Manufaktur aditifyang juga dikenal sebagai pencetakan 3D, merevolusi manufaktur di seluruh industri mulai dari kedirgantaraan hingga perangkat medis. Salah satu bidang utama kemajuannya adalah dalam pencetakan 3D logam, yang memungkinkan komponen logam yang rumit dibuat langsung dari model CAD 3D tanpa memerlukan perkakas atau cetakan yang mahal.
Manufaktur aditif logam membutuhkan peralatan dan bahan khusus untuk mencapai suhu ekstrem yang diperlukan untuk melelehkan dan memadukan bubuk logam menjadi benda padat. Teknologi pencetakan 3D logam yang paling umum digunakan saat ini adalah fusi unggun serbuk, deposisi energi terarah, pengaliran pengikat, dan laminasi lembaran.
Sifat material komponen yang dihasilkan melalui pencetakan 3D logam sangat bergantung pada komposisi dan karakteristik serbuk dan paduan logam yang digunakan. Artikel ini memberikan ikhtisar tentang bahan manufaktur aditif logam yang paling umum, sifat, aplikasi, dan pemasoknya.
Jenis Bahan Manufaktur Aditif Logam
Terdapat berbagai macam paduan logam yang tersedia untuk pencetakan 3D berbasis bubuk. Yang paling umum digunakan antara lain:
| Bahan | Deskripsi |
|---|---|
| Baja tahan karat | Paduan berbasis besi dengan kromium, nikel, mangan, molibdenum, titanium, tembaga. Tahan korosi, kekuatan tinggi. |
| Paduan aluminium | Al-Si, Paduan Al-Si-Mg. Kepadatan rendah, konduktivitas termal tinggi. |
| Paduan Titanium | Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI. Rasio kekuatan-terhadap-berat yang sangat baik, biokompatibilitas. |
| Paduan nikel | Inconel 625, 718. Tahan panas dan korosi. Digunakan dalam komponen kedirgantaraan. |
| Kobalt-krom | Paduan CoCrMo. Kompatibel dengan biokompatibel, kekerasan tinggi. Digunakan untuk implan gigi dan sambungan. |
| Logam mulia | Emas, perak, platinum. Konduktivitas listrik, ketahanan terhadap korosi, estetika. |
| Baja perkakas | H13, baja kawin. Kekerasan tinggi, dapat diolah dengan panas. Untuk perkakas dan cetakan. |
| Paduan tembaga | CuZn, paduan perunggu. Konduktivitas listrik dan termal. |
Bahan dasar ini dapat dicampur dan dipadukan dalam berbagai kombinasi untuk mencapai sifat material tertentu yang diperlukan untuk aplikasi yang berbeda.
Sifat Bahan Manufaktur Aditif Logam
Sifat-sifat utama serbuk logam yang digunakan dalam manufaktur aditif meliputi:
Distribusi ukuran partikel
- Ukuran partikel bubuk biasanya 15-45 mikron untuk fusi unggun bubuk.
- Partikel yang lebih kecil <15 mikron meningkatkan densitas tetapi mengurangi kemampuan mengalir.
- Partikel yang lebih besar >45 mikron mengurangi presisi dan hasil akhir permukaan.
- Distribusi ukuran yang seragam memungkinkan kepadatan kemasan yang optimal.
Morfologi dan bentuk
- Bentuk bubuk yang bulat memungkinkan aliran dan pengemasan yang mulus.
- Bentuk yang tidak beraturan dapat menyebabkan kerapatan curah dan keseragaman lapisan serbuk yang buruk.
Kemampuan mengalir
- Serbuk harus menyebar secara merata ke seluruh alas bedak untuk mendapatkan lapisan yang seragam.
- Kemampuan mengalir ditentukan oleh bentuk, distribusi ukuran, tekstur permukaan.
- Agen aliran dapat ditambahkan untuk meningkatkan aliran bubuk.
Kepadatan
- Kepadatan kemasan bubuk yang lebih tinggi menyebabkan berkurangnya porositas pada bagian yang dicetak.
- Kepadatan semu biasanya 40-60% dari kepadatan padat yang sesungguhnya.
- Kepadatan yang disadap menunjukkan efisiensi aliran dan pengemasan.
Kemurnian
- Kemurnian tinggi mengurangi cacat dan kontaminasi.
- Kadar oksigen dan nitrogen dijaga di bawah 100 ppm.
- Satelit minimal (partikel kecil yang melekat pada satelit yang lebih besar).
Kadar air
- Kelembapan dapat menyebabkan bubuk menggumpal dan mengurangi aliran.
- Kadar air dijaga di bawah 0,02% menurut beratnya.
- Serbuk yang disimpan dalam ruang hampa udara atau atmosfer gas inert.
Selain karakteristik serbuk, komposisi dan struktur mikro paduan logam curah memberikan sifat kinerja yang penting pada komponen AM:
Kekuatan
- Kekuatan luluh 500 MPa hingga lebih dari 1 GPa tergantung pada paduan.
- Perlakuan panas dapat meningkatkan kekuatan melalui pengerasan presipitasi.
Kekerasan
- Kekerasan Vickers dari 150 HV hingga lebih dari 400 HV.
- Kekerasan dapat disesuaikan secara lokal melalui perlakuan panas.
Kepadatan
- Kepadatan hampir penuh >99% dapat dicapai.
- Porositas sisa tergantung pada parameter proses.
Permukaan akhir
- Permukaan yang dicetak kasar 10-25 mikron Ra.
- Pemesinan, penggerindaan, pemolesan diperlukan untuk hasil akhir yang presisi.
Ketahanan terhadap kelelahan
- Sebanding dengan bahan tempa tetapi anisotropik.
- Tergantung pada orientasi pembuatan, cacat internal.
Ketahanan korosi
- Bervariasi secara signifikan menurut komposisi paduan dari yang rendah hingga yang sangat tinggi.
Sifat termal
- Konduktivitas dan koefisien pemuaian mendekati paduan tempa.
- Tergantung pada orientasi bangunan karena struktur mikro.
Resistivitas listrik
- Dalam 10-20% bahan tempa.
- Porositas yang lebih tinggi meningkatkan resistivitas.
Dengan memilih serbuk dan paduan yang dioptimalkan, metal AM memungkinkan fabrikasi komponen padat dengan sifat mekanik yang sebanding dengan manufaktur tradisional dalam banyak kasus. Namun, sifat-sifatnya tetap anisotropik tergantung pada arah pembuatannya.
Aplikasi Bahan Manufaktur Aditif Logam
Aplikasi utama yang memanfaatkan manufaktur aditif logam meliputi:
Aerospace: Komponen mesin jet, roket, dan kendaraan hipersonik yang kompleks. Berat berkurang, performa meningkat.
Medis: Implan ortopedi khusus, prostetik, alat bedah. Logam biokompatibel yang disesuaikan dengan anatomi.
Otomotif: Komponen yang lebih ringan, komponen kinerja, perkakas. Peningkatan kekuatan dan integrasi fungsional.
Industri: Suku cadang produksi penggunaan akhir untuk pompa, kompresor, mesin. Mengurangi waktu tunggu dan inventaris.
Konsumen: Perhiasan, aksesori fesyen, gadget kecil. Geometri unik bernilai tinggi.
Pertahanan: Suku cadang yang kokoh untuk penggunaan di lapangan, alat pelindung, persenjataan. Manufaktur sesuai permintaan.
Pembuatan cetakan: Saluran pendingin yang sesuai memberikan produktivitas yang lebih tinggi. Pencetakan langsung perkakas cetakan.
Energi: Komponen minyak/gas tahan terhadap korosi dan bekerja di lingkungan yang ekstrem.
Sifat mekanik yang sangat baik, akurasi dan kebebasan desain yang dimungkinkan oleh metal AM membuatnya berharga untuk prototipe, perkakas, dan komponen produksi penggunaan akhir di banyak industri.
Kemampuan Proses Manufaktur Aditif Logam
Proses pencetakan 3D logam yang berbeda memiliki kemampuan yang bervariasi dalam hal bahan yang kompatibel, ukuran komponen, akurasi, hasil akhir permukaan dan banyak lagi:
| Proses | Bahan | Akurasi | Selesai | Kecepatan |
|---|---|---|---|---|
| Fusi Tempat Tidur Serbuk | Sebagian besar paduan | ± 0,1-0,2 mm | Kasar, keropos | Sedang |
| Deposisi Energi Terarah | Paduan apa saja | ± 0,3-1mm | Kasar | Tinggi |
| Pengaliran Pengikat | Sebagian besar paduan | ± 0.2mm | Diperlukan infiltrasi | Tinggi |
| Laminasi Lembar | Sebagian besar paduan | ± 0.1mm | Bagus. | Lambat |
Fusi tempat tidur bubuk menawarkan akurasi dan hasil akhir permukaan terbaik, tetapi kecepatannya lebih lambat. Deposisi energi yang terarah memungkinkan komponen berbentuk hampir bersih yang besar dibuat dengan cepat tetapi dengan presisi yang lebih rendah. Pengaliran pengikat lebih cepat tetapi membutuhkan infiltrasi untuk mendapatkan kepadatan penuh. Laminasi lembaran terbatas pada bagian yang lebih tipis.
Proses yang optimal tergantung pada persyaratan aplikasi - pilih berdasarkan ukuran komponen, pilihan material, akurasi, kecepatan, dan kebutuhan pasca-pemrosesan.
Sistem Paduan Manufaktur Aditif Logam yang Populer
Berikut ini adalah beberapa sistem paduan logam yang paling umum digunakan dalam manufaktur aditif beserta karakteristik utamanya:
Baja tahan karat
| Paduan | Komposisi | Properti | Aplikasi |
|---|---|---|---|
| 17-4PH | Cr, Ni, Cu | Kekuatan tinggi, tahan korosi | Kedirgantaraan, industri |
| 15-5PH | Cr, Ni | Pengerasan presipitasi | Kedirgantaraan, otomotif |
| 316L | Cr, Ni, Mo | Tahan korosi, kompatibel dengan biologi | Medis, kelautan |
| 304L | Cr, Ni | Ketahanan korosi | Produk konsumen |
Paduan Aluminium
| Paduan | Komposisi | Properti | Aplikasi |
|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | Al, Si, Mg | Kepadatan rendah, kekuatan bagus | Kedirgantaraan, otomotif |
| AlSi7Mg | Al, Si, Mg | Kepadatan rendah, keuletan tinggi | Otomotif, konsumen |
| A2024 | Al, Cu, Mg | Kekuatan tinggi | Struktur kedirgantaraan |
| Al6061 | Al, Mg, Si | Kekuatan sedang, ketahanan korosi | Kedirgantaraan, kelautan |
Paduan Titanium
| Paduan | Komposisi | Properti | Aplikasi |
|---|---|---|---|
| Ti6Al4V | Ti, Al, V | Kekuatan-ke-berat yang tinggi | Kedirgantaraan, medis |
| Ti6Al4V ELI | Interstisial rendah | Resistensi terhadap patah tulang | Dirgantara |
| Ti64 | Ti, Al, V | Perlakuan panas | Kedirgantaraan, otomotif |
| Ti Kelas 2 | Ti | Ketahanan korosi yang sangat baik | Industri, kelautan |
Paduan Nikel
| Paduan | Komposisi | Properti | Aplikasi |
|---|---|---|---|
| Inconel 718 | Ni, Fe, Cr | Kekuatan tinggi, tahan korosi | Kedirgantaraan, minyak dan gas |
| Inconel 625 | Ni, Cr, Mo | Ketahanan oksidasi dan korosi | Kedirgantaraan, kimia |
| Hastelloy X | Ni, Fe, Cr | Ketahanan oksidasi, suhu tinggi | Kedirgantaraan, industri |
Paduan Krom Kobalt
| Paduan | Komposisi | Properti | Aplikasi |
|---|---|---|---|
| CoCrMo | Co, Cr, Mo | Biokompatibel, kekerasan tinggi | Implan medis, gigi |
| CoCrWNi | Co, Cr, W, Ni | Kekerasan tinggi, kekuatan | Gigi, alat pemotong |
| CoCrMoSi | Co, Cr, Mo, Si | Biokompatibel, kekuatan kelelahan tinggi | Implan medis |
Dengan memilih paduan yang optimal untuk persyaratan aplikasi, manufaktur aditif memungkinkan komponen logam berkinerja tinggi dicetak 3D sesuai permintaan.
Kelas Serbuk Logam Populer untuk Manufaktur Aditif
Sebagian besar pemasok serbuk logam utama sekarang menyediakan kualitas serbuk yang dioptimalkan secara khusus untuk manufaktur aditif. Berikut adalah beberapa grade yang paling umum digunakan:
Bubuk stainless steel
| Bahan | Nilai bubuk | Ukuran partikel | Pemasok |
|---|---|---|---|
| 17-4PH | Philloy 17-4, 17-4PH NX2 | 15-45 mikron | Hoganas, Aditif Tukang Kayu |
| 316L | 316L CX, 316L-Si-dura | 15-45 mikron | Linde, Concept Laser |
| 304L | CL20ES, 304L CX | 15-45 mikron | Laser Konsep, Aditif Tukang Kayu |
Bubuk paduan aluminium
| Bahan | Nilai bubuk | Ukuran partikel | Pemasok |
|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | AlSi10Mg ALEA, AlSi10Mg CX | 25-45 mikron | Linde, Concept Laser |
| AlSi7Mg | AlSi7Mg AM | 25-45 mikron | Linde |
| Al6061 | 6061 CX | 15-45 mikron | Aditif Tukang Kayu |
Bubuk Paduan Titanium
| Bahan | Nilai bubuk | Ukuran partikel | Pemasok |
|---|---|---|---|
| Ti6Al4V | Ti64 ELIT, Ti64 Grade 23 | 15-45 mikron | AP&C, Linde |
| Ti6Al4V ELI | Ti64-ELI CX | 15-45 mikron | Aditif Tukang Kayu |
Bubuk paduan nikel
| Bahan | Nilai bubuk | Ukuran partikel | Pemasok |
|---|---|---|---|
| Inconel 718 | 718 ALEA AM, 718-P Powder | 10-45 mikron | Linde, Praxair |
| Inconel 625 | 625 CX, Inconel 625-Si-dura | 15-45 mikron | Aditif Tukang Kayu, Laser Konsep |
Serbuk Paduan Kobalt Chrome
| Bahan | Nilai bubuk | Ukuran partikel | Pemasok |
|---|---|---|---|
| CoCrMo | CoCrMo CX, CobaltChrome Digital | 5-25 mikron | Aditif Tukang Kayu, Arcam |
| CoCrWNi | CC W-Ni CX | 5-25 mikron | Aditif Tukang Kayu |
Tingkat bubuk yang dioptimalkan ini memastikan kualitas tinggi dan kinerja yang dapat diulang untuk pembuatan aditif logam di seluruh paduan kedirgantaraan, medis, dan industri yang umum.
Biaya Pembuatan Bubuk Aditif Logam
Biaya serbuk logam untuk AM dapat sangat bervariasi, tergantung pada komposisi paduan, kemurnian, distribusi ukuran partikel, pemasok, dan volume pembelian:
| Bahan | Biaya per kg |
|---|---|
| Baja tahan karat 316L | $50 – $120 |
| Aluminium AlSi10Mg | $50 – $100 |
| Titanium Ti64 | $150 – $500 |
| Inconel 718 | $150 – $300 |
| Krom kobalt | $250 – $500 |
Biaya serbuk merupakan bagian yang signifikan dari keseluruhan biaya komponen dalam AM logam. Industri yang mengadopsi AM meliputi kedirgantaraan, medis, otomotif, dan minyak dan gas di mana paduan bernilai tinggi membenarkan biayanya. Seiring dengan meningkatnya volume, harga pun menurun. Menggunakan kembali serbuk limbah melalui sistem pemulihan serbuk juga membantu mengurangi biaya keseluruhan per bagian.
Pemrosesan Pasca-Pemrosesan Manufaktur Aditif Logam
Sebagian besar proses AM logam menghasilkan komponen dengan permukaan akhir yang kasar dan beberapa porositas internal. Biasanya diperlukan pasca-pemrosesan tambahan:
- Penghapusan dari pelat bangunan - Memotong, menggiling, atau mengerinda kawat untuk melepas penyangga dan memisahkan bagian.
- Finishing permukaan - Pemesinan, penggilingan, pemolesan, peledakan untuk meningkatkan hasil akhir permukaan.
- Menghilangkan stres - Perlakuan panas untuk meringankan tegangan sisa dari pembuatan AM.
- Penekanan isostatik panas - Tekanan tinggi untuk menghilangkan rongga internal dan meningkatkan kepadatan.
- Perlakuan panas - Pengerasan presipitasi, penuaan untuk meningkatkan sifat mekanik.
- Pelapis - Terapkan pelapis fungsional untuk ketahanan aus/korosi jika diperlukan.
Dengan pasca-pemrosesan yang tepat, komponen logam AM dapat mencapai densitas yang sangat tinggi dan permukaan akhir yang presisi, sebanding dengan komponen logam yang diproduksi secara tradisional.
Panduan Desain Manufaktur Aditif Logam
Untuk memanfaatkan sepenuhnya AM logam dan menghindari potensi jebakan, disarankan untuk mengikuti panduan desain berikut ini:
- Meminimalkan struktur yang menjorok yang membutuhkan penyangga
- Arahkan bagian untuk mengurangi efek permukaan akhir yang menaiki tangga
- Gunakan dinding tipis, kisi-kisi untuk mengurangi berat dan penggunaan material
- Mengkonsolidasikan rakitan menjadi satu bagian yang kompleks
- Memadukan saluran pendingin konformal dan desain bionik
- Rancang saluran internal dan rongga agar dapat berdiri sendiri
- Berikan lubang akses untuk daerah yang tidak dibubuhi bubuk
- Memperhitungkan sifat anisotropik berdasarkan orientasi bangunan
- Rancang fillet dan jari-jari yang besar ke dalam sudut-sudut
Dengan mengadopsi pola pikir desain-untuk-AM, para insinyur dapat sepenuhnya memanfaatkan kemampuan inovatif ini.
Masa Depan Manufaktur Aditif Logam
Manufaktur aditif logam telah berkembang pesat dalam hal bahan, proses, aplikasi, dan adopsi. Namun, peluang yang signifikan masih ada untuk meningkatkan kecepatan, biaya, kualitas, dan opsi material.
Produsen peralatan sedang mengembangkan amplop rakitan yang lebih besar dan sistem multi-laser untuk meningkatkan produktivitas. Pemantauan loop tertutup dan sistem kontrol kualitas yang canggih akan membantu meningkatkan konsistensi dan keandalan.
Pemasok bahan difokuskan pada kualifikasi lebih banyak paduan yang dioptimalkan untuk AM, termasuk material bersuhu lebih tinggi seperti superalloy nikel, baja perkakas, dan logam tahan api. Serbuk logam bergradasi fungsional dan komposit akan memberikan lebih banyak penyetelan properti.
Perangkat lunak Kemajuan seputar desain, simulasi, pengoptimalan, pembelajaran mesin, dan otomasi akan membuat AM lebih mudah diakses oleh khalayak yang lebih luas. Konektivitas sistem dan pendekatan manufaktur digital akan memungkinkan produksi yang lebih terdistribusi dan gesit.
Aplikasi akan terus berkembang pesat di bidang kedirgantaraan untuk mesin dan komponen struktural. Adopsi di bidang otomotif, minyak dan gas, peralatan medis, dan elektronik konsumen akan meningkat seiring dengan penurunan biaya. Manufaktur yang cepat dan kustomisasi massal akan menjadi kenyataan.
Ini adalah waktu yang menyenangkan dalam industri AM logam karena pemain baru dan inovasi baru memasuki pasar dengan pertumbuhan tinggi yang diperkirakan akan mencapai lebih dari $15 miliar pada tahun 2028.
Manufaktur Aditif Logam - FAQ
Berikut ini adalah jawaban atas beberapa pertanyaan yang sering diajukan tentang bahan dan proses manufaktur aditif logam:
Jenis logam apa saja yang dapat dicetak 3D?
Sebagian besar paduan industri utama dapat dicetak termasuk baja tahan karat, aluminium, titanium, nikel, krom kobalt, baja perkakas, logam mulia seperti emas dan perak, dan paduan tembaga. Paduan baru terus dikualifikasikan.
Akurasi dan hasil akhir seperti apa yang dapat dicapai?
Akurasi dimensi biasanya sekitar ± 0,1-0,3% dengan toleransi ± 0,1-0,2mm. Permukaan akhir yang dicetak kasar pada 10-25 μm Ra tetapi dapat ditingkatkan secara signifikan melalui pemesinan dan pemolesan.
Bagaimana sifat material dibandingkan dengan manufaktur tradisional?
Struktur mikro dan sifat sebagian besar komponen aditif sebanding dengan bentuk material cor atau tempa. Sifat mekanis memenuhi atau melampaui standar untuk material seperti paduan titanium dan nikel kelas kedirgantaraan.
Bagaimana komponen diproses setelah pencetakan 3D?
Pasca-pemrosesan meliputi pelepasan penyangga, penghilangan tegangan, operasi penyelesaian permukaan seperti pemesinan CNC, penggilingan, dan pemolesan serta perlakuan panas apa pun yang diperlukan. Beberapa aplikasi penting mungkin memerlukan pengepresan isostatik panas (HIP) untuk menghilangkan rongga internal dan meningkatkan kepadatan.
Apa saja prinsip desain utama untuk komponen logam AM?
Panduan desain termasuk meminimalkan overhang, mengoptimalkan orientasi bangunan, menggabungkan kisi-kisi dan struktur internal, menggunakan dinding tipis, dan mengkonsolidasikan rakitan. Performa dapat ditingkatkan melalui desain pendinginan bionik dan konformal.