인코넬 3D 프린팅 개요
인코넬 3D 프린팅인코넬 합금을 이용한 적층 제조는 3D 프린팅 기술을 사용하여 인코넬 금속 분말로 부품을 제조하는 것을 말합니다. 인코넬은 고강도, 내식성 및 내열성으로 잘 알려진 니켈-크롬 기반 초합금 계열의 합금입니다. 인코넬 3D 프린팅의 주요 특징은 다음과 같습니다:
- 기존 제조 방식으로는 불가능했던 복잡하고 가벼운 형상을 제작할 수 있습니다.
- 단조 인코넬 부품에 필적하는 우수한 기계적 특성 및 재료 성능
- 금형, 금형 또는 특수 툴링 없이도 주문형 부품 인쇄 가능
- 소량 생산 시 리드 타임 및 비용 절감
- 토폴로지 최적화를 통해 최적화된 모양과 디자인을 생성하는 기능
- 인코넬 3D 프린팅 부품을 사용하는 광범위한 산업 분야에는 항공 우주, 자동차, 석유 및 가스, 의료, 화학 공정이 포함됩니다.
고려해야 할 인코넬 3D 프린팅의 몇 가지 장점과 한계:
인코넬 3D 프린팅의 장점
- 복잡한 기하학적 구조와 경량 구조
- 맞춤형, 최적화된 디자인
- 낭비 감소 - 필요한 만큼의 재료만 사용
- 리드 타임 단축, 소량 배치 비용 절감
- 손쉬운 디자인 변경 및 반복
- 어셈블리 통합 및 부품 수 감소
- 최소 주문 수량 없이 온디맨드 부품 구매
인코넬 3D 프린팅의 한계
- 대량 생산 시 더 높은 비용
- 스테인리스 스틸과 같은 다른 금속보다 느린 제작 속도
- 원하는 표면 마감을 얻기 위해 후처리가 필요할 수 있습니다.
- 이방성 머티리얼 속성
- 규제 대상 산업의 자격 및 인증 요건
- 3D 프린팅에 적합한 제한된 수의 인코넬 합금 등급
3D 프린팅에 사용되는 인코넬 합금의 종류
3D 프린팅 공정에 사용하기 위해 여러 가지 인코넬 초합금 등급이 개발되었습니다. 가장 일반적으로 사용되는 인코넬 합금은 다음과 같습니다:
| 인코넬 합금 | 주요 기능 |
|---|---|
| 인코넬 718 | 최대 700°C까지 견디는 뛰어난 강도와 내식성. 항공우주 부품에 가장 많이 사용됩니다. |
| 인코넬 625 | 뛰어난 내식성, 우수한 용접성 및 980°C까지 견디는 강도. 화학 처리, 해양 분야에 사용됩니다. |
| 인코넬 825 | 산화 및 내식성이 우수합니다. 석유 및 가스 부품, 발전소 등에 사용됩니다. |
| 인코넬 939 | 최대 1095°C까지 안정적인 고강도 니켈 합금. 가스터빈 엔진 부품에 사용됩니다. |
3D 프린팅 가능성이 있는 기타 인코넬 합금:
- 인코넬 X-750
- 인코넬 909
- 인코넬 939ER
인코넬 3D 프린팅 공정
인코넬 초합금 인쇄에는 여러 가지 적층 제조 공정이 사용됩니다:
| 프로세스 | 작동 방식 | 혜택 | 제한 사항 |
|---|---|---|---|
| 파우더 베드 퓨전 - 레이저 | 레이저로 파우더 층을 선택적으로 용융 | 우수한 정확도, 표면 마감 | 상대적으로 느림 |
| 파우더 베드 융합 - 전자빔 | 전자 빔이 분말 층을 녹입니다. | 레이저보다 빠른 빌드 속도 | 진공 챔버의 요구 사항 |
| 직접 에너지 증착(DED) | 집중된 열 에너지원은 증착 중에 금속 분말 또는 와이어 공급 원료를 녹입니다. | 재료를 추가하여 부품 수리 및 코팅 가능 | 거친 표면 마감, 후처리 필요 |
| 바인더 분사 | 액체 결합제는 분말 입자를 선택적으로 결합합니다. | 비교적 빠르고 저렴한 비용 | 낮은 밀도 및 강도, 침투가 필요한 경우 |
주요 프로세스 매개변수: 레이저 출력, 스캔 속도, 해치 간격, 층 두께, 제작 방향, 지지 구조, 예열 온도 및 후처리 단계. 원하는 특성을 얻으려면 각 인코넬 합금에 맞게 공정 파라미터를 최적화해야 합니다.
인코넬 3D 프린팅의 응용 분야
적층 제조 인코넬 부품을 사용하는 주요 산업과 그 응용 분야:
| 산업 | 일반적인 애플리케이션 |
|---|---|
| 항공우주 | 터빈 블레이드, 임펠러, 연소기 라이너, 밸브, 하우징, 브래킷 |
| 석유 및 가스 | 다운홀 공구, 밸브, 웰헤드 구성품, 파이프 피팅 |
| 전력 생성 | 열교환기, 터빈 블레이드, 케이스, 패스너 |
| 자동차 | 터보차저 하우징, 엔진 밸브, 배기 부품 |
| 화학 처리 | 프로세스 용기 내부, 열교환기 부품, 밸브, 펌프 |
| 의료 | 치과 임플란트, 보철물, 수술 도구 |
3D 프린팅의 고유한 기능으로 인해 최적화된 모양과 디자인으로 복잡한 인코넬 부품을 제작하는 데 적합합니다. 부품의 경량화를 달성할 수 있습니다.
인코넬 3D 프린팅 부품 사양
인코넬 3D 프린팅 부품에 대해 고려해야 할 중요한 파라미터 및 사양입니다:
| 매개변수 | 일반적인 범위/값 |
|---|---|
| 치수 정확도 | ± 0.1-0.2% 또는 ± 50μm |
| 표면 거칠기(Ra) | 인쇄된 상태: 8-15 μm <br> 후처리: 1-4 μm |
| 다공성 | 레이저 PBF용 0.5-2% <br> 침투 전 바인더 분사용 5-10% |
| 벽 두께 | 최소 0.3-0.5mm |
| 기계적 특성 | 단조 소재의 15% 이내의 강도 <br> 신장 10-35% |
| 작동 온도 | 최대 700°C(인코넬 718의 경우) <br> 인코넬 939의 경우 1000°C 이상 |
인코넬 3D 프린팅의 핵심 설계 원칙:
- 자체 지지 기능을 위한 최소 벽 두께
- 45도 이상의 각진 표면은 지지대가 필요할 수 있습니다.
- 복잡한 지오메트리에 권장되는 넉넉한 필렛 반경
인코넬 프린트 부품의 후처리 방법
적층 인쇄된 인코넬 부품의 일반적인 후처리 단계:
- 빌드 플레이트에서 제거합니다: 절단, 와이어 EDM
- 지원 제거: 기계적 제거, 열적 스트레스 완화, 화학적 용해
- 스트레스 해소: 잔류 응력 제거를 위한 용해 온도 이하의 열처리
- 표면 마감: 가공, 연삭, 연마, 연마 흐름 가공, 진동 마무리
- 열간 등방성 프레싱(HIP): 열과 등압을 가하여 내부 공극을 막고 재료 특성을 개선합니다.
후처리는 최종 부품 품질과 성능을 개선하는 데 매우 중요합니다. 사용되는 방법은 애플리케이션 요구 사항에 따라 다릅니다.
설계 원칙 및 권장 사항
인코넬 3D 프린팅 부품 최적화를 위한 주요 설계 권장 사항:
- 지지대가 필요한 돌출된 기능 최소화
- 지지 구조를 줄이기 위한 부품 방향 조정
- 변형되기 쉬운 얇고 튀어나온 피처를 피하세요.
- 넉넉한 내부 반경으로 스트레스 해소
- 설계 시 열팽창 허용 - 인코넬의 열팽창 계수는 13 x 10-6 m/m°C입니다.
- 빌드 방향에 따라 이방성 머티리얼 프로퍼티를 고려합니다.
- 후처리를 위한 적절한 데이텀, 공차, 표면 마감 설계
- 인쇄 전 CAE 도구를 사용하여 빌드 및 열 응력 시뮬레이션
토폴로지 최적화를 수행하고 3D 프린팅 전용 부품을 재설계하면 중량 절감, 성능 개선 및 비용 절감 측면에서 최대의 이점을 얻을 수 있습니다.
인코넬 3D 프린팅 서비스 공급업체
많은 서비스 사무소에서 다양한 프로세스를 사용하여 인코넬 3D 프린팅 서비스를 제공합니다:
| 회사 | 프로세스 | 인코넬 등급 | 서비스 대상 산업 |
|---|---|---|---|
| 구체화 | 레이저 PBF, 바인더 분사 | 718, 625, 800 | 항공우주, 자동차, 일반 산업 |
| 3D Systems | 레이저 PBF, DED | 718, 625, 939 | 석유 및 가스, 항공우주, 자동차 |
| GE 애디티브 | 레이저 PBF, 바인더 분사 | 718, 625, 800H, 939 | 항공우주, 석유 및 가스, 발전 |
| 보스탈파인 | 레이저 PBF, DED | 718, 625, 800H | 항공우주, 석유 및 가스, 자동차 |
| 호가나스 | 바인더 분사 | 718, 625 | 항공우주, 자동차, 일반 산업 |
또한 EOS, Velo3D, SLM Solutions, Renishaw, AddUp 등 많은 프린터 OEM에서 인코넬 프린팅 서비스를 제공합니다. 일반적으로 레이저 PBF 및 DED 공정을 모두 사용할 수 있습니다.
인코넬 3D 프린팅 비용 분석
| 프로세스 | 빌드 속도 | 부품 크기 | 리드 타임 | 부품당 비용 |
|---|---|---|---|---|
| 레이저 PBF | 5-15 cm3/시간 | 50 cm3 | 1-2주 | $250-$1000 |
| DED | 25-100 cm3/hr | 500 cm3 | 1주 | $100-$500 |
| 바인더 분사 | 20-50 cm3/시간 | 1000 cm3 | 1주 | $50-$200 |
비용은 다음에 따라 다릅니다:
- 부품 크기, 형상 복잡성, 생산량
- 재료비 - 인코넬 분말은 비싸다
- 디자인, 후처리 단계의 노동력
- 자격 및 인증 요건
프로토타입 제작 및 소량 생산의 경우 3D 프린팅 인코넬은 기계 가공이나 주조에 비해 비용 효율성이 매우 높습니다. DED는 가장 경제적인 공정입니다.
인코넬 3D 프린팅을 위한 공급업체를 선택하는 방법
인코넬 3D 프린팅 서비스를 위한 공급업체를 선택할 때 고려해야 할 주요 사항:
- 경험: 인코넬 합금 사용 기간, 서비스 산업, 사례 연구
- 기술 역량: 제공되는 공정, 인쇄된 인코넬 등급, 부품 크기 제한, 2차 작업
- 품질 인증: ISO 9001, AS9100, Nadcap 승인으로 품질 관리 입증
- 부품 유효성 검사: 재료 테스트, 공정 검증, 품질 검사 수행
- 후처리: 스트레스 해소, 열간 등방성 프레스, 가공, 마감 서비스
- 리드 타임: 신속한 부품 배송 능력은 필수
- 고객 지원: 적층 가공 안내, 토폴로지 최적화, 인쇄 모니터링, 부품 검사를 위한 설계
- 비용: 인쇄 및 재료 비용, 인건비, 대량 할인, 인증
인코넬 3D 프린팅으로 본격적인 생산을 시작하기 전에 여러 공급업체에 연락하여 기능을 비교하고, 적격 공급업체에 테스트 쿠폰을 요청하세요.
인코넬 3D 프린팅의 장단점
| 장점 | 단점 |
|---|---|
| 다른 프로세스에서는 불가능한 복잡한 형상 | 인코넬 분말의 상대적으로 높은 재료비 |
| 설계 경량화 및 최적화 | 가공보다 낮은 치수 정확도와 높은 표면 거칠기 |
| 부품 통합 및 어셈블리 감소 | 제한된 수의 적격 인코넬 등급 |
| 소량 생산을 위한 리드 타임 및 비용 절감 | 원하는 재료 특성을 얻기 위해 후처리가 필요한 경우가 많습니다. |
| 재료 낭비 최소화 | 이방성 머티리얼 속성 |
| 온디맨드 제조, 최소 주문 수량 없음 | 규제 대상 산업의 자격 및 인증 요건 |
| 손쉬운 디자인 수정 및 반복 | 열 응력으로 인해 부품이 왜곡될 수 있습니다. |
제조 분야에서 인코넬 3D 프린팅의 역할
인코넬 3D 프린팅이 제조 분야에서 수행하는 주요 역할:
- 프로토타입 제작: 설계 검증을 위한 인코넬 부품의 신속하고 저렴한 프로토타입 제작
- 브리지 툴링: 프로토타입 제작에서 본격적인 제조로 전환하는 동안 금형, 픽스처, 지그를 신속하게 제작합니다.
- 파트 통합: 무게와 비용 절감을 위한 어셈블리 재설계 및 부품 통합
- 대량 사용자 지정: 고객 요구 사항에 맞춘 맞춤형 인코넬 부품 제작 지원
- 예비 부품: 일괄 생산 및 재고 보유가 아닌 필요에 따라 교체 부품의 온디맨드 제조
- 공급망 유연성: 여러 위치에서 생산을 쉽게 전환하고 공급망 중단을 완화할 수 있습니다.
- 단기 실행: 소량으로 필요한 소형 인코넬 부품 배치의 경제적인 생산
적층 제조의 고유한 기능 덕분에 복잡한 인코넬 부품을 제작하는 기존 제조 공정을 보완하는 데 유용합니다.
인코넬 3D 프린팅의 미래
인코넬 3D 프린팅은 다음과 같은 요인에 힘입어 향후 몇 년 동안 크게 성장할 것으로 예상됩니다:
- AM 공정에 최적화된 새로운 인코넬 초합금 개발
- 더 높은 수준의 자동화 및 반복성을 갖춘 개선된 프린터
- 더 빠른 빌드 속도와 더 높은 생산 처리량
- 확장된 부품 크기 기능
- 적층 제조와 감산 공정을 결합한 하이브리드 제조
- 지원 구조를 최적화할 수 있는 소프트웨어 개선 사항
- 항공우주 및 의료와 같이 규제가 엄격한 분야에서의 채택 증가
- 툴링, 금형, 지그 및 픽스처와 같은 새로운 영역의 애플리케이션
- 부품 수리 및 애프터마켓 서비스를 위한 AM 사용
기술이 더욱 발전함에 따라 인코넬 3D 프린팅은 고성능 금속 부품을 주문형으로 생산할 수 있어 더 많은 산업 분야에서 주류로 자리 잡을 것입니다.
자주 묻는 질문
Q: 3D 프린팅에 사용되는 인코넬 합금에는 어떤 종류가 있나요?
A: 3D 프린팅에 가장 많이 사용되는 인코넬 합금은 인코넬 718, 625, 800 및 939입니다. 각각은 다양한 용도에 적합한 특정 온도, 부식 및 내산화 특성을 가지고 있습니다.
Q: 3D 프린팅 인코넬의 기계적 특성은 단조 인코넬 부품과 어떻게 비교되나요?
A: 최적화된 공정 파라미터를 사용할 경우 3D 프린팅된 인코넬 부품은 단조 소재의 15% 이내의 인장 강도를 나타냅니다. 그러나 파단 연신율 측면에서 연성은 AM 인코넬 부품의 경우 10-35% 범위에서 더 낮은 반면, 단조 부품의 경우 40-50% 범위에서 더 높습니다.
Q: 인코넬 3D 프린팅 부품에는 어떤 후처리 방법이 사용되나요?
A: 일반적인 후처리 단계에는 지지대 제거, 응력 완화 열처리, 열간 등방성 프레스(HIP), 가공, 연마, 연마 및 기타 마감 공정이 포함됩니다. 이를 통해 표면 마감, 치수 정확도 및 재료 특성을 개선할 수 있습니다.
Q: 인코넬 3D 프린팅에는 특별한 장비나 인프라가 필요합니까?
A: 인코넬 합금을 인쇄하려면 불활성 가스 챔버, 고출력 레이저 또는 전자빔, 진공 시스템을 갖춘 특수 파우더 베드 융합 또는 지향성 에너지 증착 프린터가 필요합니다. 미세한 인코넬 분말을 취급할 때도 특별한 예방 조치와 절차가 필요합니다.
Q: 인코넬 3D 프린팅을 사용하는 산업 분야에는 어떤 것들이 있나요?
A: 인코넬 3D 프린팅을 사용하는 주요 산업으로는 항공우주, 석유 및 가스, 발전, 화학 공정, 자동차, 의료 등이 있습니다. 터빈 블레이드, 열교환기 부품, 밸브 및 보철물과 같은 부품은 일반적으로 인코넬로 3D 프린팅됩니다.
Q: 대형 인코넬 부품을 3D 프린팅할 수 있나요?
A: 크기 기능이 확장되고 있지만, 현재 대부분의 인코넬 3D 프린팅 부품은 부피가 1입방피트 미만입니다. 초대형 부품의 경우 지향성 에너지 증착(DED)이 분말 베드 융착 공정보다 제작 크기 유연성이 뛰어납니다. 또한 적층 제조와 서브트랙티브 공정을 결합한 하이브리드 제조를 통해 더 큰 인코넬 부품을 제작할 수 있습니다.
Q: 인코넬 3D 프린팅에 특별한 설계 고려 사항이 필요합니까?
A: 주요 설계 원칙에는 오버행 최소화, 열 응력 허용, 적절한 공차 및 표면 마감 사용, 서포트를 줄이기 위한 최적의 부품 배향 등이 포함됩니다. 토폴로지 최적화와 적층 제조를 위한 재설계로 최대의 이점을 얻을 수 있습니다.
Q: 인코넬 3D 프린팅의 주요 이점은 무엇인가요?
A: 주조나 단조로는 불가능한 복잡한 형상을 제작할 수 있고, 소량 생산을 위한 리드 타임 및 비용 절감, 최적화된 경량 설계, 부품 통합, 온디맨드 제조 기능 등이 인코넬 3D 프린팅의 주요 이점입니다.
Q: 인코넬 3D 프린팅의 비용은 다른 금속 AM 공정과 어떻게 비교되나요?
A: 인코넬 파우더는 스테인리스 스틸이나 티타늄과 같은 다른 금속보다 비쌉니다. 까다로운 프린트 파라미터와 결합하여 인코넬 3D 프린팅은 스틸 또는 티타늄 합금 프린팅에 비해 부품당 비용이 더 많이 듭니다.