Gambaran Umum Bahan Logam untuk Pencetakan 3D
Pencetakan 3D, juga dikenal sebagai manufaktur aditifmemungkinkan pembuatan komponen logam yang rumit secara langsung dari data CAD 3D. Berbeda dengan metode subtraktif tradisional seperti pemesinan CNC, pencetakan 3D membangun komponen lapis demi lapis tanpa memerlukan perkakas atau perlengkapan khusus.
Pencetakan 3D logam membuka kemungkinan baru untuk memproduksi komponen logam yang disesuaikan, ringan, dan berkinerja tinggi dengan geometri yang kompleks. Industri kedirgantaraan, otomotif, medis, dan pertahanan semakin banyak mengadopsi pencetakan 3D logam untuk aplikasi produksi penggunaan akhir.
Namun demikian, tidak semua logam dapat dengan mudah dicetak 3D. Bahan logam yang paling umum digunakan adalah aluminium, titanium, nikel, baja tahan karat, dan paduan kobalt-krom. Pilihan bahan bergantung pada persyaratan aplikasi spesifik - kekuatan, ketahanan korosi, performa suhu tinggi, biokompatibilitas, dll.
Panduan komprehensif ini memberikan gambaran umum yang mendetail mengenai berbagai logam dan paduan yang digunakan dalam pencetakan 3D. Kami membahas komposisi, properti, aplikasi, serta pro dan kontra bahan logam populer untuk membantu Anda memilih bahan yang tepat untuk kebutuhan Anda.
Hal-hal Penting tentang Bahan Cetak 3D Logam:
- Paduan aluminium menawarkan rasio kekuatan-terhadap-berat yang baik dan ketahanan terhadap korosi dengan biaya yang lebih rendah.
- Paduan titanium memberikan kekuatan yang sangat baik dengan kepadatan rendah dan biokompatibilitas untuk penggunaan medis.
- Baja tahan karat memiliki kekuatan dan ketahanan korosi yang tinggi untuk perkakas dan komponen fungsional.
- Superalloy nikel dapat menahan suhu tinggi sehingga cocok untuk ruang angkasa.
- Paduan kobalt-krom memberikan kekerasan, ketahanan aus, dan biokompatibilitas untuk implan gigi dan medis.
- Pilihan bahan tergantung pada persyaratan mekanis, kebutuhan pasca-pemrosesan, biaya dan kesesuaian metode pencetakan 3D.
- Orientasi bagian, struktur pendukung, ketebalan lapisan dan parameter rakitan perlu dioptimalkan untuk setiap bahan logam.
- Pasca-pemrosesan, seperti pengepresan isostatik panas, dapat menyempurnakan sifat bagian akhir.
Komposisi Bahan Logam untuk Pencetakan 3D
Komposisi elemen paduan dalam logam dan struktur mikro memberikan sifat spesifik dan menentukan kesesuaian bahan untuk pencetakan 3D.
Paduan Aluminium
Aluminium dikenal dengan kepadatannya yang rendah dan ketahanan korosi yang baik. Paduan aluminium tempa dan cor adalah yang paling umum digunakan:
| Jenis Paduan | Komposisi |
|---|---|
| 6061 | Mg, Si, Cu, Cr |
| 7075 | Zn, Mg, Cu, Cr |
| A356 | Si, Mg, Cu |
6061 menawarkan ketahanan korosi yang lebih baik sementara 7075 memiliki kekuatan yang lebih tinggi. A356 adalah paduan yang dapat dicor.
Paduan Titanium
Titanium memiliki rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi dan bio-kompatibilitas tetapi bisa jadi sulit untuk dikerjakan dengan mesin. Paduan umum:
| Jenis Paduan | Komposisi |
|---|---|
| Ti-6Al-4V | Al, V |
| Ti 6242 | Al, Sn |
Ti-6Al-4V menawarkan keseimbangan sifat terbaik dan merupakan paduan titanium yang paling banyak digunakan.
Baja tahan karat
Baja tahan karat mengandung Cr dan Ni untuk ketahanan korosi yang baik. Beberapa paduan yang digunakan:
| Jenis Paduan | Komposisi |
|---|---|
| 316L | Ni, Mo, Cr |
| 17-4PH | Ni, Cr, Cu |
| 303 | S, Cr, Ni |
316L memberikan ketahanan korosi yang sangat baik. 17-4PH adalah baja tahan karat martensitik pengerasan presipitasi.
Nikel Superalloys
Superalloy nikel memiliki kekuatan tinggi dan tahan terhadap suhu ekstrem. Paduan umum:
| Jenis Paduan | Komposisi |
|---|---|
| Inconel 718 | Ni, Cr, Fe, Nb, Mo |
| Inconel 625 | Ni, Cr, Mo, Nb |
Inconel 718 banyak digunakan dalam aplikasi luar angkasa. Inconel 625 memiliki ketahanan korosi yang sangat baik.
Paduan Kobalt-Krom
Paduan kobalt-krom memberikan kekerasan, ketahanan aus, dan biokompatibilitas. Dua kelas utama yang digunakan:
| Jenis Paduan | Komposisi |
|---|---|
| CoCrMo | Co, Cr, Mo |
| CoNiCrMo | Co, Ni, Cr, Mo |
Keduanya memberikan sifat yang serupa. CoCrMo lebih banyak digunakan.
Sifat Mekanis Bahan Logam
Sifat mekanis logam menentukan performa komponen cetakan 3D. Di bawah ini adalah sifat-sifat umum dari paduan yang umum digunakan:
| Bahan Logam | Kekuatan Luluh (MPa) | Kekuatan Tarik (MPa) | Perpanjangan (%) | Kepadatan (g/cm3) |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 230 | 450 | 8 | 2.68 |
| Ti-6Al-4V | 880 | 930 | 10 | 4.43 |
| Baja Tahan Karat 316L | 290 | 515 | 40 | 8 |
| Inconel 718 | 1138 | 1275 | 12 | 8.19 |
| Inconel 625 | 550 | 860 | 35 | 8.44 |
| CoCrMo | 655 | 860 | 8 | 8.3 |
- Paduan aluminium menawarkan kekuatan sedang dengan perpanjangan yang sangat baik.
- Paduan titanium memberikan kekuatan yang sangat tinggi mengingat kepadatannya yang rendah.
- Baja tahan karat 316L menawarkan keuletan yang baik dan ketahanan korosi yang sangat baik.
- Superalloy Inconel sangat kuat tetapi kurang ulet.
- Krom kobalt memiliki kekerasan yang tinggi sehingga sulit untuk dikerjakan dengan mesin setelah pencetakan.
Aplikasi Pencetakan 3D Logam
Pilihan bahan tergantung pada aplikasi penggunaan akhir dan persyaratan desain yang spesifik:
| Industri | Aplikasi | Bahan yang Digunakan |
|---|---|---|
| Dirgantara | Bilah turbin, braket struktural | Paduan titanium, Inconel, Baja tahan karat |
| Otomotif | Suku cadang khusus, perkakas | Aluminium, baja paduan rendah |
| Medis | Implan, instrumen bedah | Titanium, Kobalt-krom |
| Minyak & Gas | Katup, pompa, perkakas | Baja tahan karat, Inconel |
| Pertahanan | Suku cadang yang rumit, pelindung yang ringan | Aluminium, Titanium |
Beberapa aplikasi tipikal yang memanfaatkan komponen logam cetak 3D:
- Dirgantara: Braket dan komponen struktural yang kompleks dan ringan
- Otomotif: Suku cadang khusus untuk aplikasi olahraga motor
- Medis: Implan dan instrumentasi bedah khusus pasien
- Minyak dan gas: Katup dan pompa berkinerja tinggi untuk jaringan pipa
- Pertahanan: Komponen yang detail dan ringan untuk kendaraan dan peralatan
Pro dan Kontra Bahan Logam Utama
Berikut ini adalah perbandingan keunggulan dan keterbatasan paduan logam populer yang digunakan dalam pencetakan 3D:
| Bahan | Kelebihan | Kekurangan |
|---|---|---|
| Aluminium 6061 | Biaya rendah, ketahanan korosi yang baik | Kekuatan yang lebih rendah |
| Aluminium 7075 | Rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi | Sulit untuk mengelas |
| Titanium Ti-6Al-4V | Kekuatan tinggi, kepadatan rendah | Bahan yang mahal |
| Baja Tahan Karat 316L | Ketahanan korosi yang sangat baik | Kekuatan lebih rendah dari paduan |
| Inconel 718 | Tahan terhadap suhu ekstrem | Menantang mesin |
| Kobalt Chrome | Keausan dan biokompatibilitas yang sangat baik | Keuletan terbatas |
Pemasok Bahan Cetak 3D Logam
Banyak perusahaan yang menyediakan serbuk logam dan kawat khusus untuk proses pencetakan 3D:
| Bahan | Pemasok Utama |
|---|---|
| Paduan Aluminium | AP&C, Sandvik, HC Starck |
| Paduan Titanium | AP&C, TLS Technik, Tekna |
| Baja tahan karat | Sandvik, Aditif Tukang Kayu |
| Nikel Superalloys | AP&C, Sandvik, Praxair |
| Paduan Krom Kobalt | AP&C, Sandvik, Solusi SLM |
Faktor-faktor seperti kualitas serbuk, konsistensi, bentuk partikel dan distribusi ukuran mempengaruhi sifat komponen akhir dan stabilitas proses cetak. Pemasok yang memiliki reputasi baik menyediakan paduan yang dikarakterisasi dengan baik dan disesuaikan untuk AM.
Analisis Biaya Bahan Cetak 3D Logam
Biaya bahan merupakan bagian yang signifikan dari biaya komponen akhir dalam pencetakan 3D logam. Di bawah ini adalah perkiraan kisaran harga:
| Bahan | Biaya per Kg | Biaya per cm3 |
|---|---|---|
| Paduan Aluminium | $50-$150 | $0.15-$0.45 |
| Paduan Titanium | $350-$1000 | $1.00-$3.00 |
| Baja tahan karat | $90-$250 | $0.25-$0.75 |
| Inconel 718 | $350-$600 | $2.50-$4.50 |
| Kobalt Chrome | $500-$1200 | $3.50-$8.50 |
- Paduan titanium dan kobalt krom adalah yang paling mahal sementara aluminium harganya cukup terjangkau.
- Biaya material berskala dengan volume pembuatan - bagian yang lebih besar dalam paduan yang mahal membutuhkan anggaran material yang lebih tinggi.
- Optimalisasi untuk mengurangi limbah pendukung dan pasca-pemrosesan dapat membantu menurunkan biaya material yang efektif.
Standar untuk Serbuk Logam
Untuk memastikan cetakan berkualitas tinggi yang dapat diulang, serbuk logam yang digunakan dalam pencetakan 3D harus memenuhi standar minimum tertentu:
| Properti | Standar Utama |
|---|---|
| Distribusi ukuran partikel | ASTM B822, ISO 4490 |
| Kemampuan mengalir | ASTM B213, ISO 4490 |
| Kepadatan yang tampak | ASTM B212, ISO 3923 |
| Kerapatan ketukan | ASTM B527, ISO 3953 |
| Komposisi kimia | ASTM E1479, analisis OES |
- Kualitas serbuk mempengaruhi sifat komponen akhir seperti kepadatan, permukaan akhir dan mekanis.
- Serbuk bulat dengan distribusi ukuran partikel yang terkontrol memiliki kemampuan mengalir yang sangat baik.
- Bahan kimia dan densitas yang konsisten memberikan stabilitas dan pengulangan proses.
Metode Pencetakan 3D untuk Logam
Berbagai teknologi pencetakan 3D dapat memproses logam dan paduan:
| Metode | Bahan | Manfaat Utama | Keterbatasan |
|---|---|---|---|
| Fusi Tempat Tidur Serbuk | Sebagian besar paduan | Akurasi dan hasil akhir permukaan yang sangat baik | Laju pembangunan yang lambat |
| Deposisi Energi Terarah | Sebagian besar paduan | Fitur bawaan pada komponen yang ada | Resolusi yang lebih rendah |
| Pengaliran Pengikat | Baja tahan karat | Pencetakan kecepatan tinggi | Kekuatan yang lebih rendah |
| Ekstrusi Logam | Paduan terbatas | Biaya peralatan yang rendah | Kepadatan yang lebih rendah |
- Teknologi bedak bubuk seperti DMLS menawarkan resolusi dan akurasi tertinggi.
- Pengaliran pengikat bekerja dengan rentang paduan yang lebih luas tetapi memiliki kekuatan bagian akhir yang lebih rendah.
- Deposisi energi yang terarah memungkinkan pencetakan komponen besar yang berbentuk hampir bersih.
Persyaratan Pasca-Pemrosesan
Komponen logam yang dicetak biasanya memerlukan pasca-pemrosesan untuk mencapai properti yang diinginkan:
| Pasca-Proses | Tujuan | Bahan yang Digunakan |
|---|---|---|
| Penghapusan dukungan | Menghapus struktur pendukung | Paduan dengan penyangga yang tipis dan rapuh |
| Menghilangkan stres | Kurangi tegangan sisa | Semua paduan |
| Penekanan isostatik panas | Tingkatkan kepadatan, tingkatkan properti | Semua paduan |
| Finishing permukaan | Meningkatkan kekasaran permukaan | Semua paduan |
| Perlakuan panas | Memodifikasi struktur mikro | Paduan yang dapat dikeraskan oleh usia seperti aluminium |
| Pemesinan | Dimensi dan permukaan akhir yang akurat | Sebagian besar paduan |
- Perlakuan panas penghilang stres direkomendasikan untuk semua paduan untuk mencegah distorsi.
- Perawatan HIP dapat secara signifikan meningkatkan sifat material akhir.
- Pemesinan CNC memberikan akurasi dimensi dan hasil akhir permukaan.
Cara Memilih Bahan Logam untuk Pencetakan 3D
Ikuti panduan berikut ini untuk memilih bahan logam yang optimal:
- Sesuaikan sifat paduan dengan persyaratan desain seperti kekuatan, kekerasan, ketahanan termal, dll.
- Pertimbangkan kebutuhan pasca-pemrosesan - beberapa paduan seperti Inconel sulit untuk dikerjakan dengan mesin.
- Evaluasi ukuran dan geometri komponen - beberapa logam seperti aluminium lebih baik untuk komponen yang lebih besar.
- Kaji volume produksi - buat prototipe dengan bahan yang lebih murah kemudian beralih ke paduan berkinerja lebih tinggi.
- Perhitungkan ketersediaan material dan biaya di awal tahap desain.
- Bekerja sama dengan penyedia layanan pencetakan 3D Anda untuk memilih bahan terbaik.
- Optimalkan parameter cetak, seperti orientasi dan ketebalan lapisan berdasarkan paduan spesifik yang dipilih.
- Melakukan uji coba dan uji karakterisasi material sebelum memulai produksi.
Pertanyaan Umum
T: Paduan logam mana yang memiliki kekuatan tertinggi untuk pencetakan 3D?
J: Superalloy Inconel seperti Inconel 718 memiliki kekuatan tarik tertinggi tetapi kurang ulet. Titanium Ti-6Al-4V memiliki rasio kekuatan-terhadap-berat tertinggi.
T: Apakah komponen yang dicetak 3D dalam baja tahan karat tahan korosi?
J: Ya, 316L dan paduan baja tahan karat lainnya mempertahankan ketahanan korosinya yang sangat baik setelah pencetakan 3D.
T: Apa paduan titanium yang paling umum digunakan dalam pencetakan 3D?
J: Ti-6Al-4V adalah paduan titanium yang paling populer, terdiri atas 90% dari semua pencetakan 3D titanium. Ini menawarkan properti serba terbaik.
T: Paduan aluminium mana yang terbaik untuk pencetakan 3D?
A: 6061 dan 7075 paling banyak digunakan, dengan 6061 menawarkan ketahanan korosi yang baik dengan biaya yang lebih rendah, dan 7075 dipilih untuk aplikasi struktural berkekuatan tinggi.
T: Apakah langkah-langkah pasca-pemrosesan wajib untuk komponen cetakan 3D logam?
J: Pasca-pemrosesan seperti penghilangan penyangga, penghilangan stres dan finishing permukaan sangat dianjurkan untuk sifat dan performa material yang optimal.
T: Proses pencetakan 3D mana yang dapat digunakan dengan berbagai macam paduan logam?
J: Pengaliran pengikat dan deposisi energi terarah dapat bekerja dengan sebagian besar paduan, tetapi fusi unggun serbuk menghasilkan komponen beresolusi lebih tinggi.
T: Bagaimana perbandingan akurasi bagian antara pemesinan dan pencetakan logam 3D?
J: Suku cadang mesin CNC memungkinkan toleransi yang lebih ketat dan permukaan akhir yang lebih baik daripada logam cetak 3D. Namun demikian, pencetakan 3D memungkinkan geometri yang lebih kompleks.
T: Proses pencetakan 3D logam manakah yang memiliki kecepatan pembuatan tercepat?
J: Pengaliran pengikat dapat mencapai kecepatan cetak tertinggi, membuat komponen hingga 10 kali lebih cepat daripada proses fusi bedengan bubuk.