Bubuk Logam Cetak 3D Terbaik untuk 2020: Panduan Lengkap
Bagi setiap perusahaan yang ingin mencoba cetak logam 3D, penting untuk mengetahui logam mana yang dapat digunakan dengan teknologi ini saat ini. Dari desain hingga manufaktur, memilih bahan yang tepat memastikan standar tertinggi yang mungkin untuk produk akhir.
Untuk membantu Anda mengikuti ekosistem logam saat ini untuk AM, kami mengeksplorasi logam yang tersedia secara komersial untuk Powder Bed Fusion, persyaratan bahan kunci untuk pencetakan yang berhasil, dan bagaimana penggunaan logam akan berkembang di masa depan. Namun, mari kita terlebih dahulu jelajahi apa itu Powder Bed Fusion.
Ringkasan singkat teknologi Powder Bed Fusion logam
Powder Bed Fusion (PBF) logam adalah teknologi manufaktur aditif (AM) logam yang paling terbukti saat ini.
Dengan PBF, lapisan bubuk logam secara merata didistribusikan ke platform pembuatan mesin dan secara selektif digabungkan oleh sumber energi—baik laser atau sinar elektron.
Dua proses pencetakan logam 3D utama termasuk dalam kategori Powder Bed Fusion:
Selective Laser Melting (SLM) / Direct Metal Laser Sintering (DMLS)
Electron Beam Melting (EBM)
Dalam SLM, laser yang kuat dan disesuaikan secara selektif diterapkan pada lapisan bubuk logam. Dengan cara ini, partikel logam digabungkan untuk menciptakan bagian.
Persyaratan penting untuk SLM adalah kamera pembuatan tertutup yang diisi dengan gas inerta, seperti argon. Ini mencegah kontaminasi oksigen pada bubuk logam dan membantu mempertahankan suhu yang benar selama proses pencetakan.
EBM bekerja secara mirip dengan SLM karena bubuk logam juga dilelehkan untuk menciptakan bagian logam yang padat penuh. Untuk mencegah kontaminasi dan oksidasi bubuk, proses EBM berlangsung dalam lingkungan vakum.
Perbedaan utama antara SLM/DMLS dan teknologi EBM adalah sumber energi: alih-alih laser, sistem EBM menggunakan sinar elektron berdaya tinggi sebagai sumber panas untuk melelehkan lapisan bubuk logam.
Karena sinar elektron biasanya lebih kuat dari laser, EBM sering digunakan dengan superlogam suhu tinggi untuk membuat bagian untuk aplikasi yang sangat menuntut, seperti mesin jet dan turbin gas. Selain itu, karena teknologi ini bergantung pada muatan listrik, EBM hanya dapat digunakan dengan logam yang konduktif, seperti titanium dan legasing krom-kobalt.
Persyaratan bubuk logam cetak 3D
Untuk memastikan produksi AM logam yang akurat dan dapat diulang, bubuk logam harus menampilkan karakteristik yang konsisten.
Karena metode produksi bubuk yang berbeda, karakteristik bubuk bervariasi menurut proses dan logam. Beberapa karakteristik terpenting meliputi:
Distribusi Ukuran Partikel (PSD): Partikel yang lebih kecil memungkinkan resolusi yang lebih halus dari dimensi bagian dan finishing permukaan. Dalam PBF, sistem EBM secara tradisional menggunakan PSD 45–105 µm, sedangkan sebagian besar sistem berbasis laser menginginkan PSD 15–45 µm.
Morfologi: Partikel bubuk logam yang mulus dan berbentuk teratur lebih disukai. Ini memungkinkan mereka dikemas dengan baik, yang menghasilkan produk yang padat dengan properti mekanis yang baik dan diinginkan.
Aliran bubuk: Aliran bubuk memainkan peran besar dalam pembentukan lapisan bubuk yang homogen, karena bubuk dicarkan oleh pemutar kembali.
Densitas: Densitas pemaketan bubuk yang optimal selama aliran dan proses berdampak positif pada integritas dan finishing permukaan bagian cetak 3D. Partikel elipsoidal akan memiliki pemaketan alami atau acak yang lebih baik dan lebih konsisten.
Komposisi kimia/fase: Ini menjelaskan mengapa tidak semua legasing tersedia sebagai bubuk. PBF umumnya menyukai logam yang dapat dirakit.
Logam apa yang dapat dicetak 3D dalam Powder Bed Fusion?
Baja adalah bahan logam yang paling banyak digunakan dan paling banyak didaur ulang di Bumi. Dari baja tahan karat dan baja suhu tinggi, baja dalam berbagai bentuk dan legasingnya menawarkan properti yang berbeda untuk memenuhi berbagai aplikasi.
Dalam PBF logam, hanya sekitar sepuluh legasing baja utama yang banyak dicetak saat ini. Meskimpun satu set baja cetak masih cukup kecil saat ini, dibandingkan dengan teknologi logam tradisional, perusahaan seperti Carpenter, Sandvik, Hoganas, GKN, dan Oerlikon semua secara aktif mengembangkan baja baru untuk AM untuk memasuki pasar baru.
Misalnya, GKN Additive Materials baru-baru ini mempioneer bubuk baja legasing rendah baru untuk AM. Dengan keawetan dan resistensi korosinya, bubuk baja legasing rendah menciptakan peluang baru untuk AM di sektur seperti industri otomotif, di mana skalabilitas dan biaya adalah penggerak utama.
Saat ini, penggunaan baja untuk produksi bagian akhir AM sedang berkembang, terutama di pasar baru untuk pencetakan 3D, seperti industri maritim dan otomotif. Ini menjadikan baja salah satu kunci untuk memperluas adopsi teknologi AM logam di luar industri medis dan penerbangan tradisional.
Kemajuan ini menunjukkan bahwa baja sangat mungkin menjadi bahan AM logam yang paling banyak digunakan dalam beberapa tahun ke depan.
Aluminium
Logam yang tersedia untuk AM: Al-Si10Mg, AlSi12, AlSi7Mg, AlSi9Cu3, Al4047, Al-Si-Mg (F357), Scalmalloy (Al-Mg-Sc), Al-Cu-Ti-B2 (A205/A20X)
Aluminium adalah logam yang kuat dan ringan yang menggabungkan properti mekanis dan termal yang luar biasa. Karena alasan ini, legasing aluminium banyak digunakan di industri penerbangan, otomotif, dan biomedis.
Perusahaan riset AM, SmarTech, memperkirakan bahwa pencetakan aluminium 3D mencakup sekitar 10 persen dari semua pencetakan logam pada 2018. Sejak saat itu, telah terjadi peningkatan signifikan dalam pengembangan dan komersialisasi legasing aluminium untuk AM, didorong oleh permintaan di industri penerbangan dan otomotif.
Misalnya, APWORKS, dalam kolaborasi dengan Airbus, telah mengembangkan Scalmalloy untuk aplikasi penerbangan. Bahan ini menawarkan rasio beli-terbang terendah, yang sangat menguntungkan bagi industri penerbangan.
Sementara bahan ini dikembangkan dengan pemikiran penerbangan, propertinya juga menarik bagi sektor motorsport—itulah sebabnya Scalmalloy baru-baru ini ditambahkan ke daftar bahan AM yang disetujui untuk Formula 1.
Namun, banyak legasing aluminium untuk AM masih sangat mahal dan tidak memenuhi persyaratan industri sasaran. Misalnya, industri otomotif memerlukan bagian cetak aluminium 3D untuk lulus tes tabrakan untuk dianggap untuk penggunaan dalam kendaraan yang diproduksi massal.
Kelompok rekayasa, EDAG, telah mengembangkan legasing aluminium baru, dikenal sebagai CustAlloy, sebagai bagian dari proyek riset ‘CustoMat_3D’, yang difokuskan pada adaptasi AM untuk produksi seri otomotif.
Bahan yang baru dikembangkan ini dirancang untuk mengatasi tantangan ini dengan menyediakan kekuatan dan elongasi pada patah yang lebih tinggi—properti esensial yang akan memungkinkan bagian cetak 3D otomotif untuk menggunakan legasing baru ini untuk berkinerja baik dalam tes tabrakan.
Titanium memiliki properti bahan yang baik, namun biayanya yang tinggi secara historis telah membatasi penggunaannya pada aplikasi bernilai tinggi di penerbangan.
Sekarang bahwa pencetakan logam 3D semakin diakui sebagai metode manufaktur yang layak, teknologi ini membuat titanium lebih tersedia bagi industri seperti medis, otomotif, dan motorsport.
Ada potensi besar untuk pencetakan titanium 3D, terutama di bidang implan ortopedik, berkat non-toksisitas, kekuatan tinggi, dan resistensi korosi titanium.
Saat digunakan dengan pencetakan 3D, produsen perangkat medis dapat membuat implan titanium dengan struktur pori kompleks. Secara menakjubkan, struktur ini meniru struktur tulang manusia, sehingga sel tulang mengenalinya sebagai rangka tempat tumbuh.
Permintaan yang meningkat untuk bubuk titanium telah mendorong beberapa produsen bubuk logam untuk mulai membangun pabrik produksi titanium baru dan yang lain untuk meningkatkan produksi bubuk titanium mereka.
Misalnya, Sandvik membuka pabrik bubuk, untuk logam titanium dan superlegas berbasis nikelnya di bawah merek Osprey®, pada akhir 2019. Tahun yang sama, PyroGenesis, produsen Kanada bubuk logam yang diatomisasi plasma, meningkatkan tingkat produksi bubuk titaniumnya, yang juga memungkinkan perusahaan untuk menurunkan biaya produksi bubuk titanium yang sebelumnya sangat mahal.
Tembaga dan Logam Mulia
Logam yang tersedia untuk AM: CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu High Oxygen
Tidak semua logam cocok untuk pencetakan 3D. Misalnya, tembaga sangat sulit dicetak, dengan mayoritas besar tembaga cetak 3D saat ini berdasarkan legasing tembaga, bukan logam murni.
Tembaga murni memiliki tingkat refleksi laser di atas 90 persen, dan sulit bagi laser untuk secara berkelanjutan dan teratur melelehkan bubuk tembaga murni.
Salah satu langkah maju adalah mengembangkan sistem baru yang mampu mencetak 3D logam semacam itu.
Di Formnext 2018, TRUMPF menunjukkan teknologi laser hijau mereka, yang dapat mencetak tembaga murni, serta logam mulia lainnya.
Perusahaan ini percaya bahwa pencetakan 3D tembaga murni dapat menjadi alternatif untuk menciptakan induktor konduktif dan penukar panas, yang sangat berguna untuk aplikasi elektronik, otomotif, dan antariksa.
Dalam hal logam mulia, seperti emas, perak, dan platinum, keuntungan pencetakan 3D bahan ini terletak pada kemampuan untuk mencapai desain yang rumit, ideal untuk perhiasan, aksesori, dan objek hias.
Namun, pencetakan 3D logam mulia biasanya tidak langsung dan melibatkan pembuatan cetakan lilin, yang kemudian digunakan dalam teknik cetak lilin.
Pencetakan 3D langsung dengan logam mulia, menggunakan PBF, juga mungkin, meskipun jumlah mesin pencetakan 3D yang kompatibel dengan logam mulia terbatas.
Superlogam
Superlogam, keluarga campuran logam yang didasarkan pada nikel, kobalt, atau besir, tahan terhadap deformasi suhu tinggi, korosi, dan oksidasi, terutama saat beroperasi pada suhu yang mendekati titik lelehnya.
Pertama kali dikembangkan untuk komponen turbin gas di mesin turbojet, superlogam kini banyak digunakan untuk aplikasi suhu tinggi di industri penerbangan dan penggenerasi listrik.
Nikel
Logam yang tersedia untuk AM: Inconel 625, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Ni-Ti, Waspaloy, Hastelloy, ABD900AM, Haynes 282
Legasing nikel pertama kali tersedia secara komersial untuk digunakan dalam proses PBF logam sejak 2007.
Permintaan saat ini untuk legasing nikel didominasi oleh superlogam keluarga Inconel—terutama legasing IN625 dan IN718—berkat kemampuan signifikan mereka dalam aplikasi yang memerlukan kekekalan tinggi, kekuatan tarik, dan mungkin yang terpenting, resistensi kimia dan suhu.
Selain dua legasing ini, masih banyak lagi superlogam nikel-krom yang ditawarkan oleh perusahaan logam terkemuka. Beberapa superlogam Haynes, superlogam Hastelloy, dan berbagai bentuk Inconel kini semakin terbentuk.
Sementara industri penerbangan saat ini mendorong mayoritas permintaan untuk manufaktur aditif berbasis nikel, ada potensi besar untuk pencetakan 3D superlogam nikel di segmen minyak dan gas, energi, dan industri umum, seperti pengolahan kimia.
Kobalt
Logam yang tersedia untuk AM: MP1, CP2, Co-Cr, Co-Cr-MoC, 188 Cobalt Alloy, 509 Cobalt Alloy, CoCr-0404, CO502, CO90, CO212, Co49Fe2V
Peluncuran superlogam kobalt yang tersedia secara komersial untuk pencetakan 3D dimulai pada 2006. Sejak saat itu, penggunaan bahan ini telah berkembang, didorong oleh permintaan di industri medis dan penerbangan.
Superlogam kobalt memiliki properti mekanis yang hebat, sampingan dengan resistensi korosi dan suhu tinggi. Legasing krom kobalt sangat cocok untuk aplikasi medis (implan ortopedik) dan gigi, karena memiliki biocompatibilitas yang baik.
Besi
Logam yang tersedia untuk AM: Invar 36, Fe-Si, Fe-Ni
Beberapa produsen sistem PBF logam menawarkan kemampuan untuk mencetak Invar 36, legasing nikel-besi, yang terkenal dengan ekspansi termal yang sangat rendah. Invar 36 digunakan dalam komponen yang memerlukan stabilitas dimensi tinggi atas rentang suhu yang luas, seperti dalam perangkat radio dan elektronik, kontrol pesawat, sistem optik dan laser.
Höganäs, salah satu produsen bubuk logam terkemuka, juga menyediakan rentang bubuk berbasis besi, tahan terhadap pengikisan, aus, dan korosi, di bawah merek AMPERPRINT-nya.
Logam tahan api
Logam tahan api memiliki properti luar biasa, namun pada saat yang sama, mereka sangat sulit dikerjakan.
Penggunaan paling umum logam tahan api dalam AM saat ini adalah dalam penglegasan dengan baja, nikel, dan bahan kobalt untuk menciptakan banyak superlogam populer.
Saat ini, hanya beberapa perusahaan yang menawarkan bubuk logam tahan api untuk AM.
H.C. Starck Tantalum and Niobium GmbH, yang baru-baru ini diubah mereknya menjadi TANIOBIS GmbH, adalah salah satu perusahaan tersebut, menyediakan rentang bubuk tantalum dan niobium (Ta/Nb) yang diatomisasi dan legasingnya, yang dirancang untuk AM di bawah nama merek AMtrinsic.
Tantalum dan niobium, TANIOBIS percaya, akan membuka peluang baru dalam AM, dengan menyebut titik leleh tinggi, resistensi korosi tinggi, dan konduktivitas termal dan listrik tinggi.
Properti seperti ini akan memungkinkan perusahaan untuk menerapkan AM dalam pengolahan kimia, sektor energi, dan berbagai lingkungan suhu tinggi.
Rentang bubuk logam cetak 3D yang terus berkembang
Dalam PBF logam, pengembangan bahan masih berlangsung. Jumlah logam yang tersedia untuk pencetakan 3D tetap terbatas dibandingkan manufaktur tradisional, seperti cetak atau mesin bubut.
Salah satu alasan ini adalah waktu dan sumber daya yang dibutuhkan untuk mengembangkan bubuk logam baru untuk AM—dalam beberapa kasus, proses pengembangan dapat memakan waktu beberapa tahun.
Alasan lain terletak pada keterbatasan perangkat keras, seperti yang terjadi pada kasus bubuk tembaga, yang memerlukan panjang gelombang laser yang berbeda dibandingkan logam lain untuk dapat dicetak dengan sukses. Untungnya, tantangan perangkat keras sedang diatasi untuk memperluas cakupan logam yang dapat dicetak.
Meskipun tantangan, masa depan PBF logam terlihat cerah, seiring dengan pertumbuhan adopsi dalam produksi dan lebih banyak industri mulai mengadopsi teknologi ini. Ini berarti fokus yang meningkat pada kimia bahan baru yang akan membantu membuka aplikasi baru dan membawa pencetakan logam 3D ke tingkat berikutnya.
