3.75 mm^3/s (13.5 cm^3/h) | - |
| Ti64 Performance層厚 (30 μm) | 0.82 in^3/h | - | |
| Ti64 Speed 1.0 層厚(60 μm) | 9 mm^3/s (32.4 cm^3/h) 1.98 in^3/h | - | |
| 物理和化學性質 | 材料成分 | 鈦, 鋁, 釩等 | 鋁(5.5-6.75%), 釩(3.5-4.5%) |
| 相對密度 | 約100% | - | |
| 密度 | 4.41克每立方厘米 0.159 磅每立方英寸 | - | |
| 機械性能 | 极限抗拉強度 (XY/Z) | 1230/1200 ± 50 MPa | 熱處理後最小值 1050/1060 ± 20 MPa |
| 斷裂伸長率 (XY/Z) | 10/11 ± 2/3 % | 熱處理後最小值 14/15 ± 1 % | |
| 硬度 | 320 ± 12 HV5 | - | |
| 最高工作溫度 | 約350℃ / 600°F | - |
鈦合金Ti6Al4V列印難點
在金屬3D列印領域，鈦合金Ti6Al4V因其卓越的強度與耐腐蝕性成為熱門選擇。然而，它的列印難度亦隨之增加，主要體現在以下幾方面：先進設備需求、精確氣氛控制與粉末品質。高規格的設備可以確保雷射精準熔化材料，而嚴格的氣氛控制則是為了避免鈦合金氧化，確保列印品質。此外，粉末的潔淨度與含氧量對最終產品的機械性能有著直接影響，因此對粉末的處理和存儲要求格外嚴格。這些挑戰使得鈦合金Ti6Al4V的金屬3D列印成為一項精密工藝。
鈦合金與3D列印的結合
鈦合金Ti6Al4V以其卓越強度、輕量特性及抗腐蝕能力，在增材製造中備受青睞，成為航空航天、醫療植入物、高性能運動器材等領域的重要材料。3D列印技術的進步使得鈦合金應用更加多樣化，提供了個性化解決方案與更有效的材料利用，打破傳統製造的設計限制，為複雜結構與精密部件的生產帶來革命性突破。
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