Kekuatan Manufaktur Logam Hibrida: Memanfaatkan Pencetakan 3D dan Metode Tradisional

Manufaktur logam hibrida mengintegrasikan proses aditif dan subtraktif untuk mengoptimalkan desain dan produksi komponen logam. Artikel ini merinci bagaimana menggabungkan pencetakan 3D, pemesinan, pembentukan, dan lainnya memungkinkan desain baru di seluruh industri yang mencari komponen logam yang kompleks dan disesuaikan dengan sifat yang disempurnakan.

Manufaktur logam hibrida: Menggabungkan Teknik Tradisional dan Teknik

Pendekatan Baru untuk Manufaktur

Manufaktur logam Hibrida konvensional sedang ditransformasikan oleh kemungkinan bahwa logam Pencetakan 3D dan manufaktur aditif yang dimiliki, yang memungkinkan bentuk baru yang tidak digunakan dalam manufaktur dikembangkan. Namun, teknik-teknik baru ini juga dibatasi dalam hal ukuran dan kerumitan rakitan, resolusi yang memungkinkan, dan karakteristik material.

Memadukan yang Terbaik dari Kedua Dunia

Pendekatan yang diusulkan adalah menggunakan manufaktur aditif yang bersinergi dengan teknik pengerjaan logam konvensional. Struktur internal yang kompleks dapat berupa Bagian cetakan 3D dalam volume pembuatan yang lebih besar. Permukaan luar yang rumit dapat dikerjakan dengan presisi tinggi. Paduan yang berbeda dengan sifat yang dioptimalkan dapat disatukan.

Pendekatan hibrida ini membuka fungsionalitas baru dan meningkatkan performa komponen. Langkah-langkah perakitan yang rumit dapat dikurangi atau dihilangkan melalui desain integral. Komponen yang lebih ringan namun berkekuatan tinggi menghemat biaya material dan meningkatkan keberlanjutan.

Masa depan manufaktur logam hibrida terletak pada perpaduan teknik-teknik ini secara efektif berdasarkan persyaratan bagian tertentu. Baik peneliti maupun industri secara aktif mengeksplorasi alur kerja hibrida baru untuk membawa manufaktur logam ke tingkat berikutnya.

Latar Belakang dan Definisi

Makalah ini mendefinisikan Additive manufacturing (AM), atau dikenal sebagai pencetakan 3D sebagai teknologi yang melibatkan pembuatan komponen tiga dimensi melalui proses yang membangun lapisan material. Dalam kasus AM logam, ini berarti melelehkan material dengan sinar laser atau elektron bertenaga tinggi sambil menyatukan serbuk logam dalam proses lapis demi lapis. Praktik pengerjaan logam konvensional mencakup operasi mekanis seperti pemotongan, pembengkokan, dan penindikan. Proses fabrikasi seperti pengecoran, penempaan, pembengkokan, dan lainnya mencirikan pembentukan logam melalui pencetakan atau tekanan mekanis. Teknik penggabungan seperti pengelasan dan penyolderan menyatukan bagian-bagian logam yang terpisah.

Manufaktur logam hibrida secara strategis menggabungkan metode aditif dan tradisional ini. AM digunakan untuk geometri internal yang kompleks atau struktur kisi ringan yang tidak dapat dilakukan dengan metode lain. Pemesinan tradisional memberikan permukaan dengan presisi tinggi dan toleransi ketat yang dibutuhkan. Paduan yang digunakan dalam aplikasi otomotif seperti kekuatan tinggi dan ketahanan korosi yang tinggi dapat dikombinasikan dengan mudah. Integrasi pendekatan ini memanfaatkan yang terbaik dari setiap metode sekaligus mengatasi efeknya, sehingga menghasilkan produk yang fungsional, berkinerja tinggi, dan hemat biaya untuk digunakan dalam dirgantara, elektronik, medisdan industri lainnya.

Motivasi untuk Manufaktur Hibrida

Ada beberapa motivasi utama untuk mengadopsi teknik manufaktur logam Hibrida:

• Hal ini memungkinkan produksi suku cadang dan komponen dengan geometri yang rumit yang tidak mungkin dilakukan melalui metode tradisional saja.
• Fitur internal dapat dioptimalkan untuk persyaratan kekuatan, ringan, atau fungsional melalui teknik aditif.
• Presisi dan toleransi yang lebih ketat untuk permukaan eksterior dan komponen yang bergerak memerlukan kemampuan pemesinan tradisional.
• Berbagai bahan logam yang dioptimalkan untuk berbagai aplikasi, seperti paduan dengan kekuatan tinggi atau ketahanan terhadap korosi, dapat digabungkan.
• Secara keseluruhan, metode ini memungkinkan desain dan produksi struktur dengan fungsionalitas yang lebih baik dengan biaya yang lebih rendah dibandingkan dengan metode tradisional.
• Ruang Lingkup Tinjauan

Ulasan ini akan memberikan gambaran umum tentang penelitian dan aplikasi manufaktur logam Hibrida saat ini. Ulasan ini akan menguraikan beberapa teknik aditif dan tradisional utama yang digabungkan dalam alur kerja baru yang inovatif. Beberapa contoh penggabungan metodologi yang berbeda untuk pembuatan komponen logam yang kompleks untuk industri seperti kedirgantaraan dan biomedis juga akan dianalisis. Keterbatasan dari visi ini dan beberapa masalah yang mungkin dihadapi dalam proses implementasinya juga akan disoroti.

Tujuan dari tinjauan ini adalah untuk menyajikan tidak hanya kondisi terkini dari seni dalam Manufaktur Logam Hibrida generasi berikutnya, tetapi juga untuk mendiskusikan perkembangan masa depan yang mungkin dimungkinkan oleh metode hibrida yang akan dibahas dalam makalah ini.

Klasifikasi Manufaktur Hibrida

Ada beberapa klasifikasi utama manufaktur logam Hibrida berdasarkan tahapan yang diintegrasikan dengan teknik tradisional:

• Hibrida pasca-pemrosesan menggunakan metode subtraktif seperti pemesinan untuk meningkatkan hasil akhir permukaan komponen yang dibuat secara aditif.
• Hibrida bentuk hampir bersih bertujuan untuk mengurangi waktu tunggu aditif melalui pembentukan tradisional awal sebelum mencetak detail halus 3D.
• Hibrida multimaterial menggabungkan berbagai paduan fabrikasi AM dengan sifat yang berbeda.
• Hibrida yang ditoleransi memanfaatkan presisi penggilingan atau pembubutan untuk mesin AM yang telah dibentuk sebelumnya ke gambar teknis.
• Hibrida topologi mengoptimalkan struktur internal melalui AM dan penggabungan tradisional arsitektur tersebut.
• Teknologi Manufaktur Logam Hibrida

Garis waktu pengembangan

Berawal pada tahun 1980, metal AM telah berkembang pesat. Teknologi pertama yang terlibat SLS dan pencetakan 3D logam dengan pengikat polimer yang saling terhubung. Modernisasi fusi unggun serbuk dan deposisi energi terarah dikomersialkan pada tahun 2000-an. Beberapa tahun terakhir ini telah memungkinkan AM dari paduan berkinerja tinggi serta multimaterial dan pencetakan 3D multi-material.

Klasifikasi proses AM

Ada dua subkelompok teknik Metal AM secara keseluruhan: fusi unggun serbuk dan proses deposisi energi terarah. Dalam proses fusi unggun serbuk, serbuk logam disatukan dengan mengaplikasikan lapisan serbuk logam yang tipis secara berurutan melalui sarana energi panas seperti laser atau berkas elektron. Lapisan serbuk baru diendapkan kemudian disatukan. Deposisi energi terarah mengarahkan energi panas terfokus (laser atau berkas elektron) untuk memadukan bahan (bubuk atau kawat) saat mereka diendapkan lapisan demi lapisan.

Proses fusi unggun bubuk

Peleburan laser selektif (SLM) dan peleburan berkas elektron (EBM) adalah dua pendekatan mendasar dari proses fusi unggun serbuk. Dalam SLM, laser hanya menyapu lapisan serbuk untuk memadukan partikel tertentu dengan partikel lainnya. Dalam EBM, serbuk logam dilebur dengan baik dan menyatu menggunakan sinar elektron terfokus. Komponen dapat dibuat dari berbagai tingkat hirarki data model 3D secara laminar.

Proses pengendapan energi yang terarah

Proses deposisi energi terarah (DED) meliputi pembentukan jaring rekayasa laser (LENS) dan fabrikasi bentuk bebas berkas elektron. A pemodelan deposisi yang menyatu Sumber energi panas digunakan untuk memadukan material (misalnya kawat atau bubuk logam) saat disimpan. Proses ini memungkinkan perbaikan atau pembuatan logam hibrida dengan menyimpan bahan ke bagian yang sudah ada. Komponen dibuat secara langsung, tanpa memerlukan struktur pendukung.

Manufaktur aditif hibrida dengan berbagai sumber energi panas

Telah terjadi peningkatan minat dalam pendekatan AM hibrida yang memanfaatkan beberapa sumber energi panas terfokus seperti laser dan berkas elektron. Hal ini memungkinkan penggabungan keuntungan dari interaksi energi-material yang berbeda.

GMA-DED / PA-DED dengan bantuan laser

GMAW-DED atau PAW-DED menggunakan busur logam gas atau pemotongan plasma obor untuk menyimpan bahan las. Laser koaksial memberikan pemanasan lokal tambahan untuk meningkatkan laju dan kontrol deposisi. Hal ini meningkatkan pengendapan paduan reaktif dan memungkinkan pengendapan material yang berbeda.

GTA-DED dengan bantuan laser

GTAW-DED menggunakan obor las busur tungsten gas untuk pengendapan material. Laser memberikan pemanasan tambahan ke kolam las untuk kontrol geometri yang lebih baik. Hal ini memudahkan AM pada paduan yang sulit dilas dengan konduktivitas tinggi seperti tembaga.

Analisis dan tantangan

Memanfaatkan input energi ganda menciptakan lebih banyak fleksibilitas desain, tetapi memperkenalkan kompleksitas dalam hal kontrol dan optimasi proses. Faktor-faktor seperti penggabungan energi, pengurutan, dan pemosisian harus dipertimbangkan. Tegangan sisa dan distorsi dari pemanasan multi-sumber juga memerlukan analisis. Penelitian lebih lanjut bertujuan untuk mengkarakterisasi sepenuhnya kinerja material dari pendekatan manufaktur logam Hibrida yang canggih ini.

Manufaktur aditif hibrida dengan proses penghilangan material

Mengintegrasikan penghilangan material dengan manufaktur logam hibrida memperluas ruang desain dan meningkatkan kualitas komponen. Hal ini biasanya dilakukan setelah pengendapan, tetapi juga dapat dilakukan di tengah pembuatan.

Integrasi selama urutan produksi

Pendekatan yang umum dilakukan adalah pemesinan kasar pada substrat atau pelat dasar sebelum AM. Hal ini membentuk geometri bagian awal dan permukaan penjepitan untuk fiksasi yang aman selama deposisi berikutnya.

Sebagai alternatif, "bentuk awal" dari fitur-fitur penting dapat dibuat secara aditif kemudian dibentuk lebih lanjut dengan menggunakan alat subtraktif. Sebagai contoh, saluran pendingin yang rumit dapat dibuat kasar dengan deposisi logam laser sebelum menyelesaikan pemesinan ke dimensi akhir.

Beberapa teknologi seperti shape deposition manufacturing (SDM) menggunakan penggilingan di antara lapisan deposisi vertikal. Hal ini memperhalus permukaan miring yang kasar dan mempertahankan akurasi posisi untuk deposisi berikutnya.

Pekerjaan ini juga bertujuan untuk mengembangkan kemampuan pemesinan dalam proses. Kepala pahat yang dapat ditarik dapat membersihkan struktur pendukung selama proses pembuatan atau memodifikasi lintasan dan geometri deposisi secara real-time.

Tantangan dan solusi

Pemindahan material secara terintegrasi berisiko menimbulkan kerusakan atau degradasi pada material yang disimpan. Teknologi pemotongan laser Pelumas dan pendingin harus dipilih secara hati-hati agar tidak bereaksi dengan atau melemahkan paduan.

Ketangguhan fiksasi sangat penting untuk menemukan suku cadang secara tepat untuk pemesinan pascapemesinan. Pendekatan dalam proses memerlukan sistem multi-kepala yang terkoordinasi secara ketat. Tegangan sisa dari pemanasan-pendinginan lokal semakin memperumit stabilitas komponen.

Untuk mengatasi hal ini, banyak proses manufaktur logam Hibrida yang menggunakan metode pemesinan non-kontak seperti ablasi ultrasonik atau laser untuk menghindari tekanan mekanis. Pemantauan proses secara real-time juga memungkinkan kontrol umpan balik dari berbagai langkah manufaktur.

Manufaktur Aditif Hibrida Logam dengan Proses Pembentukan

Proses perlakuan panas

Komponen yang diproduksi secara aditif sering kali menjalani perlakuan panas pelarutan dan anil untuk meringankan tekanan internal dan memperhalus struktur butiran. Beberapa teknik manufaktur logam Hibrida mengintegrasikan perlakuan panas lokal secara langsung ke dalam proses AM.

Sebagai contoh, deposisi logam langsung dengan bantuan laser dapat segera melarutkan material di wilayah kolam lelehan saat mengeras. Hal ini meningkatkan kekuatan luluh dan mengatasi masalah seperti penggetasan.

HIP dan kerja dingin

Pengepresan isostatik panas (HIP) memadatkan material berpori yang diendapkan hingga mendekati kepadatan teoretis, sehingga meningkatkan sifat-sifatnya. Beberapa pendekatan menggunakan HIP di tengah bangunan untuk memadatkan area secara selektif seperti area penahan beban sambil mempertahankan struktur kisi.

Penggulungan dingin, shot peening, dan perawatan permukaan lainnya juga digabungkan untuk memberikan manfaat pengerasan kerja tanpa menimbulkan distorsi dari pemrosesan massal.

Integrasi dengan proses pembentukan massal

Penempaan

Penempaan cetakan terbuka atau cetakan tertutup digunakan untuk mengkonsolidasikan dan mendeformasi bentuk awal yang dibentuk secara aditif menjadi komponen berbentuk jaring atau mendekati jaring. Desain AM awal mengoptimalkan penempatan material untuk pembentukan yang efektif tanpa cacat.

Membungkuk dan berputar

Laminasi lembaran atau teknik deposisi linier memungkinkan pembentukan komponen manufaktur logam hibrida berbentuk silinder atau kerucut melalui operasi pemintalan atau pembengkokan kemudian seperti pembentukan aliran.

Integrasi dengan proses pembentukan lembaran

Bahan lembaran dengan heterogenitas yang dirancang dapat diproses secara aditif kemudian dibentuk menjadi bentuk 3D yang kompleks menggunakan metode stamping atau hydroforming konvensional. Kekakuan bertingkat yang dicapai melalui pemolaan aditif meningkatkan keuletan pembentukan.

Integrasi dengan penggabungan dengan proses pembentukan

AM berbasis ekstrusi memungkinkan penyambungan dan pembentukan seperti penempaan pada sub-rakitan manufaktur logam Hibrida. Profil awal dapat disimpan secara aditif kemudian disambung dan dikonsolidasikan secara terus menerus menggunakan panas dan kompresi lokal. Hal ini menghasilkan produk yang kompleks kerangka logam terintegrasi.

Kesimpulan

Manufaktur logam hibrida adalah bidang yang berkembang pesat yang memanfaatkan kekuatan teknik pengerjaan logam aditif dan tradisional. Dengan mengintegrasikan berbagai proses yang berbeda secara strategis pada berbagai tahap produksi komponen, produsen dapat membuat komponen logam yang kompleks secara geometris dengan kinerja yang dioptimalkan. Kebebasan desain yang disesuaikan dan sifat material yang dapat dicapai melalui alur kerja hibrida terus memperluas potensi aplikasi produk logam fabrikasi.

Namun, pengembangan lebih lanjut masih diperlukan untuk mewujudkan kemampuan pendekatan ini sepenuhnya. Penelitian lebih lanjut mengenai sinkronisasi multi-head, metodologi kontrol proses untuk input gabungan, dan solusi pemasangan yang kuat dapat meningkatkan kualitas komponen dan pengulangan produksi. Formulasi paduan logam baru dan prosedur perlakuan panas mungkin juga diperlukan untuk memenuhi permintaan rute pemrosesan terintegrasi. Standar harus terus dikembangkan untuk memenuhi syarat suku cadang manufaktur logam Hibrida untuk industri yang kritis.

Pertanyaan Umum

T: Apa saja alur kerja manufaktur hibrida yang umum?

J: Pendekatan yang umum dilakukan meliputi pembuatan logam hibrida untuk inti dan sisipan kompleks yang dipasangkan dengan pemesinan tradisional pada permukaan eksterior, pelapisan aditif pada berbagai paduan yang disambung dengan pengelasan, serta mengintegrasikan pembentukan, perlakuan panas, atau penggabungan dengan cetakan awal cetak 3D.

T: Apa saja keuntungan manufaktur hibrida?

J: Hal ini memungkinkan pengoptimalan desain komponen untuk berbagai teknik fabrikasi logam hibrida, meningkatkan sifat melalui integrasi multimaterial, mengurangi langkah perakitan, dan memperoleh toleransi yang lebih ketat dibandingkan dengan pendekatan aditif semata.

T: Tantangan apa saja yang ada pada manufaktur hibrida?

J: Mengintegrasikan beragam proses berisiko mengalami kerusakan atau degradasi, tegangan sisa dari pemanasan/pendinginan multi-langkah rumit untuk diatasi, dan sistem multi-kepala yang tersinkronisasi dengan ketat memerlukan penyempurnaan kontrol proses.

T: Industri apa saja yang mengadopsi teknik hibrida?

J: Sektor-sektor utama termasuk kedirgantaraan, perawatan kesehatan, otomotif, dan energi di mana persyaratan kekuatan, kompleksitas, dan penyesuaian mendorong metode fabrikasi logam yang inovatif.