Mikrofabrikation von Titanlegierungen: Additive vs. subtraktive Fertigung

Titanlegierung zeichnet sich durch hohe spezifische Festigkeit, starke Korrosionsbeständigkeit und gute Biokompatibilität aus und ist ein ideales Material für die Herstellung von Metallmikrostrukturen. Allerdings weisen Titanlegierungen eine geringe Wärmeleitfähigkeit, einen kleinen Elastizitätsmodul und eine starke chemische Affinität auf und sind zudem typische schwer zerspanbare Materialien.

Auf der Grundlage der Analyse der Verarbeitungseigenschaften von Mikrostrukturteilen aus Titanlegierungen, Tuofa CNC-Bearbeitung überprüfte die Mikrofertigungstechnologie von Titanlegierungen gemäß den Umformmethoden für additive, gleiche und subtraktive Materialien und stellte die jeweiligen Umformprinzipien und Prozesseigenschaften vor. Außerdem wird die zukünftige Entwicklungsrichtung der Mikrofabrikationstechnologie aus Titanlegierungen vorgestellt.

Umformprinzip und Prozesseigenschaften einer Titanlegierung

Präzision und Miniaturisierung sind wichtige Entwicklungsrichtungen der modernen Fertigung. Als wichtige Leichtbaulegierung zeichnet sich Titanlegierung durch eine hohe spezifische Festigkeit, starke Korrosionsbeständigkeit und gute Biokompatibilität aus und gilt als ideales Material für die Herstellung von Metallmikrostrukturen [1]. Mit der Entwicklung der Fertigungstechnologie werden Titanlegierungen zwangsläufig mehr Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Biomedizin und bei Präzisionsinstrumenten finden.

Allerdings weist die Titanlegierung selbst eine geringe Wärmeleitfähigkeit, einen kleinen Elastizitätsmodul und eine starke chemische Affinität bei hohen Temperaturen auf, was ein typisches schwer zu bearbeitendes Material ist [2,3]. Gleichzeitig sind Metallmikrostrukturteile klein, komplex in ihren Merkmalen und erfordern eine hohe Präzision und Oberflächenqualität. Herkömmliche Bearbeitungstechniken weisen im Allgemeinen eine schlechte Bearbeitungsqualität und einen schnellen Werkzeugverschleiß auf. Daher ist die Erforschung und Erforschung effizienter und hochwertiger Mikrofertigungstechnologien für Titanlegierungen zu einem aktuellen Hotspot geworden.

In diesem Artikel werden die bestehenden Methoden und Technologien zur Mikrofertigung von Titanlegierungen nach den Kategorien additive, isomaterialische und subtraktive Formung untersucht, ihre Formungsprinzipien und Prozesseigenschaften vorgestellt und die zukünftige Entwicklungsrichtung der Mikrofertigungstechnologie für Titanlegierungen dargelegt. Ausblick.

Additive Mikrofertigungstechnologie für Titanlegierungen

Die additive Mikrofertigungstechnologie für Titanlegierungen basiert auf digitalen Modellen, druckt zweidimensionale Querschnitte in einer Schutzatmosphäre und akkumuliert kontinuierliche zweidimensionale Querschnitte, um dreidimensionale Einheiten zu erhalten. Zu den gängigen additiven Fertigungstechnologien für Titanlegierungen gehören das selektive Laserschmelzen (SLM) und das selektive Elektronenstrahlschmelzen (EBM).

SING et al. [4] stellten die in Abbildung 1 gezeigte poröse Probe aus einer Titan-Tantal-Legierung mithilfe der SLM-Technologie her und stellten fest, dass die Maßhaltigkeit und die mechanischen Eigenschaften der porösen Struktur empfindlicher auf die Laserleistung reagieren; MIRANDA et al. [5] untersuchten die SLM-Technologie zur Verarbeitung dünner Wände. Der Einfluss der Verarbeitungsparameter wurde anhand eines mathematischen Modells analysiert und Mikroplatten- und Mikrosäulenstrukturen wurden unter Verwendung von Ti6Al4V als Rohmaterial hergestellt. LIU et al. [6] stellten durch EBM poröse Ti2448-Proben mit ausgezeichneter Mikrostruktur her, und dieser Test weist ein höheres Verhältnis von Festigkeit zu Modul auf.

Abb.1 Poröse Probe aus einer Ti-Tantal-Legierung, verarbeitet mit der SLM-Technologie

Durch additive Mikrofertigungstechniken hergestellte Teile weisen interne Poren auf, die sich negativ auf ihre mechanischen Eigenschaften auswirken. Darüber hinaus wird diese Technologie durch Schichtstapelung verarbeitet, und die Oberflächenrauheit der fertigen Teile ist nicht gut, und in einigen Fällen ist eine Nachbearbeitung erforderlich, um den tatsächlichen Anforderungen gerecht zu werden.

Mikrofertigungstechnologie von Titanlegierungen und anderen Materialien

Die Mikrofertigungstechnologie von Titanlegierungen und anderen Materialien ist hauptsächlich die Pulverinjektions-Mikroformungstechnologie. Bei dieser Technologie werden Pulver und Bindemittel den Verarbeitungsrohstoffen beigemischt, in bestimmte Formen gebracht und durch Entfetten, Sintern und andere Verknüpfungen werden die gewünschten Produkte erhalten. Das mit dieser Technologie hergestellte Werkstück weist eine einheitliche Zusammensetzung auf, weist im späteren Stadium weniger Abfall auf und ist für die Massenproduktion geeignet. Einige Verarbeitungsbeispiele sind in Abbildung 2 [7] dargestellt.

Abb.2 Mikroteile aus Titanlegierung, hergestellt durch Pulverinjektions-Mikroformung

Aufgrund der hohen Kosten für die Herstellung des Rohmaterials – ultrafeines sphärisches Titanpulver mit niedrigem Sauerstoffgehalt – haben MANSHADI et al. [8] untersuchten die Machbarkeit der Verarbeitung kostengünstiger alternativer Rohstoffe – Titanpulver durch Hydriddehydrierung (HDH) – und ermittelten die wichtigsten Prozessparameter der Rohstoffe: Das Endprodukt schrumpft gleichmäßig, aber der Sauerstoffgehalt ist höher als erwartet; HAYAT et al. [9] verwenden wasserlösliches Polyethylenglykol (PEG) als Hauptkomponente, Polycarbonatlacton (PPC) und Polymethylmethylacrylat (PMMA) als Hauptkettenkomponente, um ein neues Bindemittelsystem zu entwickeln, das für Titanlegierungspulver geeignet ist Injektions-Mikroformung.

Die Mikroformungstechnologie für die Injektion von Titanlegierungspulver verfügt über eine Massenproduktionskapazität. Allerdings schränken die hohen Rohstoffkosten die Förderung dieser Technologie ein. Es ist notwendig, den Herstellungsprozess von ultrafeinem kugelförmigem Pulver mit niedrigem Sauerstoffgehalt weiterzuentwickeln oder Untersuchungen zur Verarbeitungsleistung kostengünstiger alternativer Rohstoffe durchzuführen. Darüber hinaus basiert das Bindemittel für das Mikroformen von Titanlegierungspulvern in der Regel auf der Verarbeitungstechnologie anderer Pulver und kann in seinen Eigenschaften nicht vollständig mit Titanlegierungen erreicht werden. Um bessere Verarbeitungsergebnisse zu erzielen, ist die Weiterentwicklung neuer, für Titanlegierungen geeigneter Bindemittel erforderlich.

Subtraktive Mikrofertigungstechnologie aus Titanlegierung

Mechanische Mikrobearbeitungstechnologie

Die mechanische Mikrobearbeitungstechnologie entfernt Material durch die Mikroschneidwirkung des Werkzeugs und bietet die Vorteile einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit, einer guten Oberflächenintegrität, einer starken Bearbeitungsflexibilität und einer stabilen Oberflächenzusammensetzung.

PRATAP et al. [10] stellten mithilfe der Mikrofrästechnik mit Kugelkopf Mikrovertiefungen und Mikrogitterstrukturen auf der Oberfläche von Ti6Al4V her (Teilmikrostrukturen sind in Abbildung 3 dargestellt) und untersuchten die tribologischen Eigenschaften verschiedener Strukturen; ZIBEROV et al. [11] untersuchten den Einfluss der Werkzeugbeschichtung auf den Werkzeugverschleiß beim Mikroschneiden von Titanlegierungen. Die Ergebnisse zeigen, dass unter Trockenschneidbedingungen der Werkzeugverschleiß um 640 % bzw. 267 % reduziert werden kann, wenn mit diamantähnlichem Kohlenstoff beschichtete Werkzeuge und TiAlN-beschichtete Werkzeuge zum Schneiden von Ti6Al4V-Materialien verwendet werden.

Abb. 3 Mikrostruktur von Ti6Al4V, bearbeitet durch Mikrofräsen

Aufgrund der schlechten Bearbeitungsleistung von Titanlegierungen kommt es während des Bearbeitungsprozesses häufig zu Werkzeugverschleiß und Oberflächengraten, sodass die mechanische Mikrobearbeitung von Titanlegierungen schwieriger ist als bei herkömmlichen Metallen. Trotz der jüngsten Explosion von Forschungsarbeiten zur mechanischen Mikrobearbeitung von Titanlegierungen sind Fälle ihrer industriellen Anwendung tatsächlich sehr selten.

Thermische Mikrobearbeitungstechnologie

(1) Laser-Mikrobearbeitungstechnologie Die Laser-Mikrobearbeitungstechnologie entfernt Werkstückmaterial durch einen Laser mit hoher Energiedichte, der eine höhere Präzision und eine kleinere Wärmeeinflusszone als herkömmliche Laserbearbeitungstechnologie aufweist und sich besonders für die lokale thermische Ablation des Werkstücks eignet.

TEMMLER et al. [12] führten eine Lasermikrobearbeitung von Titanlegierungen mit hoher Scangeschwindigkeit durch. Der Bearbeitungseffekt ist in Abbildung 4 dargestellt. Wang et al. [13] stellten mithilfe der Lasermikrobearbeitungstechnologie eine verbundene Wabenstruktur auf der Oberfläche von Ti6Al4V her. Das optische Reflexionsvermögen der behandelten Teileoberfläche wurde um 90 % reduziert.

Abb.4 Oberflächenmikrostruktur einer lasermikrobearbeiteten Titanlegierung

Der Lasermikrobearbeitungsprozess wird normalerweise an der Luft durchgeführt, und die Oberfläche des Werkstücks ist anfällig für Oxidation und Beschädigung, und die Oberfläche der Titanlegierung ist anfällig für thermische Schäden unter Einwirkung thermischer Energie. Die Kosten für den in dieser Technologie verwendeten Kurzpulslasergenerator sind hoch und es ist notwendig, einen effizienten, zuverlässigen und kostengünstigen Kurzpulslasergenerator weiterzuentwickeln, um die industrielle Anwendung dieser Technologie zu fördern.

(2) EDM-Mikrobearbeitungstechnologie Die EDM-Technologie wählt Werkzeugelektroden im Mikrometerbereich aus und entfernt Materialien durch Steuerung des elektrischen Funkens zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück. Die Technologie verfügt über eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit und die Fähigkeit, Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis zu verarbeiten.

TONG et al. [14] schlugen einen neuen EDM-Mikrobearbeitungsprozess mit zweiachsiger Verbindung und einachsigem Servo vor und verarbeiteten Mikroteile aus NiTi-Legierung erfolgreich mit dem neuen Prozess (siehe Abbildung 5); FENG et al. [15] untersuchten verschiedene Werkzeugelektrodengeschwindigkeiten unter dem Geschwindigkeitsfeld des Arbeitsspaltmediums und der Produktverteilung. Es wurde festgestellt, dass die rotierende Hochgeschwindigkeitselektrode dabei hilft, das Produkt zu entfernen und die Stabilität des Prozesses zu verbessern.

Abb. 5 NiTi-Mikroteile durch EDM-Mikrobearbeitung

Die EDM-Technologie entfernt auch Werkstückmaterial aufgrund thermischer Effekte, das bei der Bearbeitung zu thermischen Defekten führen kann. Aufgrund der häufigen Entladung während des Bearbeitungsprozesses verschleißt die Elektrode zwangsläufig und verringert sich CNC-Bearbeitung Genauigkeit. Darüber hinaus kommt es bei der Bearbeitung von Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis dazu, dass sich die bearbeiteten Produkte leicht an der Oberfläche des Werkstücks festsetzen, was sich negativ auf die Bearbeitungsstabilität auswirkt.

Technologie zur elektrolytischen Mikrobearbeitung von Titanlegierungen

Die elektrolytische Mikrobearbeitungstechnologie basiert auf dem Prinzip der elektrochemischen Auflösungstechnologie und das Werkstückmaterial wird durch anodische Metalloxidation und -auflösung entfernt. Diese Technologie weist keinen Elektrodenverlust, keine inneren Spannungen im Verarbeitungsprozess, eine gute Oberflächenrauheit des fertigen Produkts auf, und das Werkstückmaterial wird in Form von Ionen entfernt, und die theoretische Genauigkeit kann das Nanometer-Niveau erreichen.

Um die Möglichkeit der elektrolytischen Mikrobearbeitung von Titanlegierungen zu untersuchen, haben ANASANE et al. [16] testeten die Auflösungseigenschaften von Titanlegierungen unter verschiedenen Elektrolytbedingungen und stellten fest, dass der Elektrolyt der Ethylenglykol-Natriumbromid-Kombination eine hervorragende Verarbeitungswirkung zeigte; ANASANE et al. [16] 17] untersuchten den Einfluss von Prozessparametern auf die Bearbeitungsgenauigkeit bei der elektrolytischen Mikrobearbeitung und erstellten durch schichtweises elektrolytisches Fräsen eine quadratische spiralförmige Mikrokanal-Durchgangsschlitzstruktur, wie in Abbildung 6 dargestellt, auf der Oberfläche von reinem Titan; YU et al. [18] Auf der Basis des Natriumchlorid-Ethylenglykol-Elektrolyten wird eine mit hoher Geschwindigkeit rotierende Spiralelektrode eingeführt, um die Entfernung von Elektrolyseprodukten zu beschleunigen, und auf dem Titan wird eine Mikroschlitzstruktur mit hoher Präzision und hoher Oberflächenqualität hergestellt Platte.

Abb.6 Quadratischer spiralförmiger Mikrokanalkanal, hergestellt durch elektrolytische Mikrobearbeitungstechnologie

Titanlegierungen weisen die Eigenschaften einer leichten Passivierung auf und es ist leicht, in einer Lösung auf Wasserbasis eine Passivierungsschicht zu bilden, was es schwierig macht, den Auflösungsprozess stabil fortzusetzen. Gleichzeitig wirken sich auch Phänomene wie Streukorrosion im unbearbeiteten Bereich und erneute Korrosion der bearbeiteten Oberfläche bei der elektrolytischen Mikrobearbeitung negativ auf den Bearbeitungseffekt des Endprodukts aus. Obwohl die wissenschaftliche und technologische Gemeinschaft großes Interesse an der elektrolytischen Mikrobearbeitung von Titanlegierungen hat und große Erwartungen an sie hegt, muss die Technologie noch lange erforscht werden, bevor sie in die Praxis umgesetzt werden kann.

Mikrobearbeitungstechnologie für Verbundwerkstoffe aus Titanlegierungen

Aufgrund der vielen schwer zu bearbeitenden Eigenschaften von Titanlegierungen weist die Verarbeitungsmethode eines einzelnen Materialentfernungsprinzips gewisse Einschränkungen auf. Um bessere Bearbeitungsergebnisse zu erzielen, werden daher häufig zwei oder mehr Prozesse mit unterschiedlichen Prinzipien zu einer Verbundbearbeitung kombiniert.

Um das Problem der schlechten Schneidleistung von Titanlegierungen zu lösen, haben XIA et al. [19] schlugen einen laserinduzierten Oxidationsfräsprozess vor, der die Zufuhr von Laser und Sauerstoff steuerte, um die Bildung einer losen Oxidschicht auf der Oberfläche von Titanlegierungen zu induzieren, und realisierten dann den Materialabtrag durch Mikrofräsen.

Diese Technologie erreicht eine bessere Bearbeitungsoberflächenqualität bei extrem geringem Werkzeugverschleiß. Mit Blick auf das Problem der Schwierigkeiten bei der Entladung von Erodierprodukten haben SINGH et al. [20] entwickelten ein ultraschallunterstütztes EDM-Mikrobearbeitungsgerät und stellten fest, dass Ultraschallvibrationen einen erheblichen Einfluss auf die Materialabtragsrate, die Werkzeugverschleißrate und die Lochkonizität der EDM-Mikrobearbeitung haben. Um die durch die Passivierung von Titanlegierungen verursachte Verringerung der Bearbeitungsstabilität zu verbessern, haben Wang et al. [21] untersuchten den Materialentfernungsmechanismus beim mechanischen elektrolytischen Fräsen und erstellten ein mathematisches Modell zur Messung des Verhältnisses des elektrochemischen Fräsens zum konventionellen Fräsen während der Bearbeitung. Im Vergleich zur herkömmlichen elektrolytischen Bearbeitung weist das mechanische elektrolytische Fräsen eine höhere Bearbeitungseffizienz auf.

Die Mikrobearbeitungstechnologie für Verbundwerkstoffe unterliegt weniger prinzipiellen Einschränkungen und verfügt über ein höheres Entwicklungspotenzial. Der Bearbeitungsprozess ist jedoch relativ kompliziert und der Mechanismus der Materialentfernung unter der kombinierten Wirkung verschiedener Energien ist nicht vollständig klar. Daher befindet sich die Mikrobearbeitungstechnologie für Titanlegierungsverbundwerkstoffe derzeit in der Phase der Konzeptentwicklung und Prototypenentwicklung, und es sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um effiziente und qualitativ hochwertige Titanlegierungen zu erhalten. Mikrobearbeitung.

Tuofa CNC Machining ist eine innovative Mikrofertigungsmethode und -technologie für Titanlegierungen

Tuofa CNC Machining überprüfte mehrere wichtige Methoden und Technologien zur Mikrofertigung von Titanlegierungen und fasste die Vor- und Nachteile jedes Prozesses zusammen. Aufgrund der vielen schwer zu bearbeitenden Eigenschaften von Titanlegierungen weist die Verarbeitungsmethode des Prinzips der Einzelmaterialentfernung bestimmte Einschränkungen auf, und die Technologie zur Mikrobearbeitung von Verbundwerkstoffen steckt derzeit noch in den Kinderschuhen und bedarf weiterer Forschung. Daher sollte sich die zukünftige Forschung auf die folgenden Aspekte konzentrieren.

1) Für die subtraktive Mikrofertigungstechnologie ist es notwendig, das Verständnis des Materialentfernungsmechanismus zu vertiefen und die ungünstigen Faktoren im Verarbeitungsprozess zu verbessern. Darüber hinaus ist es notwendig, die Erforschung der Verbundmikrobearbeitungstechnologie weiter voranzutreiben und verschiedene Verarbeitungsmechanismen voll auszunutzen, um eine qualitativ hochwertige Verarbeitung von Titanlegierungen zu erreichen.

2) Für die additive Mikrofertigungstechnologie ist es notwendig, die Mikrobearbeitungstechnologie mit geringer Porosität und die effiziente Nachbearbeitungstechnologie von Mikrostrukturteilen weiter zu erforschen und die Entwicklung der additiven Mikrofertigungstechnologie aus Titanlegierungen in der Industrie schrittweise voranzutreiben Feld.

3) Für die äquivalente Materialmikrofertigungstechnologie ist es notwendig, eine Machbarkeitsstudie für kostengünstiges Titanpulver durchzuführen und eine Verarbeitungstechnologie zu entwickeln, die an die Eigenschaften von Titanlegierungsmaterialien angepasst ist, um eine qualitativ hochwertige Chargenverarbeitung zu erreichen.

Referenzen zur Mikrofabrikationstechnologie aus Titanlegierungen

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