Apa itu Pencetakan 3D? Prinsip Kerja | Jenis | Aplikasi

Konsep 3D Printing dicetuskan oleh David E.H. Jones pada tahun 1974. Namun, metode dan bahan untuk model fabrikasi tidak dikembangkan sampai awal 1980-an.

Istilah 'pencetakan 3D' mencakup berbagai proses dan teknik yang menawarkan spektrum kemampuan yang luas untuk produksi suku cadang dan produk dalam bahan yang berbeda. Dalam beberapa tahun terakhir, proses ini telah berkembang secara signifikan dan sekarang dapat menjalankan peran penting dalam banyak aplikasi.

Artikel ikhtisar ini bertujuan untuk menjelaskan berbagai jenis dan proses Pencetakan 3D, bagaimana cara kerjanya, dan apa kegunaan dan manfaatnya di pasar saat ini. Mari kita mulai dengan pertanyaan yang sangat mendasar.

Apa itu Pencetakan 3D?

3D Printing, juga dikenal sebagai manufaktur aditif, adalah proses pembuatan objek fisik dari model digital tiga dimensi atau model CAD. Ini melibatkan berbagai teknik yang dikendalikan komputer di mana material digabungkan atau dipadatkan untuk membangun objek yang sebenarnya.

Biasanya, bahan (seperti butiran bubuk atau molekul cair yang digabungkan bersama) ditambahkan lapis demi lapis pada skala milimeter. Inilah sebabnya mengapa Pencetakan 3D juga disebut proses manufaktur aditif.

Gambar mengilustrasikan bagaimana printer 3D mencetak objek tiga dimensi lapis demi lapis | Logika 3D

Pada 1990-an, teknik pencetakan 3D disebut sebagai prototipe cepat. Mereka hanya cocok untuk pembuatan prototipe estetika atau fungsional. Sejak itu, kami telah menempuh perjalanan jauh.

Teknologi pencetakan 3D saat ini cukup canggih untuk membuat struktur dan geometri kompleks yang tidak mungkin dibuat secara manual.

Ketepatan, jangkauan material, dan pengulangan 3D Printing telah meningkat hingga kami dapat membuat hampir semua hal — mulai dari prototipe sederhana hingga produk akhir yang kompleks seperti bangunan ramah lingkungan, suku cadang pesawat, peralatan medis, dan bahkan organ buatan menggunakan lapisan sel manusia.

Baca: Ilmuwan Mencetak Kornea Manusia Buatan 3D Menggunakan 'Bio-ink'

Bagaimana Cara Kerjanya?

Semua teknik pencetakan 3D didasarkan pada prinsip yang sama:printer 3D mengambil model digital (sebagai input) dan mengubahnya menjadi objek fisik tiga dimensi dengan menambahkan materi lapis demi lapis.

Ini jauh berbeda dari proses manufaktur tradisional seperti cetakan injeksi dan mesin CNC yang menggunakan berbagai alat pemotong untuk membangun struktur yang diinginkan dari blok padat. Pencetakan 3D, bagaimanapun, tidak memerlukan alat pemotong:objek dibuat langsung ke platform yang dibangun.

Prosesnya dimulai dengan model 3D digital (cetak biru objek). Perangkat lunak (khusus untuk printer) memotong model 3D menjadi lapisan tipis dua dimensi. Kemudian mengubahnya menjadi satu set instruksi dalam bahasa mesin untuk dijalankan oleh printer.

Tergantung pada jenis printer dan ukuran objek, pencetakan membutuhkan waktu beberapa jam untuk diselesaikan. Objek yang dicetak sering kali memerlukan pasca-pemrosesan (seperti pengamplasan, pernis, cat, atau jenis sentuhan akhir konvensional lainnya) untuk mencapai permukaan akhir yang optimal, yang membutuhkan waktu tambahan dan upaya manual.

Berbagai jenis printer 3D menggunakan teknologi berbeda yang memproses bahan berbeda dengan cara berbeda. Mungkin batasan paling mendasar dari 3D Printing, dalam hal bahan dan aplikasi, adalah tidak ada solusi satu ukuran untuk semua.

Jenis/Proses Pencetakan 3D

Sesuai standar ISO/ASTM 52900, semua proses pencetakan 3D dapat dikategorikan ke dalam tujuh kelompok. Masing-masing memiliki pro dan kontra yang terkait dengannya, yang biasanya melibatkan aspek seperti biaya, kecepatan, sifat material, dan batasan geometris.

1. Fotopolimerisasi PPN

Ilustrasi SLA:laser(a) secara selektif menerangi bagian bawah transparan(c) tangki yang diisi(b) dengan resin polimerisasi foto cair. Platform pengangkat (e) secara progresif menyeret resin yang dipadatkan (d).

Printer 3D berdasarkan fotopolimerisasi Vat memiliki wadah berisi resin fotopolimer, yang dikeraskan dengan sumber cahaya ultraviolet untuk membuat objek. Tiga bentuk Polimerisasi Vat yang paling umum adalah

1a) Stereolitografi (SLA): Diciptakan pada tahun 1984, SLA menggunakan laser ultraviolet untuk menghubungkan monomer kimia dan oligomer untuk membentuk polimer yang membentuk tubuh padatan tiga dimensi. Meskipun prosesnya cepat dan dapat membangun hampir semua struktur, itu bisa mahal.

1b) Pemrosesan Cahaya Digital (DLP): Ini menggunakan sumber cahaya konvensional seperti lampu busur (bukan laser). Setiap lapisan objek diproyeksikan ke tong resin cair, yang kemudian dipadatkan lapis demi lapis saat platform pengangkat bergerak ke atas atau ke bawah.

1c) Produksi Antarmuka Cairan Berkelanjutan (CLIP): Ini mirip dengan stereolitografi tetapi terus menerus dan hingga 100 kali lebih cepat. CLIP dapat menghasilkan objek yang kenyal dan fleksibel dengan sisi yang halus, yang tidak dapat dibuat dengan teknik lain.

2. Ekstrusi Bahan

Ilustrasi ekstrusi material:Nozzle(1) sedang menyimpan material(2) pada platform build(3).

Dalam proses ini, filamen bahan termoplastik padat didorong melalui nosel yang dipanaskan, yang melelehkan material dan menyimpannya pada platform pembuatan di sepanjang jalur yang telah ditentukan. Bahan ini akhirnya mendingin dan mengeras, membentuk objek tiga dimensi. Teknik yang paling umum digunakan dalam proses ini adalah

2a) Fused Deposition Modeling (FDM): Ini menggunakan filamen kontinu dari bahan termoplastik, seperti nilon, poliuretan termoplastik, atau asam polilaktat.

2b) Robocasting: Ini melibatkan ekstrusi bahan seperti pasta dari nozzle kecil sementara nozzle dipindahkan melintasi platform build. Prosesnya berbeda dengan FDM karena tidak bergantung pada pengeringan atau pemadatan material untuk mempertahankan bentuknya setelah ekstrusi.

3. Laminasi Lembar

Beberapa printer menggunakan kertas dan plastik sebagai bahan pembuatan untuk menurunkan biaya Pencetakan. Dalam teknik ini, beberapa lapisan plastik perekat, kertas, atau laminasi logam digabungkan secara berurutan dan dipotong menjadi bentuk menggunakan pemotong laser atau pisau.

Resolusi lapisan dapat ditentukan oleh bahan baku material. Biasanya berkisar antara satu dan beberapa lembar kertas fotokopi. Proses ini dapat digunakan untuk membuat bagian besar, tetapi akurasi dimensi produk akhir akan jauh lebih rendah daripada stereolitografi.

4. Deposisi Energi Terarah

Teknik deposisi energi terarah umumnya digunakan dalam industri logam berteknologi tinggi dan aplikasi manufaktur cepat. Peralatan pencetakan berisi nosel yang dipasang pada lengan robot multi-sumbu. Nosel menyimpan kekuatan logam pada platform build, yang kemudian dilebur oleh laser, plasma, atau berkas elektron, untuk membentuk objek padat.

Jenis Pencetakan 3D ini mendukung berbagai logam, material bergradasi fungsional, dan komposit, termasuk aluminium, baja tahan karat, dan titanium. Tidak hanya dapat membuat bagian logam yang benar-benar baru, tetapi juga dapat menempelkan material ke bagian yang ada, memungkinkan aplikasi manufaktur hibrida.

5. Pengaliran Bahan

Bagian yang dicetak dengan proses pengaliran material 

Pengaliran material beroperasi dengan cara yang mirip dengan printer kertas inkjet. Dalam proses ini, bahan fotosensitif diterapkan dalam tetesan melalui nozzle berdiameter kecil dan kemudian dikeraskan dengan sinar ultraviolet, membangun bagian lapis demi lapis.

Bahan yang digunakan dalam teknik ini adalah termoset fotopolimer (akrilik). Pencetakan multi-bahan dan berbagai bahan (termasuk bahan seperti karet dan bahan transparan) juga tersedia.

Karena pengaliran material Pencetakan 3D dapat membuat bagian dengan akurasi dimensi tinggi dengan permukaan akhir yang halus, ini merupakan pilihan yang menarik untuk pembuatan prototipe visual dan alat komersial.

6. Pengaliran Binder

Cetakan penuh warna yang dicetak di batu pasir dengan Binder Jetting | Kredit gambar:Hub 3D 

Binder jetting menggunakan dua bahan yaitu bahan dasar bubuk dan bahan pengikat cair. Bubuk didistribusikan secara merata di ruang pembuatan, dan pengikat diterapkan melalui nozel jet, yang 'merekatkan' partikel bubuk untuk membangun objek yang diinginkan.

Polimer lilin atau termoset sering dicampur dengan bubuk terikat untuk meningkatkan kekuatannya. Setelah pencetakan 3D selesai, sisa bubuk dikumpulkan dan digunakan untuk mencetak struktur lain.

Karena tekniknya sangat mirip dengan proses seperti inkjet, teknik ini juga disebut pencetakan 3D injeksi. Ini sebagian besar digunakan untuk mencetak bagian elastomer, overhang, dan prototipe warna-warni.

7. Bedak Bedak Fusion

Sistem SLS | DTM – 2500CI 

Fusi tempat tidur bubuk adalah bagian dari manufaktur aditif dimana sumber panas (seperti kepala cetak termal atau laser) digunakan untuk mengkonsolidasikan bahan dalam bentuk bubuk untuk membangun objek fisik. Lima bentuk paling umum dari teknologi ini adalah

7a) Sintering Laser Selektif (SLS): Ini menggunakan laser sebagai sumber daya untuk bahan bubuk sinter seperti poliamida atau nilon. Di sini istilah sinter mengacu pada proses pemadatan dan pembentukan massa material padat dengan menerapkan tekanan atau panas tanpa melelehkannya hingga titik likuifaksi.

7b) Peleburan Laser Selektif (SLM): Tidak seperti SLS, teknik ini dirancang untuk benar-benar melelehkan dan menggabungkan bubuk logam menjadi satu. Ini dapat membuat material yang sepenuhnya padat (lapisan demi lapisan) yang memiliki karakteristik mekanis yang mirip dengan logam manufaktur tradisional. Ini adalah salah satu proses yang berkembang pesat yang diimplementasikan di industri dan penelitian.

7c) Peleburan Berkas Elektron (EBM): Dalam prosesnya, bahan mentah (kawat atau bubuk logam) ditempatkan di dalam ruang hampa dan digabungkan bersama menggunakan berkas elektron. Meskipun EBM hanya dapat digunakan dengan bahan konduktif, EBM memiliki kecepatan pembuatan yang unggul karena kepadatan energinya yang lebih tinggi.

7d) Selektif Panas Sintering (SHS): Ini menggunakan printhead termal untuk menerapkan panas ke lapisan termoplastik bubuk. Segera setelah lapisan selesai, lapisan bubuk bergerak ke bawah, dan lapisan bahan baru ditambahkan, yang kemudian disinter untuk membentuk penampang model berikutnya. Teknik ini paling baik untuk membuat prototipe dan suku cadang murah untuk pengujian fungsional.

7e) Sintering Laser Logam Langsung (DMLS): Ini mirip dengan SLS tetapi menggunakan kekuatan logam sebagai gantinya. Kekuatan yang tersisa menjadi struktur pendukung untuk objek dan dapat digunakan kembali untuk cetakan 3D berikutnya. Bagian DMLS sebagian besar dibuat dengan bahan bubuk seperti titanium, baja tahan karat, aluminium, dan beberapa paduan khusus. Ini adalah proses yang ideal untuk suku cadang medis khusus, komponen minyak dan gas, dan prototipe fungsional yang tangguh.

Aplikasi

Dalam dekade terakhir, 3D Printing telah berkembang secara signifikan. Karena dapat digunakan untuk membuat desain kompleks dengan cepat dengan biaya lebih murah, ia telah menjadi alat penting di berbagai industri, mulai dari manufaktur komersial dan obat-obatan hingga arsitektur dan desain khusus.

Banyak teknik manufaktur aditif dapat digunakan untuk memproduksi produk makanan. Printer 3D modern hadir dengan resep yang sudah dimuat sebelumnya dan juga memungkinkan pengguna membuat makanan dari jarak jauh di komputer dan ponsel cerdas mereka. Makanan cetak 3D dapat disesuaikan tekstur, warna, bentuk, rasa, dan nutrisinya.

Teknologi ini juga terbukti efektif dalam formulasi farmasi. Formulasi pertama yang diproduksi oleh 3D Printing diproduksi pada tahun 2015. Pada tahun yang sama, FDA menyetujui tablet cetak 3D pertama.

Printer Zero-G 3D dikirim ke ISS pada tahun 2014  

Pada tahun 2014, SpaceX mengirimkan printer 3D tanpa gravitasi pertama ke Stasiun Luar Angkasa Internasional. Sekarang digunakan oleh astronot untuk mencetak alat yang berguna seperti kunci pas soket.

Faktanya, banyak proyek perakitan yang direncanakan di planet atau asteroid akan di-bootstrap dengan menggunakan bahan yang tersedia di wilayah terdekat. Pencetakan 3D adalah salah satu langkah utama dalam bootstrap ini.

Saat ini, perusahaan teknologi mengintegrasikan manufaktur aditif dengan komputasi awan untuk memungkinkan produksi terdistribusi yang terdesentralisasi dan independen secara geografis. Beberapa perusahaan menawarkan layanan pencetakan 3D online (melalui situs web) kepada pelanggan pribadi dan komersial.

Baca:40 Situs Web Terbaik untuk Mengunduh File STL Gratis untuk Pencetakan 3D

Masa Depan Pencetakan 3D

Impian besar dari 3D Printing adalah “pabrik di rumah semua orang.” Ini mungkin terdengar aneh, tetapi tidak dapat disangkal bahwa memiliki mesin yang dapat secara instan menghasilkan hal-hal yang dapat disesuaikan tanpa batas itu menarik.

Sama seperti komputer dan ponsel cerdas yang telah memberdayakan miliaran orang, printer 3D mungkin melakukan hal yang sama untuk manufaktur.

Menurut GrandViewResearch, pasar cetak 3D global bernilai $11,58 miliar pada tahun 2019, dan diperkirakan akan mencapai lebih dari $33 miliar pada tahun 2027 (dengan tingkat pertumbuhan 14% per tahun).

Faktor-faktor yang diharapkan dapat mendorong pertumbuhan pasar termasuk R&D yang agresif dan meningkatnya permintaan untuk aplikasi prototipe dari berbagai vertikal industri, terutama otomotif, kedirgantaraan, pertahanan, dan perawatan kesehatan.