Gambaran Umum Pencetakan 3D Inconel
Pencetakan 3D Inconeljuga dikenal sebagai manufaktur aditif dengan paduan Inconel, mengacu pada fabrikasi komponen dari serbuk logam Inconel dengan menggunakan teknologi pencetakan 3D. Inconel adalah keluarga superalloy berbasis nikel-kromium yang dikenal karena kekuatannya yang tinggi, ketahanan terhadap korosi, dan sifat tahan panas. Beberapa fitur utama pencetakan 3D Inconel adalah:
- Memungkinkan fabrikasi geometri yang kompleks dan ringan yang tidak mungkin dilakukan dengan manufaktur konvensional
- Sifat mekanik yang baik dan kinerja material yang sebanding dengan suku cadang Inconel tempa
- Suku cadang dapat dicetak sesuai permintaan tanpa perlu cetakan, cetakan atau perkakas khusus
- Mengurangi waktu tunggu dan biaya untuk produksi batch kecil
- Kemampuan untuk membuat bentuk dan desain yang dioptimalkan dengan optimasi topologi
- Berbagai macam industri yang menggunakan suku cadang pencetakan 3D Inconel termasuk kedirgantaraan, otomotif, minyak dan gas, medis, pemrosesan kimia
Beberapa keuntungan dan keterbatasan pencetakan 3D Inconel yang perlu dipertimbangkan:
Keuntungan dari Pencetakan 3D Inconel
- Geometri kompleks dan struktur ringan
- Desain yang disesuaikan dan dioptimalkan
- Mengurangi limbah - hanya menggunakan jumlah bahan yang diperlukan
- Waktu tunggu yang lebih singkat, mengurangi biaya untuk batch kecil
- Mudah untuk membuat perubahan dan iterasi desain
- Rakitan yang terkonsolidasi dan jumlah komponen yang berkurang
- Beli suku cadang sesuai permintaan tanpa jumlah pesanan minimum
Keterbatasan Pencetakan 3D Inconel
- Biaya yang lebih tinggi untuk volume produksi yang besar
- Kecepatan pembuatan lebih lambat daripada logam lain seperti baja tahan karat
- Pasca-pemrosesan mungkin diperlukan untuk mencapai hasil akhir permukaan yang diinginkan
- Sifat material anisotropik
- Persyaratan kualifikasi dan sertifikasi dalam industri yang diatur
- Jumlah nilai paduan Inconel yang memenuhi syarat untuk pencetakan 3D terbatas
Jenis Paduan Inconel yang Digunakan dalam Pencetakan 3D
Beberapa nilai superalloy Inconel telah dikembangkan untuk digunakan dalam proses pencetakan 3D. Paduan Inconel yang paling umum digunakan adalah:
| Paduan Inconel | Fitur Utama |
|---|---|
| Inconel 718 | Kekuatan dan ketahanan korosi yang sangat baik hingga 700°C. Paling populer untuk komponen kedirgantaraan. |
| Inconel 625 | Ketahanan korosi yang luar biasa, kemampuan las yang baik, dan kekuatan hingga 980°C. Digunakan untuk pemrosesan kimia, aplikasi kelautan. |
| Inconel 825 | Ketahanan oksidasi dan korosi yang baik. Digunakan untuk komponen minyak dan gas, pembangkit listrik. |
| Inconel 939 | Paduan nikel berkekuatan tinggi yang stabil hingga 1095°C. Digunakan untuk suku cadang mesin turbin gas. |
Paduan Inconel lainnya yang berpotensi untuk pencetakan 3D:
- Inconel X-750
- Inconel 909
- Inconel 939ER
Proses Pencetakan 3D untuk Inconel
Beberapa proses manufaktur aditif digunakan untuk mencetak superalloy Inconel:
| Proses | Bagaimana cara kerjanya | Manfaat | Keterbatasan |
|---|---|---|---|
| Fusi Tempat Tidur Serbuk - Laser | Laser secara selektif melelehkan lapisan bubuk | Akurasi yang baik, hasil akhir permukaan | Relatif lambat |
| Fusi Tempat Tidur Serbuk - Berkas Elektron | Berkas elektron melelehkan lapisan bubuk | Kecepatan pembuatan lebih cepat daripada laser | Persyaratan ruang vakum |
| Deposisi Energi Terarah (DED) | Sumber energi panas terfokus melelehkan bubuk logam atau bahan baku kawat selama pengendapan | Dapat memperbaiki dan melapisi bagian dengan menambahkan bahan | Permukaan akhir yang lebih kasar, diperlukan pemrosesan pasca |
| Pengaliran Pengikat | Bahan pengikat cair secara selektif bergabung dengan partikel bubuk | Relatif cepat, biaya rendah | Kepadatan dan kekuatan yang lebih rendah, diperlukan infiltrasi |
Parameter proses utama: Daya laser, kecepatan pemindaian, jarak penetasan, ketebalan lapisan, orientasi pembuatan, struktur pendukung, suhu pemanasan awal, dan langkah-langkah pasca-pemrosesan. Parameter proses perlu dioptimalkan untuk setiap paduan Inconel untuk mendapatkan sifat yang diinginkan.
Aplikasi Pencetakan 3D Inconel
Industri utama yang menggunakan suku cadang Inconel yang diproduksi secara aditif dan aplikasinya:
| Industri | Aplikasi Khas |
|---|---|
| Dirgantara | Bilah turbin, impeler, pelapis burner, katup, rumah, braket |
| Minyak dan Gas | Alat-alat lubang bawah, katup, komponen kepala sumur, alat kelengkapan pipa |
| Pembangkit Listrik | Penukar panas, bilah turbin, selubung, pengencang |
| Otomotif | Rumah turbocharger, katup mesin, komponen knalpot |
| Pengolahan Kimia | Bagian dalam bejana proses, bagian penukar panas, katup, pompa |
| Medis | Implan gigi, prostetik, instrumen bedah |
Kemampuan unik pencetakan 3D membuatnya cocok untuk membuat komponen Inconel yang kompleks dengan bentuk dan desain yang dioptimalkan. Keringanan komponen dapat dicapai.
Spesifikasi untuk Suku Cadang Cetak 3D Inconel
Parameter dan spesifikasi penting yang perlu dipertimbangkan untuk komponen cetak Inconel 3D:
| Parameter | Rentang / Nilai Khas |
|---|---|
| Akurasi Dimensi | ± 0,1-0,2% atau ± 50 μm |
| Kekasaran Permukaan (Ra) | Seperti yang dicetak: 8-15 μm <br> Pasca diproses: 1-4 μm |
| Porositas | 0,5-2% untuk PBF laser <br> 5-10% untuk pengaliran pengikat sebelum infiltrasi |
| Ketebalan Dinding | Minimum 0,3-0,5 mm |
| Sifat Mekanis | Kekuatan dalam 15% bahan tempa <br> Perpanjangan 10-35% |
| Suhu Pengoperasian | Hingga 700°C untuk Inconel 718 <br> Lebih dari 1000 ° C untuk Inconel 939 |
Prinsip-prinsip desain penting untuk pencetakan 3D Inconel:
- Ketebalan dinding minimum untuk fitur mandiri
- Permukaan bersudut lebih besar dari 45 derajat mungkin memerlukan penyangga
- Jari-jari fillet yang besar direkomendasikan untuk geometri yang kompleks
Metode Pasca-Pemrosesan untuk Suku Cadang Cetak Inconel
Langkah-langkah pasca-pemrosesan yang umum untuk komponen Inconel yang sudah dicetak:
- Pelepasan dari pelat rakitan: Pemotongan, EDM kawat
- Penghapusan dukungan: Penghapusan mekanis, penghilang stres termal, pelarutan kimiawi
- Menghilangkan stres: Perlakuan panas di bawah suhu pelarutan untuk menghilangkan tegangan sisa
- Finishing permukaan: Pemesinan, penggilingan, pemolesan, pemesinan aliran abrasif, penyelesaian getaran
- Pengepresan isostatik panas (HIP): Menerapkan panas dan tekanan isostatik untuk menutup rongga internal dan meningkatkan sifat material
Pasca-pemrosesan sangat penting untuk meningkatkan kualitas dan performa komponen akhir. Metode yang digunakan bergantung pada persyaratan aplikasi.
Prinsip dan Rekomendasi Desain
Rekomendasi desain utama untuk mengoptimalkan komponen cetak 3D Inconel:
- Meminimalkan fitur menjorok yang membutuhkan penyangga
- Arahkan bagian untuk mengurangi struktur penyangga
- Hindari fitur menonjol yang tipis dan rentan terhadap perubahan bentuk
- Gunakan jari-jari internal yang besar untuk mengurangi tekanan
- Memungkinkan ekspansi termal dalam desain - Inconel memiliki koefisien ekspansi termal 13 x 10 -6 m/m°C
- Memperhitungkan sifat material anisotropik berdasarkan orientasi bangunan
- Merancang datum, toleransi, hasil akhir permukaan yang sesuai untuk pasca-pemrosesan
- Mensimulasikan rakitan dan tekanan termal menggunakan alat bantu CAE sebelum mencetak
Melakukan optimasi topologi dan mendesain ulang komponen secara khusus untuk pencetakan 3D akan menghasilkan manfaat maksimal dalam hal penghematan berat, peningkatan performa dan pengurangan biaya.
Pemasok untuk Layanan Pencetakan 3D Inconel
Banyak biro jasa yang menawarkan layanan pencetakan 3D Inconel dengan menggunakan berbagai macam proses:
| Perusahaan | Proses | Nilai Inconel | Industri yang Dilayani |
|---|---|---|---|
| Mewujudkan | Laser PBF, Pengaliran Pengikat | 718, 625, 800 | Kedirgantaraan, otomotif, industri umum |
| Sistem 3D | Laser PBF, DED | 718, 625, 939 | Minyak dan gas, kedirgantaraan, otomotif |
| Aditif GE | Laser PBF, Pengaliran Pengikat | 718, 625, 800H, 939 | Kedirgantaraan, minyak dan gas, pembangkit listrik |
| Voestalpine | Laser PBF, DED | 718, 625, 800H | Kedirgantaraan, minyak dan gas, otomotif |
| Hoganas | Pengaliran Pengikat | 718, 625 | Kedirgantaraan, otomotif, industri umum |
Banyak OEM printer yang juga menawarkan layanan pencetakan Inconel, termasuk EOS, Velo3D, SLM Solutions, Renishaw, dan AddUp. Proses PBF dan DED laser pada umumnya tersedia.
Analisis Biaya untuk Pencetakan 3D Inconel
| Proses | Tingkat Pembangunan | Ukuran Bagian | Waktu Pimpin | Biaya per Bagian |
|---|---|---|---|---|
| Laser PBF | 5-15 cm3/jam | 50 cm3 | 1-2 minggu | $250-$1000 |
| DED | 25-100 cm3/jam | 500 cm3 | 1 minggu | $100-$500 |
| Pengaliran Pengikat | 20-50 cm3/jam | 1000 cm3 | 1 minggu | $50-$200 |
Biaya bervariasi berdasarkan:
- Ukuran bagian, kompleksitas geometri, volume produksi
- Biaya bahan - Bubuk inconel mahal
- Tenaga kerja untuk desain, langkah-langkah pasca-pemrosesan
- Persyaratan kualifikasi dan sertifikasi
Untuk pembuatan prototipe dan volume produksi kecil, pencetakan 3D Inconel sangat hemat biaya dibandingkan dengan permesinan atau pengecoran. DED adalah proses yang paling ekonomis.
Cara Memilih Vendor untuk Pencetakan 3D Inconel
Pertimbangan utama saat memilih vendor untuk layanan pencetakan 3D Inconel:
- Pengalaman: Jumlah tahun bekerja dengan paduan Inconel, industri yang dilayani, studi kasus
- Kemampuan teknis: Proses yang ditawarkan, nilai Inconel yang dicetak, batas ukuran bagian, operasi sekunder
- Sertifikasi kualitas: Persetujuan ISO 9001, AS9100, dan Nadcap menunjukkan manajemen kualitas
- Validasi bagian: Pengujian material, validasi proses, pemeriksaan kualitas yang dilakukan
- Pasca-pemrosesan: Menghilangkan stres, Pengepresan Isostatik Panas, permesinan, layanan finishing
- Waktu tunggu: Kemampuan untuk mengirimkan suku cadang dengan cepat sangat penting
- Dukungan klien: Desain untuk panduan AM, optimalisasi topologi, pemantauan cetak, inspeksi bagian
- Biaya: Biaya pencetakan dan material, tarif tenaga kerja, diskon volume, sertifikasi
Hubungi beberapa vendor, bandingkan kemampuan, minta kupon uji coba untuk memenuhi syarat pemasok sebelum memulai produksi skala penuh dengan pencetakan 3D Inconel.
Pro vs Kontra Pencetakan 3D Inconel
| Keuntungan | Kekurangan |
|---|---|
| Geometri yang kompleks tidak mungkin dilakukan dengan proses lain | Biaya material yang relatif tinggi untuk bubuk Inconel |
| Desain yang ringan dan optimalisasi desain | Akurasi dimensi yang lebih rendah dan kekasaran permukaan yang lebih tinggi daripada pemesinan |
| Konsolidasi suku cadang dan rakitan yang berkurang | Jumlah nilai Inconel yang memenuhi syarat terbatas |
| Mengurangi waktu tunggu dan biaya untuk produksi volume rendah | Pemrosesan pasca sering kali diperlukan untuk mencapai sifat material yang diinginkan |
| Limbah material yang minimal | Sifat material anisotropik |
| Produksi sesuai permintaan, tanpa jumlah pesanan minimum | Persyaratan kualifikasi dan sertifikasi dalam industri yang diatur |
| Desain yang mudah dimodifikasi dan diulang-ulang | Tekanan termal dapat menyebabkan distorsi bagian |
Peran Pencetakan 3D Inconel di Bidang Manufaktur
Peran kunci yang dipenuhi oleh pencetakan 3D Inconel dalam bidang manufaktur:
- Produksi Prototipe: Pembuatan prototipe komponen Inconel yang cepat dan berbiaya rendah untuk verifikasi desain
- Perkakas Jembatan: Memproduksi cetakan, perlengkapan, jig dengan cepat selama transisi dari pembuatan prototipe ke manufaktur skala penuh
- Konsolidasi Bagian: Mendesain ulang rakitan dan mengkonsolidasikan suku cadang untuk mengurangi bobot dan biaya
- Kustomisasi Massal: Memfasilitasi suku cadang Inconel yang dipersonalisasi yang disesuaikan dengan kebutuhan pelanggan
- Suku Cadang: Pembuatan suku cadang sesuai permintaan sesuai kebutuhan, bukan produksi batch dan stok
- Fleksibilitas Rantai Pasokan: Memungkinkan pemindahan produksi antar lokasi dengan mudah dan mengurangi gangguan rantai pasokan
- Short Runs: Produksi ekonomis untuk batch komponen Inconel kecil yang dibutuhkan dalam volume rendah
Kemampuan unik dari manufaktur aditif menjadikannya pelengkap yang berharga bagi proses manufaktur konvensional untuk membuat komponen Inconel yang kompleks.
Masa Depan Pencetakan 3D Inconel
Pencetakan 3D Inconel diperkirakan akan tumbuh secara signifikan di tahun-tahun mendatang yang didorong oleh:
- Pengembangan superalloy Inconel baru yang dioptimalkan untuk proses AM
- Printer yang lebih baik dengan tingkat otomatisasi dan pengulangan yang lebih tinggi
- Kecepatan pembuatan yang lebih cepat dan hasil produksi yang lebih tinggi
- Kemampuan ukuran bagian yang diperluas
- Manufaktur hibrida yang menggabungkan proses AM dan subtraktif
- Peningkatan perangkat lunak yang memungkinkan optimalisasi struktur pendukung
- Peningkatan adopsi di sektor yang sangat diatur seperti kedirgantaraan dan medis
- Aplikasi di area yang sedang berkembang seperti perkakas, cetakan, jig, dan perlengkapan
- Penggunaan AM untuk perbaikan suku cadang dan layanan purnajual
Seiring dengan semakin matangnya teknologi ini, pencetakan 3D Inconel akan menjadi arus utama di lebih banyak industri karena kemampuannya untuk menghasilkan komponen logam berkinerja tinggi sesuai permintaan.
PERTANYAAN YANG SERING DIAJUKAN
T: Apa saja jenis paduan Inconel yang digunakan dalam pencetakan 3D?
J: Paduan Inconel yang paling umum digunakan dalam pencetakan 3D adalah Inconel 718, 625, 800 dan 939. Masing-masing memiliki sifat ketahanan terhadap suhu, korosi, dan oksidasi tertentu yang cocok untuk aplikasi yang berbeda.
T: Bagaimana sifat mekanis Inconel cetak 3D dibandingkan dengan komponen Inconel tempa?
J: Ketika parameter proses yang dioptimalkan digunakan, komponen Inconel yang dicetak 3D menunjukkan kekuatan tarik dalam 15% dari bahan tempa. Namun, keuletan dalam hal perpanjangan putus lebih rendah untuk komponen AM Inconel, dalam kisaran 10-35% versus 40-50% untuk tempa.
T: Metode pasca-pemrosesan apa yang digunakan pada komponen cetak Inconel 3D?
J: Langkah-langkah pasca-pemrosesan yang umum termasuk pelepasan penyangga, perlakuan panas penghilang stres, Hot Isostatic Pressing (HIP), pemesinan, penggilingan, pemolesan dan proses finishing lainnya. Hal ini membantu meningkatkan permukaan akhir, akurasi dimensi dan sifat material.
T: Apakah pencetakan 3D Inconel memerlukan peralatan atau infrastruktur khusus?
J: Mencetak paduan Inconel memerlukan fusi bed bed khusus atau printer deposisi energi terarah yang dilengkapi dengan ruang gas inert, laser bertenaga tinggi atau berkas elektron, dan sistem vakum. Menangani bubuk Inconel yang halus juga membutuhkan tindakan pencegahan dan prosedur khusus.
T: Apa saja contoh industri yang menggunakan pencetakan 3D Inconel?
J: Industri utama yang menggunakan pencetakan 3D Inconel meliputi kedirgantaraan, minyak dan gas, pembangkit listrik, pemrosesan kimia, otomotif, dan medis. Suku cadang seperti bilah turbin, komponen penukar panas, katup, dan prostetik biasanya dicetak 3D di Inconel.
T: Apakah memungkinkan untuk mencetak komponen Inconel berukuran besar secara 3D?
J: Meskipun kemampuan ukurannya berkembang, sebagian besar komponen cetak Inconel 3D saat ini volumenya kurang dari 1 kaki kubik. Untuk komponen yang sangat besar, deposisi energi terarah (DED) menawarkan fleksibilitas ukuran yang lebih besar daripada proses fusi unggun bubuk. Manufaktur hibrida yang menggabungkan proses AM dan subtraktif juga memungkinkan komponen Inconel yang lebih besar.
T: Apakah pencetakan 3D Inconel memerlukan pertimbangan desain khusus?
J: Prinsip-prinsip desain utama termasuk meminimalkan overhang, memungkinkan adanya tekanan termal, menggunakan toleransi dan permukaan akhir yang sesuai, dan mengarahkan komponen secara optimal untuk mengurangi penyangga. Pengoptimalan topologi dan desain ulang untuk AM menghasilkan manfaat yang maksimal.
T: Apa manfaat utama pencetakan 3D Inconel?
J: Manfaat utama pencetakan 3D Inconel adalah kemampuan untuk menghasilkan geometri kompleks yang tidak mungkin dilakukan dengan pengecoran atau penempaan, mengurangi waktu tunggu dan biaya untuk produksi volume rendah, desain ringan yang dioptimalkan, konsolidasi komponen, dan kemampuan manufaktur sesuai permintaan.
T: Bagaimana biaya pencetakan 3D Inconel dibandingkan dengan proses AM logam lainnya?
J: Serbuk Inconel lebih mahal daripada logam lain seperti baja tahan karat dan titanium. Dikombinasikan dengan parameter cetak yang menantang, hal ini membuat pencetakan 3D Inconel lebih mahal per bagian dibandingkan dengan pencetakan baja atau paduan titanium.