تیتانیوم در مقابل آلومینیوم

مقدمه

وقتی به یک مجموعه­ ی رویایی از خواص مواد برای قطعات فکر می­ کنید، وزن سبک و استحکام به ذهن شما خطور می­ کند. به طور طبیعی، آلومینیوم و تیتانیوم نیز همین­طور هستند. هر دو ماده، ویژگی­ های مهم دیگری مانند مقاومت عالی در برابر خوردگی و تحمل گرما را نیز دارا هستند. ثابت شده است که این دو فلز با استفاده از پرینت سه بعدی یا ماشینکاری CNC، برای قطعات در طیف وسیعی از صنایع قابل استفاده می­ باشند.

آلومینیوم و تیتانیوم هر دو سبک هستند؛ اما به دلایل مختلف. وزن مخصوص کم آلومینیوم (2.7 گرم بر سانتی­متر مکعب) به این معنی است که به طور قابل توجهی سبک ­تر از نمونه­ هایی مانند فولاد است که تقریباً سه برابر سنگین ­تر می ­باشند. اگرچه تیتانیوم حدود دو سوم سنگین‌تر از آلومینیوم است، اما استحکام ذاتی آن به این معنی است که شما به مقدار کمتری از آن نیاز دارید. در واقع، شما به کسری از مقدار تیتانیوم برای بدست آوردن همان استحکام فیزیکی که با آلومینیوم به دست می ­آید، نیاز خواهید داشت. به عنوان مثال، تیتانیوم در موتورهای جت هواپیما و همچنین در فضاپیماها استفاده می ­شود. استحکام و وزن سبک آن سبب کاهش هزینه­ ی سوخت می­ گردد.

آلیاژ آلومینیومی که در فرآیند DMLS استفاده می شود، سیلیکون و منیزیم را اضافه نموده و قطعاتی با خواص بهتر از همتایان خود که از طریق ریخته گری ساخته می شوند، تولید می کند.

خواص آلومینیوم و تیتانیوم

این جدول، یک نمای فنی کلی از انواع آلومینیوم و تیتانیوم پیشنهادی ما برای DMLS و ماشینکاری را ارائه می­دهد.

تفاوت بزرگ بین دو انتخاب شما برای ماشینکاری آلومینیوم مربوط به مقدار مس موجود در آلیاژ است. در یک مقایسه­ ی سر به سر، اگر به چیزی با استحکام چشمگیر نیاز دارید که بتواند یک محیط دارای اصطکاک بالا را تحمل نماید، 7075 منطقی ­تر است. 6061 در کاربردهای جوشکاری بهتر عمل می ­کند، ماشین­کاری آن آسان­تر بوده و ارزان­تر است. نکته­ ی نهایی هنگام ماشینکاری آلومینیوم: اگر وزن کم، تحمل بالا در برابر گرما و استحکام بالا نکات کلیدی هستند، راه حل، استفاده از 7075 است.

آلومینیوم در مقابل تیتانیوم

از آنجایی که هر دو ماده دارای استحکام بالا و وزن کم هستند، لازم است که هنگام انتخاب آلیاژ مورد استفاده برای ساخت قطعات، به سایر عوامل متمایز نگاه کنید.

v   استحکام / وزن: در شرایط بحرانی که هر گرم مهم بوده اما به قطعات محکم نیاز دارید، راه حل شما استفاده از تیتانیوم است. قطعات پزشکی تیتانیومی، اجزای پیچیده­ ی ماهواره، قیود و بست­ ها همگی دقیقا به همین دلیل موفق عمل می­ کنند.

v   هزینه: آلومینیوم مقرون به صرفه­ ترین فلز برای ماشینکاری یا پرینت سه بعدی است. در حالی که تیتانیوم با افزایش هزینه می­ تواند ارزش را نیز ارتقا دهد. قطعات سبک­تر باعث صرفه­ جویی در مصرف سوخت در کاربردهای حمل و نقل شده و قطعات تیتانیومی معمولا عمر طولانی­ تری دارند.

v   خواص حرارتی: در کاربردهایی مانند چاهک گرمایی که نیاز به رسانایی حرارتی بالایی دارند، از آلومینیوم استفاده می­ شود. برای کاربردهای در دمای بالا مانند اجزای موتورهای هوافضا که مقاومت حرارتی در اولویت است، نقطه­ ی ذوب بالای تیتانیوم سودمند خواهد بود.

v   مقاومت در برابر خوردگی: آلومینیوم و تیتانیوم، هر دو، مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارند.

مقاومت در برابر خوردگی و عدم واکنش ­پذیری تیتانیوم، آن را به زیست ­سازگارترین فلز تبدیل نموده؛ لذا برای کاربردهای پزشکی مانند ساخت ابزارهای جراحی بسیار عالی است. Ti 6-4 همچنین به خوبی در محیط­ های شور مقاوم بوده و اغلب در کاربردهای دریایی مورد استفاده قرار می ­گیرد.

کاربردهای آلومینیوم

آلومینیوم در همه جا وجود دارد – رایج­ترین فلز روی این سیاره است. اساسا لایه ­ی نازکی از اکسید آلومینیوم که هنگام قرار گرفتن در معرض هوا روی آن تشکیل می ­شود، آن را در برابر خوردگی مقاوم نموده و وزن سبک آلومینیوم نیز کمک می­ کند تا قطعات شما مانند لنگر یک قایق عمل نکنند. در حالی که معمولا آلومینیوم به اسیدها واکنش نشان نمی ­دهد، در محیط­ های قلیایی (بازی) تمایل به خوردگی دارد.

به طور کلی، آلومینیوم راه خود را برای کاربرد در ساخت قطعات هواپیما و مصالح ساختمانی مانند قاب­ های غیر باربر پیدا می­ کند. به طور خاص، 6061 انتخابی برای قاب دوچرخه، مخازن SCUBA، قرقره ­های ماهیگیری، قایق­ های کوچک و قاب وسایل نقلیه است. خواص قوی­تر 7075 آن را برای قالب­ های پلاستیک و ابزارآلات و قاب هواپیما ایده ­آل می­ سازد. همچنین اگر به دنبال یک هادی الکتریکی خوب هستید، آلومینیوم می­ تواند این کار را انجام دهد. علاوه بر این، توانایی بسیار خوبی در انتقال حرارت دارد که آن را به گزینه ­ای مناسب برای چاهک­ های گرمایی مبدل ساخته است.

AlSi₁₀Mg که آلیاژ آلومینیوم مورد استفاده در فرآیند تف­جوشی مستقیم لیزری فلزات (DMLS) ما است، سیلیکون و منیزیم را نیز به این فرآیند اضافه می­کند. این آلیاژ اغلب برای ریخته‌گری استفاده شده و با توجه به افزودن منیزیم به عنوان عنصر اصلی آلیاژی، شبیه به آلیاژ سری 3000 می­باشد. خواص آلومینیوم پرینت سه بعدی، به جز ازدیاد طول کمتر در هنگام شکست، فراتر از همتای ریخته ­گری شده ­ی خود است.

کاربردهای تیتانیوم

تیتانیوم نیز یکی از رایج ­ترین فلزات روی زمین است؛ اما نقطه­ ی ذوب آن به قدری بالا است که تبدیل آن به یک محصول قابل استفاده را دشوار ساخته است. همین مسئله، دلیلی برای گران­تر بودن آن نسبت به سایر فلزات می ­باشد. قطعات تیتانیومی دارای هزینه­ های اضافی هستند؛ زیرا ماشین­کاری آن­ها دشوار است. تیتانیوم به دلیل استحکام خود شناخته شده است و نسبت مقاومت به وزن بالایی دارد. همچنین از نظر مقاومت در برابر خوردگی عالی بوده؛ اما به همان میزان، هادی الکتریکی ضعیفی است.

یکی از مزایای تیتانیوم انبساط حرارتی کم است. با دارا بودن نقطه­ ی ذوب حدود 3000 درجه ­ی فارنهایت (1660 درجه­ ی سانتیگراد)، هنگامی که در معرض گرما قرار می­گیرد، شکل خود را بهتر حفظ می­ کند. علاوه بر این، تیتانیوم به جای جذب گرما، تمایل به انعکاس آن دارد؛ لذا آن را در ساختار پنجره‌های با تشعشع کم که پرتوهای گرمازای مادون قرمز خورشید را برمی­ گردانند، خواهید یافت.

از نظر ظاهری، رنگ تیتانیوم بسته به میزان تغییر آن متفاوت بوده و می­تواند از خاکستری مات در شکل خام تا نقره­ای براق در زمان صیقلی بودن، متغیر باشد. تیتانیوم مورد استفاده در فرآیند DMLS ما Ti₆Al₄V است که بیشتر به عنوان Ti 6-4 شناخته می ­شود. این آلیاژ دارای خواص مکانیکی مشابه با تیتانیوم آنیل شده­ ی درجه­ ی 23 بوده و استحکام کششی آن نیز استثنایی است.

  ماشین‌کاری آلومینیوم در خودروسازی، صنعتی که سبک نمودن وزن برای بهبود مصرف سوخت و به حداقل رساندن تأثیر بر عملکرد، نکته ای کلیدی است، رایج می باشد.

دلایل ماشینکاری آلومینیم و تیتانیوم چیست؟

فرزکاری و تراشکاری CNC روش ­های آزمایش شده ­ای برای تولید قطعات آلومینیومی و تیتانیومی هستند. این فرآیندها سریع بوده - اغلب قطعات را در کمتر از یک روز تولید می ­کنند - و به تلرانس 0.005 +/- اینچ (0.13 میلی­متر) نیز پایبند هستند. اگر سریعا به یک قطعه ­ی نمونه ­ی اولیه نیاز دارید، آلومینیوم به دلیل هزینه ­ی کم و کیفیت بالا گزینه­ ی مناسبی است. با این حال، ماشینکاری از نظر هندسه تا حدودی محدود است؛ لذا تولید طرح‌های بسیار پیچیده، صرف نظر از این که چه ماده‌ای را انتخاب می‌کنید، نیاز به راه‌حل متفاوتی مانند DMLS دارند.

یکی از عواملی که ممکن است هنگام انتخاب مواد به آن فکر نکنید، هدررفت ماشینکاری است. در حالی که فرزکاری مواد اضافی برای آلومینیومِ ارزان قیمت مناسب است، برای تیتانیومِ گران قیمت ایده ­آل نمی ­باشد. به همین دلیل، مهندسان اغلب نمونه­ های اولیه را با استفاده از آلومینیوم تولید نموده، سپس برای قطعات تولیدی نهایی به تیتانیوم روی می ­آورند.

دلایل پرینت سه بعدی آلومینیوم و تیتانیوم چیست؟

DMLS یک فرآیند تولید افزایشی است. قطعات را با استفاده از یک لیزر ذوب­ کننده برای جوش دادن فلز پودر شده به یکدیگر، لایه به لایه تشکیل می­ دهد. مزیت اصلی DMLS این است که می­توانید قطعاتی با هندسه­ های فوق­العاده پیچیده مانند لانه ­ی زنبوری و ساختارهای مشبک ایجاد نمایید. ماشینکاری، صرف نظر از نوع فلز، نمی‌تواند با انعطاف‌پذیری طراحی DMLS هماهنگ شود.

یکی از مزایای پرینت سه بعدی تیتانیوم که شاید فکرش را نمی­ کردید به هزینه­ ی تیتانیوم مربوط می­شود. استفاده از پودر به این معنی است که شما عملاً هیچ فلز ضایعاتی ندارید. علاوه بر این، در حالی که هزینه­ های ساخت با استفاده از DMLS تا حدودی بالاتر است، ارزش قطعات نهایی، به ترکیبی از استحکام و کاهش وزن برمی­گردد. و مزایای اضافی؟ DMLS به شما این امکان را می‌دهد که قطعات مجزای مجموعه‌ها را در یک قطعه ­ی واحد و محکم ترکیب نمایید. این امر باعث صرفه­ جویی در زمان مونتاژ شده و صورتحساب مواد (BOM) شما را نیز کاهش می­دهد.

برای راهنمایی بیشتر می توانید با مهندسین مجموعه تماس بگیرید. برای شروع پروژه­ ی طراحی بعدی خود، همین امروز به سادگی یک مدل سه بعدی CAD را جهت دریافت پیشنهادی تعاملی در عرض چند ساعت آپلود نمایید.