Titan vs. Aluminium: Hochleistungsmetalle für Bearbeitung und 3D-Druck

Gepostet am Mittwoch, 1. Dezember 2021 Nach Steve Konick

Wenn Sie an eine herausragende Kombination von Materialeigenschaften für Teile denken, kommen Ihnen geringes Gewicht und Stärke in den Sinn. Das gilt natürlich auch für Aluminium und Titan. Beide Materialien erfüllen weitere wichtige Kriterien, wie z. B. eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Hitzetoleranz. Durch 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung haben sich diese beiden Metalle für Teile in diversen Branchen als unglaublich vielseitig erwiesen.

Aluminium und Titan sind beide leicht, aber aus unterschiedlichen Gründen. Das geringe spezifische Gewicht von Aluminium (2,7 g/cm3) bedeutet, dass es wesentlich leichter ist als Stahl, der etwa dreimal so schwer ist. Obwohl Titan etwa zwei Drittel schwerer ist als Aluminium, bedeutet seine inhärente Stärke, dass Sie weniger davon benötigen. Tatsächlich benötigen Sie nur einen Bruchteil der Menge an Titan, um die gleiche physikalische Festigkeit wie mit Aluminium zu erreichen. Titan wird z. B. in Flugzeugtriebwerken und auch in Raumfahrzeugen verwendet. Seine Stärke und sein geringes Gewicht senken die Kraftstoffkosten.

The aluminum alloy used in the DMLS process adds silicon and magnesium, building parts with material properties exceeding their die-cast counterparts.

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Materialeigenschaften von Aluminium und Titan

Diese Tabelle bietet einen technischen Überblick über die Arten von Aluminium und Titan, die wir für DMLS und maschinelle Bearbeitung anbieten.

Material Verfahren Zugfestigkeit Dehnung Härte
Titan (Ti 6Al-4V)
DMLS 172 ksi
(1186 MPa)
10%  40 HRB 
Aluminium (AlSi10Mg)
DMLS 35 ksi
(241 MPa)
10% 45 HRB
Aluminium 6061-T651
CNC 40 ksi
(276 MPa)
17% 95 HBW
10/500
Aluminium 7075-T651
CNC 83 ksi
(572 MPa)
11% 85 HBW
10/500 
Titan (Grad 5 Ti 6Al-4V)
CNC 138 ksi
(951 MPa)
14% 35 HRC

 

Der große Unterschied zwischen Ihren beiden Möglichkeiten zur Bearbeitung von Aluminium hat mit dem Kupferanteil in der Legierung zu tun. Wenn Sie etwas mit beeindruckender Festigkeit benötigen, das eine hohe Reibung verträgt, ist 7075 am sinnvollsten. 6082 eignet sich besser zum Schweißen, ist leichter zu bearbeiten und kostet weniger. Das Wichtigste bei der Bearbeitung von Aluminium: Wenn es auf geringes Gewicht, hohe Hitzetoleranz und hohe Festigkeit ankommt, ist 7075 die richtige Wahl.

 

Aluminium vs. Titan

Da beide Materialien eine hohe Festigkeit und ein geringes Gewicht aufweisen, sind bei der Entscheidung, welche Legierung Sie für Ihre Teile verwenden, unbedingt auch andere Unterscheidungsmerkmale zu berücksichtigen.

  • Festigkeit/Gewicht: In kritischen Situationen, in denen jedes Gramm zählt, Sie aber dennoch starke Teile benötigen, ist Titan die erste Wahl. Medizinische Komponenten, komplexe Satellitenkomponenten, Vorrichtungen und Halterungen aus Titan sind genau aus diesem Grund so erfolgreich.
  • Kosten: Aluminium ist das kostengünstigste Metall für die Bearbeitung oder den 3D-Druck. Zwar verursacht Titan zusätzliche Kosten, doch es kann sich auch als wertsteigernd erweisen. Leichtere Teile führen zu Kraftstoffeinsparungen im Transportwesen, zum anderen halten Teile aus Titan einfach länger.
  • Thermische Eigenschaften: Anwendungen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit erfordern, wie z. B. ein Kühlkörper, profitieren von Aluminium. Bei Hochtemperaturanwendungen kommt der hohe Schmelzpunkt von Titan Anwendungen zugute, bei denen Hitzebeständigkeit eine hohe Priorität hat, wie z. B. bei Triebwerkskomponenten für die Luft- und Raumfahrt.
  • Korrosionsbeständigkeit: Sowohl Aluminium als auch Titan bieten eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit.

Aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit und fehlenden Reaktivität ist Titan das biokompatibelste Metall und eignet sich daher hervorragend für medizinische Anwendungen, z. B. für chirurgische Instrumente. Ti 6-4 hält auch salzhaltigen Umgebungen stand und wird häufig in der Schifffahrt eingesetzt.

 

Anwendungen für Aluminium

Aluminium ist überall – es ist das gängigste Metall auf unserem Planeten. Die dünne Aluminiumoxidschicht, die sich an der Luft bildet, macht es im Wesentlichen korrosionsfrei und sein geringes Gewicht trägt dazu bei, dass Ihre Teile nicht wie ein Schiffsanker wirken. Obwohl Aluminium im Allgemeinen nicht auf Säuren reagiert, neigt es in alkalischen (basischen) Umgebungen zu Korrosion.

Im Allgemeinen wird Aluminium für Flugzeuge und Baumaterialien verwendet, wie z. B. für nicht tragende Rahmenkonstruktionen. Insbesondere ist 6082 die erste Wahl für Fahrradrahmen, SCUBA-Tanks, Angelrollen, kleine Boote und Fahrzeugrahmen. Die stärkeren Eigenschaften von 7075 machen es ideal für Formen für Kunststoffe und Werkzeuge sowie für Flugzeugrahmen. Und wenn Sie einen guten elektrischen Leiter suchen, liegen Sie bei Aluminium genau richtig. Es kann Wärme optimal übertragen und ist somit als Material für Kühlkörper hervorragend geeignet.

Die in unserem DMLS-Verfahren (Direktes Metall-Laser-Sintern) verwendete Aluminiumlegierung, AlSi10Mg, enthält zusätzlich Silizium und Magnesium. Sie wird häufig für Gussstücke verwendet und ähnelt am ehesten einer Legierung der Serie 3000, da sie Magnesium als Hauptlegierungselement enthält. Die Eigenschaften von 3D-gedrucktem Aluminium übertreffen die seines druckgegossenen Pendants, wenn man von der geringeren Bruchdehnung absieht.

 

Anwendungen für Titan

Titan ist auch eines der gängigsten Metalle der Erde, doch sein Schmelzpunkt ist so hoch, dass die Verarbeitung zu einem brauchbaren Produkt schwierig ist. Das ist ein entscheidender Grund, warum es teurer ist als andere Metalle. Teile aus Titan verursachen zusätzliche Kosten, da sie schwer zu bearbeiten sind. Titan ist für seine Festigkeit bekannt und hat ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Es bietet außerdem eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und ist ein ebenso schlechter elektrischer Leiter.

Einer der Vorzüge von Titan ist die geringe Wärmeausdehnung. Mit einem Schmelzpunkt von etwa 1.660 Grad Celsius behält es bei Hitzeeinwirkung seine Form besser bei. Außerdem absorbiert Titan die Wärme nicht, sondern reflektiert sie. So finden Sie es in Low-E-Fenstern, die die wärmenden Infrarotstrahlen der Sonne abprallen lassen.

Was das Aussehen betrifft, so variiert die Farbe von Titan je nachdem, wie stark es verändert wurde. Es kann von stumpfem Grau in roher Form bis zu glänzendem Silber in glatter Form reichen. Das in unserem DMLS-Verfahren verwendete Titan ist Ti 6Al4V, besser bekannt als Ti 6-4. Es hat ähnliche mechanische Eigenschaften wie Ti Grade 23 im geglühten Zustand und weist eine außergewöhnliche Zugfestigkeit auf.


Aluminum machining is popular in the auto industry where lightweighting is key to improve fuel economy and minimize impact on performance, such as this tensioner for Litens Automotive.

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Gründe für die Bearbeitung von Aluminium und Titan

CNC-Fräsen und -Drehen sind bewährte Verfahren zur Herstellung von Aluminium- und Titanteilen. Die Prozesse sind schnell – oft werden Teile in weniger als einem Tag hergestellt – und sie halten Toleranzen von +/-0,1 mm ein. Wenn Sie schnell ein Prototypenteil benötigen, zeichnet sich Aluminium durch seine niedrigen Kosten und hohe Qualität aus. Allerdings ist die maschinelle Bearbeitung in Bezug auf die Geometrien etwas eingeschränkt, so dass extrem komplexe Designs eine andere Lösung wie etwa DMLS erfordern, ganz gleich, welches Material Sie wählen.

Ein Faktor, an den Sie bei der Materialauswahl vielleicht nicht denken, ist der Bearbeitungsabfall. Während das Abfräsen von überschüssigem Material für preiswertes Aluminium in Ordnung ist, ist es für teures Titan nicht die ideale Lösung. Aus diesem Grund entscheiden sich Ingenieure oft für die Herstellung von Prototypen aus Aluminium und wechseln dann für Serienteile zu Titan. Die Bearbeitung von Aluminium ist in der Automobilindustrie beliebt, wo Leichtbau der Schlüssel zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und für minimierte Auswirkungen auf die Leistung ist, wie z. B. bei diesem Spanner für Litens Automotive.

 

Gründe für den 3D-Druck von Aluminium und Titan

DMLS ist ein additives Fertigungsverfahren. Mit einem Schmelzlaser wird pulverförmiges Metall verschweißt und Schicht für Schicht zu Teilen geformt. Der Hauptvorteil von DMLS ist, dass Sie Teile mit unglaublich komplexen Geometrien herstellen können, wie z. B. Waben und netzartige Strukturen. Die maschinelle Bearbeitung kann mit der Designflexibilität von DMLS – ungeachtet des gewählten Metalls – einfach nicht mithalten.

Wenn Sie Teile aus Titan benötigen, sind die Kosten für dieses Material ein Vorteil, an den Sie vielleicht noch nicht gedacht haben. Die Verwendung von Pulver bedeutet, dass Sie praktisch keinen Metallabfall haben. Darüber hinaus sind die Herstellungskosten mit DMLS zwar etwas höher, aber die Teile bieten durch die Kombination aus Festigkeit und Gewichtsreduzierung einen Mehrwert. Und ein zusätzlicher Bonus? Mit DMLS können Sie separate Teile von Baugruppen zu einem einzigen, starken Teil zusammenfügen. Das spart Zeit bei der Montage und reduziert Ihre Stückliste (BOM).

Wenn Sie weitere Hilfe benötigen, wenden Sie sich bitte an einen Protolabs-Anwendungstechniker unter +44 (0) 1952 683047 oder [email protected] Um Ihr nächstes Designprojekt noch heute in Angriff zu nehmen, laden Sie einfach ein 3D-CAD-Modell hoch und Sie erhalten innerhalb weniger Stunden ein interaktives Angebot.