Inconel 3D tisk: výhody, typy, aplikace

Přehled 3D tisku Inconel

3D tisk z materiálu Inconel, známá také jako aditivní výroba ze slitin Inconel, označuje výrobu součástí z kovových prášků Inconel pomocí technologií 3D tisku. Inconel je skupina superslitin na bázi niklu a chromu, která je známá pro své vysoké pevnostní, korozní a tepelně odolné vlastnosti. Mezi klíčové vlastnosti 3D tisku z materiálu Inconel patří:

• Umožňuje výrobu složitých, lehkých geometrií, které nejsou možné při konvenční výrobě.
• Dobré mechanické vlastnosti a výkonnost materiálu srovnatelné s dílci z tepaného Inconelu.
• Díly lze tisknout na vyžádání bez nutnosti použití forem, lisovacích forem nebo speciálních nástrojů.
• Zkrácení dodací lhůty a nákladů na malosériovou výrobu
• Možnost vytvářet optimalizované tvary a návrhy pomocí optimalizace topologie
• Široká škála průmyslových odvětví využívajících 3D tisk dílů Inconel zahrnuje letecký a automobilový průmysl, ropný a plynárenský průmysl, zdravotnictví, chemické zpracování.

Některé výhody a omezení 3D tisku Inconel, které je třeba zvážit:

Výhody 3D tisku Inconel

• Složité geometrie a lehké konstrukce
• Optimalizované návrhy na míru
• Snížení množství odpadu - použijte pouze potřebné množství materiálu
• Kratší dodací lhůty, nižší náklady na malé série
• Snadné provádění změn a iterací návrhu
• Konsolidované sestavy a snížený počet dílů
• Nákup dílů na vyžádání bez minimálního objednacího množství

Omezení 3D tisku Inconel

• Vyšší náklady při velkých objemech výroby
• Pomalejší rychlost vytváření než u jiných kovů, např. nerezových ocelí.
• K dosažení požadované povrchové úpravy může být nutné následné zpracování.
• Anizotropní vlastnosti materiálu
• Kvalifikační a certifikační požadavky v regulovaných odvětvích
• Omezený počet kvalifikovaných tříd slitin Inconel pro 3D tisk

Typy slitin Inconel používaných při 3D tisku

Pro použití v procesech 3D tisku bylo vyvinuto několik druhů superslitin Inconel. Nejčastěji používané slitiny Inconelu jsou:

Slitina Inconel	Klíčové vlastnosti
Inconel 718	Vynikající pevnost a odolnost proti korozi až do 700 °C. Nejoblíbenější pro letecké a kosmické komponenty.
Inconel 625	Vynikající odolnost proti korozi, dobrá svařitelnost a pevnost až do 980 °C. Používá se pro chemické zpracování, námořní aplikace.
Inconel 825	Dobrá odolnost proti oxidaci a korozi. Používá se pro komponenty pro těžbu ropy a zemního plynu, elektrárny.
Inconel 939	Vysokopevnostní slitina niklu stabilní až do 1095 °C . Používá se pro díly motorů plynových turbín.

Další slitiny Inconelu s potenciálem pro 3D tisk:

• Inconel X-750
• Inconel 909
• Inconel 939ER

Procesy 3D tisku pro Inconel

Pro tisk superslitin Inconelu se používá několik aditivních výrobních postupů:

Proces	Jak to funguje	Výhody	Omezení
Fúze v práškovém loži - laser	Laser selektivně taví vrstvy prášku	Dobrá přesnost, povrchová úprava	Relativně pomalé
Fúze v práškovém loži - elektronový svazek	Elektronový paprsek taví vrstvy prášku	Rychlejší sestavování než laser	Požadavek na vakuovou komoru
Usměrněná depozice energie (DED)	Fokusovaný zdroj tepelné energie taví kovový prášek nebo drátěnou surovinu během nanášení.	Může opravovat a natírat díly přidáním materiálu	Hrubší povrchová úprava, nutná dodatečná úprava
Tryskání pojiva	Kapalné pojivo selektivně spojuje částice prášku	Relativně rychlé a levné	Nižší hustota a pevnost, nutná infiltrace

Klíčové parametry procesu: Výkon laseru, rychlost skenování, rozteč šraf, tloušťka vrstvy, orientace konstrukce, podpůrné struktury, teplota předehřevu a kroky následného zpracování. Parametry procesu je třeba optimalizovat pro každou slitinu Inconelu, aby se dosáhlo požadovaných vlastností.

Aplikace 3D tisku Inconel

Klíčová odvětví používající aditivně vyráběné díly Inconel a jejich aplikace:

Průmysl	Typické aplikace
Aerospace	Lopatky turbíny, oběžná kola, obložení spalovacích motorů, ventily, skříně, držáky.
Ropa a plyn	Vrtné nářadí, ventily, součásti ústí vrtu, potrubní armatury
Výroba elektřiny	Výměníky tepla, lopatky turbín, pláště, spojovací materiál
Automobilový průmysl	Skříně turbodmychadla, ventily motoru, součásti výfuku
Chemické zpracování	Vnitřní části procesních nádob, díly výměníků tepla, ventily, čerpadla
Lékařský	Zubní implantáty, protetika, chirurgické nástroje

Jedinečné schopnosti 3D tisku umožňují vyrábět složité díly z materiálu Inconel s optimalizovanými tvary a konstrukcemi. Lze dosáhnout odlehčení součástí.

Specifikace pro 3D tištěné díly Inconel

Důležité parametry a specifikace, které je třeba zohlednit u 3D tištěných dílů z materiálu Inconel:

Parametr	Typický rozsah/hodnoty
Rozměrová přesnost	± 0,1-0,2% nebo ± 50 μm
Drsnost povrchu (Ra)	Po vytištění: 8-15 μm <br> Následné zpracování: 1-4 μm
Pórovitost	0,5-2% pro laser PBF <br> 5-10% pro tryskání pojiva před infiltrací
Tloušťka stěny	Minimálně 0,3-0,5 mm
Mechanické vlastnosti	Pevnost v rámci 15% kovaného materiálu <br> Prodloužení 10-35%
Provozní teploty	Až 700 °C pro Inconel 718 <br> Více než 1000 °C pro Inconel 939

Kritické konstrukční zásady pro 3D tisk z materiálu Inconel:

• Minimální tloušťka stěny pro samonosné prvky
• U ploch s úhlem větším než 45 stupňů mohou být zapotřebí podpěry.
• Pro složité geometrie se doporučují velké poloměry krojů

Metody následného zpracování tištěných dílů z inconelu

Běžné kroky následného zpracování dílů z materiálu Inconel vytištěných as-printingem:

• Vyjmutí ze stavební desky: Řezání, elektroerozivní obrábění
• Odstranění podpory: Mechanické odstraňování, tepelné uvolňování napětí, chemické rozpouštění
• Ulevuje od stresu: Tepelné zpracování pod teplotou rozpuštění k odstranění zbytkových napětí
• Povrchová úprava: Obrábění, broušení, leštění, abrazivní proudové obrábění, vibrační dokončování
• Lisování za tepla (HIP): Použitím tepla a izostatického tlaku se uzavřou vnitřní dutiny a zlepší vlastnosti materiálu.

Následné zpracování má zásadní význam pro zlepšení kvality a výkonu finálního dílu. Použité metody závisí na požadavcích aplikace.

Zásady návrhu a doporučení

Klíčová konstrukční doporučení pro optimalizaci 3D tištěných dílů z materiálu Inconel:

• Minimalizace převislých prvků vyžadujících podpěry
• Orientujte díly tak, abyste snížili podpůrné konstrukce
• Vyhněte se tenkým vyčnívajícím prvkům náchylným k deformaci.
• Použití velkorysých vnitřních poloměrů ke snížení napětí
• zohlednění tepelné roztažnosti při návrhu - Inconel má koeficient tepelné roztažnosti 13 x 10^-6 m/m°C.
• zohlednění anizotropních vlastností materiálu na základě orientace konstrukce
• Navrhněte vhodné vztažné body, tolerance a povrchové úpravy pro následné zpracování.
• Simulace sestav a tepelného namáhání pomocí nástrojů CAE před tiskem

Provádění optimalizace topologie a přepracování dílů speciálně pro 3D tisk vede k maximálním přínosům z hlediska úspory hmotnosti, zlepšení výkonu a snížení nákladů.

Dodavatelé služeb 3D tisku Inconel

Mnoho servisních kanceláří nabízí služby 3D tisku Inconelu pomocí různých procesů:

Společnost	Procesy	Třídy Inconelu	Obsluhovaná odvětví
Materialise	Laser PBF, tryskání pojiva	718, 625, 800	Letectví, automobilový průmysl, všeobecný průmysl
3D Systems	Laser PBF, DED	718, 625, 939	Ropa a plyn, letecký a automobilový průmysl
Přísady GE	Laser PBF, tryskání pojiva	718, 625, 800H, 939	Letecký průmysl, ropný a plynárenský průmysl, výroba energie
Voestalpine	Laser PBF, DED	718, 625, 800H	Letectví, ropný a plynárenský průmysl, automobilový průmysl
Hoganas	Tryskání pojiva	718, 625	Letectví, automobilový průmysl, všeobecný průmysl

Mnoho výrobců OEM tiskáren rovněž nabízí služby tisku na Inconel, včetně společností EOS, Velo3D, SLM Solutions, Renishaw a AddUp. Laserové procesy PBF i DED jsou běžně dostupné.

Analýza nákladů na 3D tisk z Inconelu

Proces	Rychlost sestavení	Velikost dílu	Doba realizace	Náklady na díl
Laser PBF	5-15 cm3/hod	50 cm3	1-2 týdny	$250-$1000
DED	25-100 cm3/hod	500 cm3	1 týden	$100-$500
Tryskání pojiva	20-50 cm3/hod	1000 cm3	1 týden	$50-$200

Náklady se liší podle:

• Velikost dílu, složitost geometrie, objem výroby
• Materiálové náklady - Inconelový prášek je drahý
• Pracovní síla pro návrh, kroky následného zpracování
• Kvalifikační a certifikační požadavky

Pro výrobu prototypů a malých výrobních objemů je 3D tisk Inconelu ve srovnání s obráběním nebo odléváním cenově velmi výhodný. DED je nejekonomičtější proces.

Jak vybrat prodejce pro 3D tisk z materiálu Inconel

Klíčová hlediska při výběru dodavatele služeb 3D tisku Inconel:

• Zkušenosti: Počet let práce se slitinami Inconel, obsluhovaná odvětví, případové studie
• Technické schopnosti: Nabízené procesy, tištěné třídy Inconelu, omezení velikosti dílů, sekundární operace
• Certifikace kvality: Schválení ISO 9001, AS9100, Nadcap prokazují řízení kvality
• Ověření platnosti části: Testování materiálů, validace procesů a kontroly kvality
• Následné zpracování: Odlehčování napětí, lisování za tepla, obrábění, dokončovací služby
• Dodací lhůty: Zásadní je schopnost rychlého dodání dílů
• Podpora klientů: Návrh pro vedení AM, optimalizace topologie, sledování tisku, kontroly dílů
• Náklady: Náklady na tisk a materiál, sazby za práci, množstevní slevy, certifikace

Před zahájením plnohodnotné výroby pomocí 3D tisku Inconel kontaktujte více dodavatelů, porovnejte jejich schopnosti a vyžádejte si zkušební kupony, abyste dodavatele kvalifikovali.

Výhody vs. nevýhody 3D tisku z Inconelu

Výhody	Nevýhody
Složité geometrie, které jiné procesy neumožňují	Relativně vysoké náklady na materiál pro práškový Inconel
Odlehčení a optimalizace návrhů	nižší rozměrová přesnost a vyšší drsnost povrchu než při obrábění
Konsolidace dílů a redukované sestavy	Omezený počet kvalifikovaných tříd Inconelu
Zkrácení dodacích lhůt a nákladů při malosériové výrobě	K dosažení požadovaných vlastností materiálu je často nutné následné zpracování.
Minimální odpad materiálu	Anizotropní vlastnosti materiálu
Výroba na vyžádání, žádné minimální množství objednávky	Kvalifikační a certifikační požadavky v regulovaných odvětvích
Snadné úpravy a iterace návrhů	Tepelné namáhání může způsobit deformace dílů.

Úloha 3D tisku Inconel ve výrobě

Klíčové role, které 3D tisk Inconel plní ve výrobě:

• Výroba prototypů: Rychlá a levná výroba prototypů komponent Inconel pro ověření návrhu
• Nástroje pro mosty: Rychlá výroba forem, přípravků a přípravků při přechodu od výroby prototypů k sériové výrobě.
• Konsolidace částí: Přepracování sestav a konsolidace dílů pro snížení hmotnosti a nákladů.
• Hromadné přizpůsobení: Usnadnění personalizace dílů Inconel na míru požadavkům zákazníka
• Náhradní díly: Výroba náhradních dílů na vyžádání podle potřeby namísto sériové výroby a skladování.
• Flexibilita dodavatelského řetězce: Umožňuje snadné přesouvání výroby mezi jednotlivými lokalitami a zmírňuje narušení dodavatelského řetězce.
• Krátké běhy: Ekonomická výroba malých dávek dílů Inconel potřebných v malých objemech

Jedinečné možnosti aditivní výroby z ní činí cenný doplněk konvenčních výrobních procesů pro výrobu složitých komponentů Inconel.

Budoucnost 3D tisku z Inconelu

Očekává se, že 3D tisk z inconelu v nadcházejících letech výrazně poroste díky:

• Vývoj nových superslitin Inconelu optimalizovaných pro procesy AM
• Vylepšené tiskárny s vyšší úrovní automatizace a opakovatelnosti
• Vyšší rychlost sestavování a vyšší propustnost výroby
• Rozšířené možnosti velikosti dílů
• Hybridní výroba kombinující AM a subtraktivní procesy
• Vylepšení softwaru umožňující optimalizaci podpůrných struktur
• Větší rozšíření v přísně regulovaných odvětvích, jako je letecký průmysl a zdravotnictví.
• Aplikace v nově vznikajících oblastech, jako jsou nástroje, formy, přípravky a upínací přípravky.
• Využití AM pro opravy dílů a poprodejní služby

S dalším rozvojem této technologie se 3D tisk z materiálu Inconel stane běžnou záležitostí ve více průmyslových odvětvích díky své schopnosti vyrábět vysoce výkonné kovové díly na vyžádání.

FAQ

Otázka: Jaké jsou různé typy slitin Inconel používaných při 3D tisku?

Odpověď: Nejběžnější slitiny Inconelu používané pro 3D tisk jsou Inconel 718, 625, 800 a 939. Každá z nich má specifické teplotní, korozní a oxidační vlastnosti vhodné pro různé aplikace.

Otázka: Jaké jsou mechanické vlastnosti 3D tištěných dílů Inconel v porovnání s díly z Inconelu vyrobenými tepaním?

Odpověď: Při použití optimalizovaných procesních parametrů vykazují 3D tištěné součásti Inconel pevnost v tahu v rozmezí 15% od tvářeného materiálu. Avšak tažnost ve smyslu prodloužení při přetržení je u dílů z Inconelu vyrobených technologií AM nižší, a to v rozmezí 10-35% oproti 40-50% u kovaného materiálu.

Otázka: Jaké metody následného zpracování se používají u 3D tištěných dílů Inconel?

Odpověď: Mezi běžné kroky následného zpracování patří odstranění podpěr, tepelné zpracování pro uvolnění napětí, lisování za tepla (HIP), obrábění, broušení, leštění a další dokončovací procesy. To pomáhá zlepšit kvalitu povrchu, rozměrovou přesnost a vlastnosti materiálu.

Otázka: Vyžaduje 3D tisk Inconelu nějaké speciální vybavení nebo infrastrukturu?

Odpověď: Tisk slitin Inconelu vyžaduje specializované tiskárny pro tavení v práškovém loži nebo pro nanášení směrované energie vybavené komorami s inertním plynem, vysoce výkonnými lasery nebo elektronovými paprsky a vakuovými systémy. Manipulace s jemným práškem Inconel vyžaduje také zvláštní bezpečnostní opatření a postupy.

Otázka: Jaké jsou příklady průmyslových odvětví, která používají 3D tisk z Inconelu?

Odpověď: Mezi klíčová průmyslová odvětví využívající 3D tisk z materiálu Inconel patří letecký průmysl, ropný a plynárenský průmysl, výroba energie, chemické zpracování, automobilový průmysl a zdravotnictví. Z materiálu Inconel se běžně tisknou díly, jako jsou lopatky turbín, součásti výměníků tepla, ventily a protetika.

Otázka: Je možné 3D tisknout velké díly z Inconelu?

Odpověď: I když se možnosti velikosti rozšiřují, většina 3D tištěných dílů z materiálu Inconel má v současné době objem menší než 1 krychlový metr. Pro velmi velké díly nabízí usměrněné nanášení energie (DED) větší flexibilitu velikosti sestavení než procesy tavení v práškovém loži. Hybridní výroba kombinující AM a subtraktivní procesy rovněž umožňuje vyrábět větší díly z Inconelu.

Otázka: Vyžaduje 3D tisk z materiálu Inconel nějaká speciální konstrukční opatření?

Odpověď: Mezi klíčové zásady návrhu patří minimalizace přesahů, zohlednění tepelného namáhání, použití vhodných tolerancí a povrchových úprav a optimální orientace dílů pro snížení počtu podpěr. Optimalizace topologie a přepracování návrhu pro AM vede k maximálním přínosům.

Otázka: Jaké jsou hlavní výhody 3D tisku z materiálu Inconel?

Odpověď: Klíčovými výhodami 3D tisku Inconelu jsou možnost výroby složitých geometrií, které nejsou možné při odlévání nebo kování, zkrácení dodacích lhůt a nákladů na malosériovou výrobu, optimalizované lehké konstrukce, konsolidace dílů a možnost výroby na vyžádání.

Otázka: Jaké jsou náklady na 3D tisk Inconelu ve srovnání s jinými procesy AM s kovy?

Odpověď: Inconelové prášky jsou dražší než jiné kovy, například nerezová ocel a titan. V kombinaci s náročnými parametry tisku je proto 3D tisk z Inconelu v přepočtu na jeden díl dražší než tisk z ocelí nebo titanových slitin.

znát více procesů 3D tisku