Menjelajahi Material Komposit Cetak 3D: Panduan Praktis untuk Insinyur

Manufaktur aditif dapat digunakan dengan berbagai macam bahan, dari termoplastik berkinerja tinggi seperti PEEK hingga logam siang penerbangan seperti titanium.

Kadang-kadang, insinyur ingin menggabungkan sifat dari dua bahan yang berbeda, dan salah satu cara terbaik untuk melakukannya adalah dengan menggunakan komposit. Digunakan dalam proses seperti FDM dan SLS (serta teknologi baru), material komposit biasanya berisi bahan termoplastik dasar dan elemen penguat seperti serat karbon. Rasio antara kedua elemen dapat bervariasi, begitu pula metode integrasi bahan penguat.

Seiring waktu teknologi cetak 3D terus berkembang, penggunaan komposit yang dapat dicetak 3D semakin luas. Dan penggunaannya tidak terbatas pada industri juga: sementara beberapa komposit (bubuk SLS, misalnya) ditargetkan terutama pada pengguna industri, yang lain (seperti termoplastik terkuat serat yang dicacah) dapat digunakan dalam printer 3D FDM menengah untuk konsumen dan profesional.

Artikel ini berfungsi sebagai panduan pengenalan terhadap komposit cetak 3D. Ia melihat beberapa material komposit populer dan teknologi cetak komposit, menjelaskan perbedaan antara komposit serat yang dicacah dan serat kontinu, dan mempertimbangkan aplikasi serta keuntungan utama cetak 3D komposit.

Apa itu material komposit cetak 3D?

Sederhananya, material komposit adalah material yang terdiri dari dua atau lebih bahan yang berbeda. Spesialis komposit cetak 3D Markforged mendefinisikan komposit sebagai “terdiri dari lebih dari satu bahan yang, saat digabungkan, memiliki sifat yang berbeda dari bahan aslinya.”

Contoh komposit di luar cetak 3D mencakup plywood (lapisan furnir kayu yang berbeda) dan beton bertulang (beton yang diperkuat dengan batang baja).

Dalam cetak 3D, komposit biasanya adalah kombinasi dari termoplastik dasar (matriks) dan elemen penguat seperti serat karbon, serat kaca, grafen, atau kevlar. (Perhatikan bahwa campuran dari dua termoplastik, seperti PLA + ABS, biasanya disebut sebagai blend, bukan komposit.) Bahan dasar dapat berapapun, tetapi pengguna industri biasanya menggunakan termoplastik premium yang memiliki karakteristik material yang baik bahkan tanpa elemen penguat; plastik seperti itu termasuk PC, nylon, dan PEEK.

Komposit dapat mengambil berbagai bentuk material, yang paling umum adalah bubuk campuran untuk selektif laser sintering (SLS) dan filamen campuran untuk fused deposition modeling (FDM). Yang kurang umum tetapi sangat menarik adalah komposit yang terdiri dari bahan dasar yang digabungkan dengan serat kontinu yang, menggunakan proses baru, dapat dijalin atau ditetenkan ke dalam matriks termoplastik saat dicetak. Proses seperti itu biasanya memerlukan dua nozzle: satu untuk menyetorkan termoplastik, dan satu untuk mendistribusikan serat kontinu. Terakhir, ada juga sejumlah terbatas dari resin komposit untuk vat photopolymerization proses cetak 3D seperti stereolithography (SLA); dengan teknologi ini, bahan dasar resin termoset dapat dikurangi di sekitar rangka serat penguat.

Material komposit cetak 3D populer

Berdasarkan bubuk, filamen, atau bentuk lain, material komposit cetak 3D biasanya dikembangkan untuk kekuatan tinggi, kekekalan tinggi, stabilitas dimensi yang baik, dan rasio kekuatan-berat yang baik. Serat sangat ringan, dan mereka dapat secara drastis meningkatkan kekuatan termoplastik tanpa menambah massa. Komposit rekayasa yang dicetak 3D bahkan dapat digunakan sebagai pengganti logam.

Bahan dasar termoplastik untuk komposit cetak 3D FDM berkisar dari polimer komoditas seperti PLA dan ABS di ujung murah, hingga polimer berkinerja tinggi seperti PEEK di ujung premium. Nylon adalah bahan utama yang digunakan untuk bubuk komposit SLS (karena adalah bahan utama yang digunakan dalam laser sintering secara umum), tetapi bahan berkinerja tinggi seperti PAEK juga dapat digunakan.

Saat melihat komposit secara keseluruhan (termasuk di luar cetak 3D), serat kaca adalah bahan penguat yang paling populer — dan juga banyak ditemukan dalam komposit cetak 3D. Dalam manufaktur aditif, Namun, serat karbon digunakan jauh lebih luas daripada kaca, karena komposit cetak 3D digunakan untuk banyak aplikasi kritis di mana kelebihan kekuatan karbon layak dengan biaya tambahan. Bahan penguat lainnya termasuk Kevlar dan grafen.

Bahan dasar

• Polyamide / nylon (PA):
• Acrylonitrile butadiene styrene (ABS)
• Polylactic acid (PLA)
• Polycarbonate (PC)
• Polyetherimide (PE)
• Polyphenylene sulfide (PPS)
• Polyether ether ketone (PEEK)
• Polyaryletherketone (PAEK)

Penguat

• Serat karbon
• Serat kaca
• Manik-manik kaca
• Kevlar
• Grafen
• Logam lainnya

Contoh material komposit bermerek di pasar meliputi EOS’s PA 640-GSL, bubuk SLS nylon PA 12 yang diperkuat dengan manik-manik kaca dan serat karbon; 3DXTech’s CarbonX PETG+CF, filamen FDM PETG yang diperkuat dengan serat karbon yang dicacah; dan Markforged’s Onyx, bahan dasar nylon yang diisi dengan serat karbon yang juga dapat diperkuat dengan serat kontinu menggunakan teknologi komposit proprietary Markforged.

Proses cetak 3D untuk material komposit

Selain beberapa pengecualian, teknologi cetak 3D utama untuk komposit cetak 3D adalah fused deposition modeling (FDM), selektif laser sintering (SLS), dan teknologi baru untuk pencetakan serat kontinu.

FDM

FDM adalah proses cetak 3D yang paling banyak digunakan untuk bagian plastik, dan banyak mesin menengah mampu memproses material komposit seperti ABS terkuat serat karbon. Material komposit untuk FDM terdiri dari bahan dasar termoplastik dan (biasanya) serat yang dicacah, tidak kontinu. Serat ini dapat memperkuat dan mengakali bagian yang dicetak tetapi dalam jumlah besar juga dapat membuat filamen lebih sulit dicetak dan dapat secara negatif mempengaruhi kualitas permukaan.

SLS

SLS adalah proses cetak 3D plastik lain yang cocok untuk produksi bagian komposit. Karena biaya dan kompleksitas sistem SLS, teknologi ini terutama digunakan oleh pengguna industri. Bahan adalah campuran bubuk termoplastik (seringkali nylon) dan elemen penguat seperti serat yang dicacah atau manik-manik kaca. Perhatikan bahwa bubuk komposit SLS tidak universal; produsen hardware seperti EOS membuat mesin khusus untuk pencetakan komposit.

Proses serat kontinu baru

Salah satu area terbaru dalam manufaktur aditif adalah pencetakan komposit dengan serat kontinu — konsep yang dijelaskan di bagian berikut. Perusahaan seperti Markforged, Desktop Metal, Orbital Composites, 9T Labs, dan Anisoprint semua telah mengembangkan hardware manufaktur aditif komposit yang dapat mengintegrasikan serat kontinu ke dalam bagian termoplastik selama pencetakan, biasanya dengan menyelurkan serat kontinu ke dalam setiap lapisan individu menggunakan nozzle terpisah.

Komposit serat yang dicacah vs serat kontinu

Material komposit cetak 3D dengan serat penguat dapat dibagi menjadi dua kategori yang berbeda: komposit serat yang dicacah dan komposit serat kontinu. Jadi meskipun dua komposit yang berbeda mungkin mengandung bahan komponen yang sama persis, mereka mungkin akan berkinerja dengan sangat berbeda tergantung apakah mereka memiliki serat yang dicacah atau kontinu.

• Serat yang dicacah adalah tali kecil dari bahan penguat seperti karbon atau Kevlar. Biasanya berukuran kurang dari satu milimeter panjang, tali ini dapat dengan mudah dicampur ke dalam matriks termoplastik (PLA, ABS, dll.), memberikan plastik biasa kekuatan dan kekakuan yang ditingkatkan. Serat yang dicacah sangat berguna karena mereka sangat serbaguna: mereka dapat dicampur dengan berbagai macam termoplastik, dan komposit yang dihasilkan dapat dicetak pada printer 3D biasa. Namun, saat serat yang dicacah dicampur ke dalam bahan dasar, setiap serat individu memiliki orientasi acak, yang membuat bahan kurang kuat daripada bahan dengan serat kontinu.
• Serat kontinu, di sisi lain, adalah tali lebih panjang, satu arah dari bahan penguat yang, saat diintegrasikan ke dalam matriks termoplastik, memberikan kekuatan yang jauh lebih unggul dibandingkan serat yang dicacah. Ini karena sebuah tali dapat menyerap dan mendistribusikan beban di seluruh panjangnya, sehingga panjang kontinu yang lebih lama memiliki kapasitas menahan beban yang lebih besar daripada tali yang dicacah yang kecil. Baru dalam lima tahun terakhir atau lebih, pencetakan komposit serat kontinu 3D menjadi mainstream, dengan beberapa produsen mengembangkan teknologi mereka sendiri. Tidak perlu dikatakan, pencetakan komposit serat kontinu lebih mahal daripada pencetakan komposit serat yang dicacah, karena hardware khusus diperlukan.

Aplikasi material komposit

Material komposit memiliki banyak kegunaan di banyak industri, dan aplikasi mencakup prototipe, bagian akhir pakai, dan tooling.

Sektor yang menggunakan manufaktur aditif dan komposit cetak 3D termasuk penerbangan, otomotif, elektronik, barang konsumen, medis, dan industri. Sebagian besar industri ini menggunakan komposit cetak 3D untuk membuat bagian dengan kekakuan tinggi yang berukuran kecil (meskipun beberapa hardware ekstrusi berformat besar mampu mencetak komposit).

Tooling — baik dalam skala kecil maupun besar — adalah aplikasi yang sangat relevan untuk komposit cetak 3D, karena bahan yang diperkuat ideal untuk cetakan dan tooling ujung lengan.

Dalam hal teknologi tertentu, pencetakan serat kontinu 3D menawarkan cakupan aplikasi potensi terbesar (dibandingkan dengan FDM atau SLS), meskipun masih dalam tahap awal dan tidak sebaru digunakan seperti teknik pencetakan serat yang dicacah 3D.