Bubuk logam adalah bahan baku penting untuk manufaktur aditif yang menggunakan teknologi fusi unggun serbuk. Panduan ini memberikan gambaran umum tentang berbagai serbuk logam yang digunakan dalam proses pencetakan 3D seperti peleburan laser selektif (SLM) dan peleburan berkas elektron (EBM).
Pengantar Serbuk Logam untuk AM
Serbuk logam memungkinkan pencetakan komponen logam yang kompleks dan berkinerja tinggi dengan menggunakan manufaktur aditif.
Bahan yang digunakan:
- Baja tahan karat
- Baja perkakas
- Paduan kobalt-krom
- Paduan titanium dan titanium
- Paduan aluminium
- Nikel Superalloys
- Paduan tembaga
Sifat-sifat utama bedak:
- Kimia - Kemurnian dan komposisi
- Bentuk dan morfologi partikel
- Distribusi ukuran partikel
- Kepadatan yang tampak dan kepadatan keran
- Kemampuan mengalir
- Penggunaan kembali bubuk
Metode produksi bubuk:
- Atomisasi gas
- Atomisasi air
- Atomisasi plasma
- Peleburan induksi elektroda
- Proses karbonil
- Paduan mekanis
Bubuk stainless steel
Serbuk baja tahan karat biasanya digunakan untuk mencetak komponen yang tahan korosi:
Jenis paduan:
- Baja Austenitik seperti 316L, 304L
- Baja martensitik seperti 17-4PH
- Baja dupleks seperti 2205
- Pengerasan curah hujan seperti 17-4PH, 15-5PH
Karakteristik:
- Ketahanan korosi dan oksidasi yang tinggi
- Kekuatan dan keuletan yang baik
- Tidak mudah retak dibandingkan baja paduan tinggi
- Parameter seperti membangun atmosfer sangat penting
Aplikasi:
- Suku cadang industri kimia dan proses
- Komponen laut
- Implan dan perangkat medis
- Bagian industri makanan/farmasi yang membutuhkan kebersihan
Pemasok: Carpenter, Sandvik, Praxair, Höganäs, LPW Technology
Bubuk Baja Perkakas
Baja perkakas seperti H13 sangat ideal untuk mencetak keausan dan suku cadang dengan tingkat kekerasan tinggi:
Jenis paduan:
- Baja tahan guncangan seperti S7
- Baja kerja dingin seperti D2
- Baja kerja panas seperti H13, H11
- Baja kecepatan tinggi seperti M2
Karakteristik:
- Kekerasan luar biasa hingga 60 HRC
- Ketahanan aus yang tinggi
- Ketangguhan yang baik dan ketahanan terhadap kelelahan termal
- Memerlukan anil solusi suhu tinggi
Aplikasi:
- Cetakan dan cetakan pembentuk logam
- Alat pemotong dan mata bor
- Suku cadang dan bantalan aus
- Perkakas bersuhu tinggi
Pemasok: Sandvik, Erasteel, LPW Technology, Tekna Plasma Systems
Paduan Kobalt-Krom
Serbuk kobalt-krom mencetak implan dan restorasi gigi yang biokompatibel:
Jenis paduan:
- CoCrMo seperti Co-28Cr-6Mo
- CoNiCrMo seperti Co-35Ni-20Cr-10Mo
- CoCr seperti Co-67Cr-28Fe
Karakteristik:
- Biokompatibilitas dan ketahanan korosi yang sangat baik
- Kekuatan dan kekerasan tinggi
- Ketahanan aus untuk mengartikulasikan sambungan
- Kemampuan cetak yang menantang dan kecenderungan retak
Aplikasi:
- Penambalan, jembatan dan mahkota gigi
- Implan lutut dan pinggul ortopedi
- Perangkat fiksasi seperti pelat tengkorak
- Perangkat keras fusi tulang belakang
Pemasok: Solusi SLM, Tukang Kayu, Arcam EBM
Bubuk Titanium
Serbuk titanium menciptakan komponen cetakan yang kuat dan ringan:
Jenis paduan:
- Titanium tanpa paduan seperti Ti Grade 1-4
- Paduan Ti-6Al-4V
- Paduan Ti-6Al-7Nb
- Paduan alfa + beta lainnya
Karakteristik:
- Rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi
- Ketahanan korosi yang sangat baik
- Sifat suhu tinggi yang baik
- Kepadatan rendah - 4,5 g/cc
- Reaktif dan membutuhkan atmosfer lembam
Aplikasi:
- Komponen kedirgantaraan dan olahraga motor
- Implan dan prostetik medis
- Suku cadang industri makanan/kimia
- Suku cadang otomotif
Pemasok: AP&C, Tekna, Aditif Tukang Kayu
Paduan Aluminium
Serbuk aluminium mencetak bagian struktural atau fungsional yang ringan:
Jenis paduan:
- AlSi10Mg
- AlSi7Mg
- AlSi12
- Scalmalloy® dan paduan Al lainnya
Karakteristik:
- Kepadatan rendah - 2,7 g/cc
- Kekuatan dan kekakuan yang baik
- Konduktivitas termal yang sangat baik
- Rentan terhadap keretakan dan tegangan sisa
Aplikasi:
- Komponen otomotif dan olahraga motor
- Aplikasi kedirgantaraan dan ruang angkasa
- Penukar panas
- Peralatan medis seperti gips
Pemasok: AP&C, Sandvik, Teknologi LPW, Butiran ECKA
Nikel Superalloys
Superalloy nikel seperti Inconel 718 mencetak komponen bersuhu tinggi:
Jenis paduan:
- Inconel 718
- Inconel 625
- Waspaloy
- Hastelloy X
Karakteristik:
- Kekuatan suhu tinggi yang sangat baik
- Ketahanan korosi dan creep yang baik
- Kemampuan untuk bekerja di bawah tekanan pada suhu tinggi
- Menantang untuk diproses dan rentan terhadap keretakan
Aplikasi:
- Bilah turbin
- Bagian ruang bakar
- Komponen pesawat ruang angkasa
- Suku cadang industri nuklir/kimia
Pemasok: Praxair, Aditif Tukang Kayu, Aditif GE
Paduan Tembaga
Paduan tembaga seperti CuCrZr mencetak komponen yang sangat konduktif:
Jenis paduan:
- Tembaga-kromium seperti CuCr1Zr
- Tembaga-nikel seperti CuNi2SiCr
- Perunggu seperti CuSn10
Karakteristik:
- Konduktivitas termal dan listrik yang sangat baik
- Ketahanan korosi yang baik
- Properti antibakteri
- Kekuatan yang lebih rendah dari baja dan paduan Ni
Aplikasi:
- Komponen listrik seperti busbar
- Penukar panas dan pendingin
- Pandu gelombang dan komponen RF
- Instrumen dan fiksasi medis
Pemasok: Sandvik, Teknologi LPW, Metalisis
Spesifikasi Teknis
Spesifikasi serbuk logam yang umum digunakan dalam AM:
| Parameter | Nilai-nilai Khas | Standar Uji |
|---|---|---|
| Ukuran partikel | 10 - 45 μm | ASTM B214 |
| Bentuk partikel | Bulat | ISO 13322-2 |
| Laju aliran | 25 - 35 s/50g | ASTM B213 |
| Kepadatan yang tampak | 2 - 5 g/cc | ASTM B212 |
| Kerapatan ketukan | 4 - 8 g/cc | ASTM B527 |
| Oksigen sisa | <300 ppm | Metode internal |
| Nitrogen sisa | <50 ppm | Metode internal |
| Sisa karbon | <30 ppm | ASTM E1019 |
Metode Produksi Bubuk
1. Atomisasi Gas
- Bubuk yang sangat bulat
- Ukuran partikel kecil 5-100 μm
- Digunakan untuk paduan reaktif seperti titanium
2. Atomisasi Air
- Bentuk bedak tidak beraturan
- Partikel yang lebih besar hingga 300 μm
- Proses dengan biaya lebih rendah
3. Atomisasi Plasma
- Bentuk partikel yang terkendali
- Ukuran mikrometer hingga 150 μm
- Bubuk dengan kemurnian tinggi
4. Paduan Mekanis
- Pencampuran dan penggilingan unsur
- Hemat biaya untuk paduan khusus
- Ukuran partikel yang besar
Pemasok dan Harga
| Pemasok | Bahan | Kisaran Harga |
|---|---|---|
| Teknologi LPW | Baja perkakas, baja tahan karat | $50 - $120/kg |
| AP&C | Paduan titanium, paduan Al | $70 - $450/kg |
| Sandvik | Baja tahan karat, paduan Ni | $45 - $250/kg |
| Praxair | Paduan super, titanium | $150 - $600/kg |
| Aditif Tukang Kayu | Baja perkakas, CoCr, tahan karat | $80 - $300/kg |
- Serbuk baja tahan karat berharga $45-$120 per kg
- Serbuk paduan titanium berharga $150-$450 per kg
- Superalloy dan baja perkakas berharga $250-$600 per kg
Harga tergantung pada paduan, kualitas, ukuran lot, dan perjanjian pembelian.
Penanganan dan Penyimpanan Bubuk
Untuk mencegah kontaminasi, penanganan bubuk yang tepat sangat penting:
- Gunakan area pengayakan bubuk khusus
- Pastikan glovebox dan hopper atmosfer lembam
- Gunakan wadah konduktif untuk menghilangkan muatan statis
- Giling semua peralatan dan wadah pengangkut
- Hindari kontak dengan minyak, air, atau oksigen
- Simpan bubuk dalam wadah tertutup di bawah gas inert
- Mengontrol suhu dan kelembapan selama penyimpanan
- Ikuti tindakan pencegahan keselamatan seperti APD saat menangani
Penyimpanan yang tepat akan memperpanjang masa pakai bubuk.
Penyaringan Bubuk
Pengayakan memastikan ukuran partikel yang konsisten:
Manfaat:
- Menghilangkan partikel satelit yang menyebabkan cacat
- Memecah aglomerat
- Meningkatkan aliran dan kepadatan kemasan
- Mengurangi masalah daur ulang
- Menghilangkan kontaminan asing
Prosedur:
- Ayak bubuk menggunakan ukuran mesh sekitar 20-63 μm
- Saring menggunakan pengayakan rotasi atau getaran
- Lakukan pengayakan di bawah atmosfer lembam
- Dokumentasikan persentase berat bubuk yang tersisa
Pengayakan meningkatkan kualitas komponen dengan memastikan penyebaran bubuk yang ideal.
Instalasi dan Komisioning
Memasang printer AM logam dengan sistem serbuk, melibatkan:
- Membersihkan permukaan peralatan untuk menghindari kontaminasi
- Pengujian kebocoran sambungan gas inert
- Memeriksa daya sinar laser atau elektron
- Memuat dan menguji sistem pelapisan ulang bubuk
- Mengintegrasikan koneksi chiller, knalpot, dan servis
- Memasang sensor pemantauan dan keamanan
- Memverifikasi sistem pengayakan dan penanganan bubuk
- Mengkalibrasi perataan pelat bangunan
- Menguji bagian sampel pencetakan dan memvalidasi kualitas
Vendor menyediakan dukungan instalasi dan komisioning.
Operasi dan Praktik Terbaik
Panduan pengoperasian printer:
- Melakukan pemeriksaan kebocoran secara teratur dan uji kemurnian gas inert
- Bubuk prakondisi untuk memastikan tekstur yang konsisten
- Menyesuaikan ketebalan lapisan dan parameter laser untuk material baru
- Memantau kolam lelehan dengan cermat dan mengontrol suhu bagian
- Validasi dimensi kritis menggunakan cetakan uji
- Pantau kondisi bubuk dan gunakan kembali hanya sesuai rekomendasi
- Melakukan perawatan rutin pada optik, sistem pengiriman sinar, dan mekanisme pelapisan ulang bubuk
Keselamatan personel:
- Gunakan APD yang sesuai seperti respirator dan sarung tangan
- Hindari kontak dengan serbuk logam halus yang reaktif
- Menangani bubuk limbah dengan benar di bawah atmosfer lembam
Bagian pasca-pemrosesan:
- Gunakan solusi perlakuan panas dan suhu penuaan yang tepat yang disesuaikan dengan paduan dan aplikasi
- Mengontrol laju ramp selama pemrosesan termal untuk mengurangi tekanan
- Gunakan pengepresan isostatik panas untuk komponen yang kompleks jika diperlukan untuk meningkatkan kepadatan
- Menerapkan langkah-langkah penyelesaian seperti pemesinan dan pemolesan CNC
Pemeliharaan dan Inspeksi
Kegiatan pemeliharaan rutin:
Setiap hari:
- Memeriksa optik seperti cermin, lensa, jendela dari kerusakan
- Bersihkan ruang rakitan dan sistem penanganan bubuk
- Periksa level gas inert dan isi ulang jika perlu
- Menguji mekanisme ayakan dan pelapis ulang serbuk
Mingguan:
- Mengkalibrasi sensor dan instrumentasi
- Periksa pengencang, terminal listrik, dan pengardean
- Melumasi dan memeriksa komponen yang bergerak seperti motor dan drive
- Memantau filter untuk penggantian
Bulanan:
- Uji kebocoran sistem gas inert menggunakan helium
- Memeriksa perangkat keselamatan seperti detektor kebakaran
- Periksa kesehatan sistem CHP
Tahunan:
- Jadwalkan pemeliharaan preventif dengan vendor peralatan
- Mengkalibrasi pengukur daya laser
- Mengganti filter dan barang habis pakai
Pemeliharaan sesuai panduan vendor diperlukan untuk mempertahankan kualitas suku cadang dan kesehatan peralatan.
Memilih Sistem Pencetakan Logam yang Tepat
Faktor-faktor yang perlu dipertimbangkan ketika memilih mesin AM logam:
1. Persyaratan Produksi
- Jenis komponen yang akan diproduksi
- Bahan yang dibutuhkan berdasarkan properti bagian
- Persyaratan volume produksi
- Akurasi dan hasil akhir permukaan yang diperlukan
2. Spesifikasi Printer
- Bahan dan parameter yang didukung
- Membangun ukuran dan kecepatan
- Presisi dan pengulangan
- Manajemen atmosfer lembam
- Fitur dan kontrol otomatisasi
3. Sistem Penanganan Bubuk
- Sistem terintegrasi atau mandiri
- Kemampuan penyaringan, pengumpanan, penyimpanan, dan penggunaan kembali
- Wadah untuk bahan reaktif seperti titanium
- Fitur pemantauan untuk menghindari kontaminasi
4. Kepatuhan terhadap Standar
- Standar industri seperti ASTM F3301
- Sertifikasi kualitas produsen
- Kepatuhan terhadap standar keselamatan
5. Kredensial Pemasok
- Rekam jejak yang telah terbukti dalam industri AM
- Kemampuan penjualan lokal dan dukungan teknis
- Kontrak pemeliharaan dan layanan yang ditawarkan
- Rencana pelatihan operator
- Biaya kepemilikan keseluruhan
Analisis persyaratan yang menyeluruh dan perbandingan penawaran mesin dengan menggunakan kriteria ini menghasilkan pemilihan sistem pencetakan logam 3D yang ideal yang disesuaikan dengan kebutuhan produksi.
Pro dan Kontra Metal AM
Keuntungan:
- Kerumitan geometris yang tinggi dicetak dengan mudah
- Waktu yang lebih singkat untuk komponen fungsional
- Mengurangi limbah dibandingkan dengan proses subtraktif
- Produksi pengaturan tunggal langsung dari CAD
- Potensi pembobotan dan konsolidasi bagian
- Peningkatan kinerja dengan paduan yang direkayasa
- Kemampuan kustomisasi dan penyesuaian massal
Kekurangan:
- Biaya mesin dan material yang tinggi
- Diperlukan langkah-langkah pasca-pemrosesan tambahan
- Ukuran terbatas berdasarkan ruang bangunan
- Pengendalian cacat internal dapat menjadi tantangan tersendiri
- Sifat material dapat bervariasi dibandingkan dengan tempa
- Keterbatasan permukaan akhir mungkin memerlukan finishing
- Persyaratan pelatihan dan keahlian
Pemecahan Masalah Umum Masalah AM Logam
| Cacat | Kemungkinan Penyebab | Tindakan Korektif |
|---|---|---|
| Porositas | Parameter proses yang tidak tepat | Mengoptimalkan daya laser, kecepatan, jarak penetasan |
| Kontaminasi bubuk | Gunakan bubuk yang baru diayak, tingkatkan penanganan bubuk | |
| Tumpang tindih yang tidak memadai di antara trek pemindaian | Menyesuaikan ukuran fokus sinar dan tumpang tindih | |
| Retak | Tekanan panas yang berlebihan | Optimalkan pemanasan awal, kendalikan laju pendinginan dengan pemanas |
| Bahan yang rentan terhadap keretakan | Ubah orientasi untuk mengurangi tekanan | |
| Kontaminasi dari atmosfer bangunan | Memastikan atmosfer inert dengan kemurnian tinggi | |
| Warping | Pemanasan atau pendinginan yang tidak merata | Mengoptimalkan pola pemindaian dan menahan bagian pada pelat cetak |
| Permukaan Akhir yang Buruk | Suhu bagian terlalu rendah | Tingkatkan suhu pemanasan awal |
| Fluiditas kolam lelehan yang tidak tepat | Menyesuaikan daya dan parameter lainnya | |
| Bubuk yang terkontaminasi | Gunakan bedak segar dan tingkatkan penanganan |
Pertanyaan Umum
T: Serbuk paduan logam apa yang dapat digunakan untuk AM?
J: Baja tahan karat, baja perkakas, paduan titanium, superalloy nikel, paduan aluminium, kobalt-krom, dan paduan tembaga adalah hal yang umum.
T: Berapa kisaran tipikal ukuran partikel bubuk yang digunakan?
J: Untuk proses PBF-LB/M, 10-45 mikron adalah hal yang umum, dengan distribusi yang lebih ketat sekitar 20-45 μm.
T: Berapa lama serbuk logam bisa bertahan?
J: Dengan penyimpanan argon yang ideal, banyak paduan yang bertahan 1-2 tahun. Masa pakai ulang lebih pendek - 20-100 cetakan berdasarkan paduan.
T: Langkah-langkah pasca-pemrosesan apa yang diperlukan pada komponen AM logam?
J: Penghapusan dukungan, perlakuan panas, finishing permukaan seperti pemesinan CNC, pemolesan dan pelapisan sering kali diperlukan.
T: Bagaimana cara menangani serbuk logam reaktif seperti titanium dan aluminium?
J: Penanganan serbuk khusus dalam atmosfer argon inert diperlukan untuk mencegah pengambilan oksigen.
T: Apa saja risiko kontaminasi bubuk yang umum terjadi?
J: Paparan ke atmosfer yang menyebabkan pengambilan oksigen atau nitrogen. Partikel logam dari pemesinan atau keausan. Minyak dan kelembapan.
T: Standar apa yang digunakan untuk memenuhi syarat serbuk logam?
J: Standar ASTM B214, ASTM B812, ASTM F3049, ASTM F3301, dan MPIF.
T: Mengapa pengayakan bubuk itu penting?
J: Ini memecah gumpalan, menghilangkan satelit, dan memberikan ukuran serbuk yang optimal dan konsisten untuk densitas dan permukaan akhir yang tinggi.
Kesimpulan
Serbuk logam memungkinkan pembuatan komponen aditif yang canggih dan berkinerja tinggi dengan sifat yang lebih baik daripada bahan tempa dalam beberapa kasus. Berbagai macam paduan mulai dari baja tahan karat hingga superalloy dan titanium tersedia dalam bentuk serbuk, yang disesuaikan dengan aplikasi yang menuntut di seluruh industri kedirgantaraan, medis, otomotif, dan industri umum. Dengan peningkatan berkelanjutan dalam paduan, standar kualitas, proses produksi, mesin, dan properti komponen - metal AM semakin matang menjadi teknologi produksi inti secara global. Namun, keahlian proses dan material serta kontrol kualitas yang ketat sangat penting untuk mewujudkan manfaat penuh. Seiring dengan bertambahnya pengalaman, metal AM memberikan kemampuan yang belum pernah ada sebelumnya untuk memproduksi suku cadang yang kompleks dan disesuaikan dengan kebebasan desain yang lebih besar dan waktu tunggu yang lebih singkat.