CNC-Bearbeitung von Titanlegierungen

Titanlegierungen haben sich aufgrund ihrer außergewöhnlichen Kombination von Eigenschaften den Ruf als “Metalle des Weltraumzeitalters” erworben und sind damit für Hochleistungsanwendungen in verschiedenen Branchen unverzichtbar geworden. Ihre einzigartigen Eigenschaften bieten zwar erhebliche Vorteile, stellen jedoch auch besondere Herausforderungen bei der CNC-Bearbeitung dar, die spezielle Kenntnisse, Techniken und Ausrüstung erfordern. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über die CNC-Bearbeitung von Titanlegierungen und behandelt deren wichtigste Eigenschaften, gängige Güteklassen, Herausforderungen bei der Bearbeitung, bewährte Verfahren, Anwendungen und damit verbundene Überlegungen.

Wichtige Eigenschaften und Vorteile von Titanlegierungen

Titanlegierungen zeichnen sich durch eine Reihe herausragender Eigenschaften aus, die sie für kritische Anwendungen sehr begehrt machen:

• Außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht: Titanbauteile erreichen eine Zugfestigkeit, die mit der bestimmter Stähle konkurrieren kann, und wiegen dabei nur etwa halb so viel – nur 40% schwerer als Aluminium und 40% leichter als Stahl – ideal für Branchen, in denen Gewichtsreduzierung ohne Beeinträchtigung der strukturellen Integrität von entscheidender Bedeutung ist.
• Überlegene Korrosionsbeständigkeit: Titan bildet bei Kontakt mit Luft eine schützende Oxidschicht, die sich selbst reparieren kann und es somit widerstandsfähig gegen Korrosion durch Meerwasser, Chemikalien und raue Umgebungen macht. Diese Eigenschaft macht es zur ersten Wahl für Anwendungen in der Schifffahrt, der chemischen Verarbeitung und im Offshore-Bereich.
• Biokompatibilität: Titanlegierungen sind ungiftig und mit menschlichem Gewebe kompatibel. Sie fördern die Osseointegration (die Verbindung zwischen Knochen und Implantaten) und werden daher häufig in medizinischen und zahnmedizinischen Geräten verwendet.
• Hohe TemperaturbeständigkeitMit seinem hohen Schmelzpunkt behält Titan auch unter extremen Temperaturbedingungen seine Festigkeit und Stabilität und eignet sich daher für Triebwerke, Raketenkomponenten und industrielle Anlagen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
• RecyclingfähigkeitTitan ist vollständig recycelbar, entspricht damit nachhaltigen Fertigungspraktiken und behält gleichzeitig seine Kerneigenschaften.

Gängige Titanlegierungen für die CNC-Bearbeitung

Titan ist in fast 40 ASTM-Güten erhältlich, darunter handelsübliches reines Titan (Güten 1–4) und Titanlegierungen (Güten 5 und höher), die jeweils auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind:

• Grad 1 (kommerziell rein, niedriger Sauerstoffgehalt): Bietet ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, hohe Schlagzähigkeit und gute Bearbeitbarkeit, ist jedoch weniger fest als andere Sorten. Zu den Anwendungsbereichen zählen chemische Verarbeitung, Wärmetauscher, Entsalzungsanlagen, Automobilteile, Flugzeugzellen und medizinische Geräte.
• Grad 2 (kommerziell rein, Standard-Sauerstoffgehalt): Stärker als Grad 1 mit hoher Korrosionsbeständigkeit, guter Duktilität, Formbarkeit, Schweißbarkeit und Bearbeitbarkeit. Verwendung in Flugzeugzellen, Flugzeugtriebwerken, bei der Kohlenwasserstoffverarbeitung, in Schiffsausrüstung, medizinischen Geräten und bei der Chlorat-Herstellung.
• Grad 3 (kommerziell rein, mittlerer Sauerstoffgehalt): Schwieriger zu formen als die Güteklassen 1 und 2, zeichnet sich jedoch durch hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei guter Bearbeitbarkeit aus. Häufig in der Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt und Medizin eingesetzt.
• Grad 4 (kommerziell rein, hoher Sauerstoffgehalt): Die stärkste unter den reinen Titanlegierungen mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit. Erfordert aufgrund der schwierigen Bearbeitbarkeit hohe Vorschubgeschwindigkeiten, niedrige Drehzahlen und einen hohen Kühlmitteldurchfluss. Zu den Anwendungsbereichen zählen Kryo-Behälter, Wärmetauscher, Hydraulik, Flugzeugzellen, chirurgische Instrumente und Schiffsausrüstung.
• Grad 5 (Ti6Al4V)Die am häufigsten verwendete Titanlegierung (die etwa die Hälfte des weltweiten Titanverbrauchs ausmacht), legiert mit 6% Aluminium und 4% Vanadium. Bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen hoher Korrosionsbeständigkeit und ausgezeichneter Formbarkeit, hat jedoch eine schlechte Bearbeitbarkeit. Ideal für Flugzeugzellenstrukturen, Flugzeugtriebwerke, Stromerzeugung, medizinische Geräte, Schiffs-/Offshore-Ausrüstung und Hydraulik.
• Grad 6 (Ti5Al-2,5Sn): Zeichnet sich durch gute Schweißbarkeit, Stabilität und Festigkeit bei hohen Temperaturen sowie mittlere Festigkeit für Titanlegierungen aus. Wird in Flüssiggas-/Treibstoffbehältern für Raketen, Flugzeugzellen, Düsentriebwerke und Raumfahrzeuge verwendet.
• Grad 7 (Ti-0,15Pd): Wird oft als rein angesehen, enthält jedoch geringe Mengen Palladium und bietet eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit, ausgezeichnete Schweißbarkeit und Formbarkeit (wenn auch eine geringere Festigkeit als andere Legierungen). Wird in Teilen für chemische Verarbeitungs- und Produktionsanlagen verwendet.
• Klasse 11 (Ti-0,15Pd)Ähnlich wie Grad 7 mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit, Duktilität und Formbarkeit, jedoch noch geringerer Festigkeit. Wird in der Entsalzung, Schifffahrt und Chloratproduktion eingesetzt.
• Klasse 12 (Ti0,3Mo0,8Ni)Bietet hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen, hervorragende Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, ist jedoch teurer als andere Legierungen. Geeignet für hydrometallurgische Anwendungen, Flugzeug-/Schiffskomponenten und Wärmetauscher.
• Grad 23 (Ti6Al4V-ELI)Bietet hervorragende Formbarkeit, Duktilität, gute Bruchzähigkeit und ideale Biokompatibilität, jedoch schlechte Bearbeitbarkeit. Wird häufig in kieferorthopädischen Apparaturen, orthopädischen Stiften/Schrauben, chirurgischen Klammern und orthopädischen Kabeln verwendet.

Herausforderungen bei der CNC-Bearbeitung von Titanlegierungen

Trotz ihrer Vorteile stellen Titanlegierungen besondere Herausforderungen dar, die spezielle Ansätze erfordern:

• Geringe Wärmeleitfähigkeit: Titan leitet Wärme nur langsam ab, was zu einer lokalen Wärmeentwicklung während der Bearbeitung führt. Dies beschleunigt nicht nur den Werkzeugverschleiß, sondern birgt auch die Gefahr von Verformungen des Werkstücks, einer Verfestigung durch die Bearbeitung und sogar einer Brandgefahr.
• KaltverfestigungsneigungDas Material härtet unter Schnittkräften schnell aus, was nachfolgende Schnitte erschwert und die Werkzeugbelastung erhöht.
• Flexibilität und VibrationDie Festigkeit von Titan täuscht über seine Flexibilität hinweg, die während der Bearbeitung zu Vibrationen (Rattern) führen kann. Dies erfordert robuste Werkstückspannsysteme und stabile Bearbeitungsaufbauten, um die Präzision aufrechtzuerhalten.
• Fressspuren und Aufbauschicht (BUE)Die “klebrige” Beschaffenheit von Titan, insbesondere bei handelsüblichen reinen Sorten, führt dazu, dass es an Schneidwerkzeugen haften bleibt und BUE und Abrieb verursacht. Dies beeinträchtigt die Schneidleistung, verkürzt die Lebensdauer der Werkzeuge und beeinträchtigt die Oberflächengüte.
• WerkzeugverschleißDie Härte und Abrasivität von Titan führen zu einem schnelleren Verschleiß der Werkzeuge, sodass langlebige Werkzeugmaterialien und Beschichtungen erforderlich sind.

Bearbeitungsverfahren, Tipps und Techniken

Um diese Herausforderungen zu bewältigen und qualitativ hochwertige Ergebnisse zu gewährleisten, sind die folgenden bewährten Verfahren unerlässlich:

Werkzeugauswahl und Beschichtung

• Verwenden Sie Schneidwerkzeuge aus widerstandsfähigem Hartmetall oder beschichtetem Schnellarbeitsstahl (HSS) mit Kombinationen aus Wolfram, Kohlenstoff und Vanadium, die eine Härte von bis zu 600 °C aufweisen.
• Entscheiden Sie sich für Werkzeugbeschichtungen, die für die Titanbearbeitung entwickelt wurden, wie beispielsweise Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Aluminiumtitannitrid (AlTiN Nano) oder Titancarbonitrid (TiCN). Diese Beschichtungen bilden bei hohen Temperaturen eine schützende Oxidschicht, reduzieren die Wärmeübertragung, verbessern die Schmierfähigkeit und verhindern Abrieb. Die HVTI-Schaftfräser (optimiert für hocheffizientes Fräsen) und die Aplus-Beschichtung von HLW sind eine ausgezeichnete Wahl für eine verbesserte Standzeit und Leistung der Werkzeuge.

Werkstückhalterung und Stabilität

• Verwenden Sie starre, sichere Werkstückspannsysteme, um die Durchbiegung und Vibration des Werkstücks zu minimieren. Vermeiden Sie unterbrochene Schnitte und halten Sie das Werkzeug während des Kontakts mit dem Werkstück in ständiger Bewegung – das Verweilen in Bohrlöchern oder das Anhalten in der Nähe von profilierten Wänden verursacht übermäßige Hitze und Werkzeugverschleiß.
• Verwenden Sie einen Fräser mit größerem Kerndurchmesser, minimieren Sie den Überhang zwischen Spindelnase und Werkzeugspitze und halten Sie gleichmäßige Vorschübe und Geschwindigkeiten ein, um Rattern zu reduzieren.

Kühlung und Schmierung

• Verwenden Sie unter hohem Druck reichlich Kühlmittel mit hervorragenden Schmier- und Kühleigenschaften (z. B. emulsionsbasierte Kühlmittel), um Wärme abzuleiten, Späne wegzuspülen und BUE und Abrieb zu verhindern. Richten Sie den Kühlmittelstrahl direkt auf die Schnittfläche, um eine optimale Wirkung zu erzielen.

Bearbeitungsstrategien und -parameter

• Verwenden Sie das Gegenlauffräsen (anstelle des herkömmlichen Fräsens), um die Wärmeübertragung auf das Werkstück zu reduzieren. Beim Gegenlauffräsen entstehen Späne, die zunächst dick und dann dünn sind, was die Wärmeableitung zu den Spänen fördert und einen saubereren Schnitt gewährleistet.
• Verwenden Sie niedrigere Schnittgeschwindigkeiten (in der Regel 18–30 Meter pro Minute / 60–100 Fuß pro Minute) in Verbindung mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten und größeren Spanmengen, um die Wärmeentwicklung und die Kaltverfestigung zu minimieren. Passen Sie die Geschwindigkeiten entsprechend der Titanqualität, den Werkzeugen und der Maschinensteifigkeit an.
• Bei Ein- und Auslaufschnitten das Werkzeug vorsichtig in das Material einführen oder Fasen verwenden, um den Druck allmählich zu erhöhen/zu verringern und so Werkzeugstöße und Materialrisse zu reduzieren.
• Verwenden Sie Werkzeuge mit kleinerem Durchmesser, um die Kontaktfläche mit Luft und Kühlmittel zu vergrößern, sodass die Schneide zwischen den Schnitten abkühlen kann.
• Vereinfachen Sie komplexe Geometrien im Teiledesign (z. B. größere Radien, gleichmäßige Wandstärke, Vermeidung tiefer Taschen), um die Bearbeitung zu optimieren und die Werkzeugbelastung zu reduzieren.

Überlegungen zum Teiledesign

• Verwenden Sie CAD/CAM-Software (z. B. in Kombination mit Simulationswerkzeugen wie ANSYS) für die präzise Konstruktion von Teilen und die Erstellung von Werkzeugwegen. Gut konstruierte Vorrichtungen und Spannvorrichtungen sind für die Aufrechterhaltung von Stabilität und Genauigkeit von entscheidender Bedeutung.
• Integrieren Sie die Prinzipien des Design for Manufacturability (DFM) – HLW liefert DFM-Feedback (sowohl KI-gesteuert als auch menschlich), um das Design von Bauteilen hinsichtlich Effizienz, Qualität und Kosteneffizienz zu optimieren.

Anwendungen von CNC-gefrästen Titanteilen

CNC-gefräste Titanteile sind aus zahlreichen anspruchsvollen Branchen nicht mehr wegzudenken:

• Luft- und RaumfahrtDer Hauptabnehmer von Titan, das in Flugzeugsitzkomponenten, Wellen, Turbinenteilen, Ventilen, Sauerstofferzeugungssystemen, Flugzeugzellen und Raketenkomponenten verwendet wird. Sein geringes Gewicht und seine hohe Hitzebeständigkeit ermöglichen Kraftstoffeffizienz und Leistung bei Überschallgeschwindigkeiten.
• Medizinisch und ZahnmedizinBiokompatible Titanlegierungen werden in Hüft-/Knie-/Ellbogen-/Schultergelenkprothesen, Knochen-/Zahn-/Schädelschrauben, Wirbelsäulenfixierungsstäben, Femurkopfimplantaten, orthopädischen Stiften, chirurgischen Klammern und Zahnkronen/Brücken/Implantaten verwendet.
• Militär und Verteidigung: Einsatz in der militärischen Luft- und Raumfahrt, bei Raketen, Artillerie, U-Booten, Bodenfahrzeugen (für ballistischen Widerstand) und Marineausrüstung.
• Marine/SeestreitkräfteGeeignet für Propellerwellen zur Meerwasserentsalzung, Unterwasser-Rohstoffgewinnungsanlagen, Takelage, Unterwasserrobotik, Meereswärmetauscher, Propeller und Rohrleitungssysteme – dank seiner Korrosionsbeständigkeit und seines geringen Gewichts.
• Automobilindustrie: Wird zur Gewichtsreduzierung und Senkung des Kraftstoffverbrauchs eingesetzt, mit Anwendungen in Ventilen, Ventilfedern, Motorkolbenbolzen, Halterungen und Bremssattelkolben.
• Konsumgüter: Aufgrund seines geringen Gewichts und seines attraktiven Aussehens wird es für Sportgeräte (Golfschläger, Fahrradrahmen, Baseballschläger, Tennisschläger, Campingausrüstung) und Schmuck (Uhren, Brillenfassungen, Eheringe, Halsketten) verwendet.
• Chemische Verarbeitung: Wird aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit in Wärmetauschern, Entsalzungsanlagen und Teilen von Produktionsanlagen eingesetzt.

Oberflächenveredelungsoptionen

Die Oberflächenveredelung verbessert die Funktionalität, Haltbarkeit und Ästhetik von CNC-gefrästen Titanteilen:

• EloxierenEine gängige Wahl, die die Korrosionsbeständigkeit erhöht, die Gewichtszunahme minimiert, die Reibung verringert und das Aussehen verbessert.
• Mechanische OberflächenbehandlungenPolieren, Kugelstrahlen und Bürsten, um die Oberflächenrauheit zu verringern und die gewünschten Texturen zu erzielen.
• BeschichtungenPVD-Beschichtung, Pulverbeschichtung, Verchromung und Elektrophorese für verbesserten Schutz und Leistung.
• Andere Behandlungen: Lackierung zur ästhetischen Individualisierung. HLW bietet bis zu 6 Nachbearbeitungsoptionen, darunter Perlstrahlen, Pulverbeschichtung, Glättbearbeitung und Polieren.

Wirtschaftliche Überlegungen

Die höheren Kosten von Titan (aufgrund strenger Qualitätsstandards und steigender Nachfrage) erfordern eine strategische Kostenoptimierung:

• Vergleichen Sie die Preise für Titan mit denen für Alternativen (z. B. Stahl, Aluminium) für nicht kritische Anwendungen.
• Optimieren Sie die Standzeit der Werkzeuge, die Bearbeitungszeit und den Materialverbrauch, um Abfall zu reduzieren.
• Verfolgen und minimieren Sie Kosten im Zusammenhang mit Werkzeugen, Kühlmitteln, Arbeitskräften, Energie und Abfallentsorgung.
• Nutzen Sie die Langlebigkeit und Strapazierfähigkeit von Titan für langfristige Kosteneinsparungen. Das Netzwerk von HLW mit über 1.600 Fräs- und Drehmaschinen gewährleistet wettbewerbsfähige Preise und eine effiziente Produktion sowohl für kleine Stückzahlen als auch für komplexe Aufträge.

Sicherheitsvorkehrungen und Industriestandards

Sicherheitsmaßnahmen

• Tragen Sie persönliche Schutzausrüstung (PSA), um Risiken durch umherfliegende Trümmer, Kühlmittel und Brandgefahren zu mindern.
• Befolgen Sie die richtigen Handhabungs- und Lagerungsverfahren für Titanwerkstoffe, Kühlmittel und Späne.
• Implementieren Sie Brandschutzmaßnahmen und Notfallpläne, da übermäßige Hitze Brandgefahren mit sich bringen kann.
• Führen Sie regelmäßige Maschinenwartungen durch und schulen Sie die Bediener in sicheren Bearbeitungsverfahren.
• Entsorgen Sie Titanspäne, Kühlmittel und Abfälle ordnungsgemäß, um die Sicherheit am Arbeitsplatz und die Einhaltung der Umweltvorschriften zu gewährleisten.

Industriestandards und Zertifizierungen

Um Qualität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, unterliegt die CNC-Bearbeitung von Titan strengen Industriestandards und Zertifizierungen:

• ASTM-Normen: ASTM B265 (Titanband/-blech/-platte), ASTM F136 (chirurgisches Implantat Ti6Al4V ELI), ASTM F1472 (chirurgisches Implantat Ti6Al4V).
• ISO-Normen: ISO 5832-2 (Implantate aus unlegiertem Titan), ISO 5832-3 (Implantate aus Ti6Al4V-Legierung), ISO 9001 (Qualitätsmanagementsysteme), ISO 13485 (Qualitätsmanagement für Medizinprodukte).
• SAE-Normen: SAE AMS 4911 (geglühte Ti6Al4V-Blech/Band/Platte).
• ZertifizierungenAS9100 (Qualitätsmanagement für Luftfahrt, Raumfahrt und Verteidigung) ist für Luft- und Raumfahrtkomponenten von entscheidender Bedeutung.

HLWs CNC-Bearbeitungsdienstleistungen für Titanlegierungen

HLW bietet umfassende CNC-Bearbeitungsdienstleistungen für Titanlegierungen an und nutzt dabei modernste Anlagen (3-Achsen- und 5-Achsen-CNC-Fräsen, Drehen, Bohren, Ausbohren) und Fachwissen, um hochwertige Teile mit kurzen Durchlaufzeiten (in der Regel unter 10 Tagen) zu liefern. Zu unseren Leistungen gehören:

• Maßgeschneiderte Bearbeitung von Titan der Güteklassen 1–5, 7, 11, 12, 23 und anderen Legierungen.
• DFM-Feedback (sofortige KI und menschlich) zur Optimierung von Teilekonstruktionen hinsichtlich Herstellbarkeit, Kosten und Qualität.
• Eine Reihe von Oberflächenveredelungsoptionen, um funktionalen und ästhetischen Anforderungen gerecht zu werden.
• Einhaltung von Industriestandards (ASTM, ISO, SAE) und Zertifizierungen (ISO 9001, AS9100, ISO 13485) für kritische Anwendungen.
• Wettbewerbsfähige Preise und flexible Produktionskapazitäten für kleine Stückzahlen und komplexe Geometrien mit engen Toleranzen (±0,125 mm / ±0,005″).

Laden Sie zunächst Ihre CAD-Datei (.STL) auf die Plattform von HLW hoch, um ein sofortiges Angebot zu erhalten. Bei Fragen wenden Sie sich bitte an uns unter 18664342076 oder info@helanwangsf.com. HLW unterstützt Sie gerne bei der Bewältigung der Herausforderungen der CNC-Bearbeitung von Titan und liefert außergewöhnliche Ergebnisse für Ihre anspruchsvollsten Projekte.