Bubuk Pencetakan 3D Logam Apa yang Dapat Anda Gunakan di tahun 2020? [Panduan]
Untuk perusahaan mana pun, yang ingin mendalami pencetakan 3D logam, penting untuk mengetahui logam mana yang dapat digunakan dengan teknologi ini saat ini. Dari desain hingga manufaktur, memilih bahan yang tepat memastikan standar tertinggi untuk produk jadi.
Untuk membantu Anda mendapatkan kecepatan dengan ekosistem logam saat ini untuk AM, kami mengeksplorasi paduan yang tersedia secara komersial untuk Powder Bed Fusion, persyaratan bahan utama untuk pencetakan yang sukses dan bagaimana penggunaan logam akan berkembang di masa depan . Tapi mari kita telusuri dulu apa itu Powder Bed Fusion.
Ikhtisar singkat tentang teknologi Powder Bed Fusion logam
Metal Powder Bed Fusion (PBF) adalah teknologi manufaktur aditif logam (AM) yang paling mapan saat ini.
Dengan PBF, lapisan bubuk logam didistribusikan secara merata ke platform pembuatan mesin dan secara selektif digabungkan oleh sumber energi – baik laser atau berkas elektron.
Dua proses pencetakan 3D logam utama termasuk dalam kategori Powder Bed Fusion:
- Selective Laser Melting (SLM) / Direct Metal Laser Sintering (DMLS)
- Pencairan Sinar Elektron (EBM)
Dalam SLM, laser yang disetel dengan baik dan kuat diterapkan secara selektif ke lapisan bubuk logam. Dengan cara ini, partikel logam menyatu untuk membuat bagian.
Persyaratan penting untuk SLM adalah membangun ruang tertutup yang diisi dengan gas inert, seperti argon. Ini mencegah kontaminasi oksigen dari bubuk logam dan membantu menjaga suhu yang benar selama proses pencetakan.
EBM beroperasi mirip dengan SLM di mana bubuk logam juga dilebur untuk membuat bagian logam yang sepenuhnya padat. Untuk mencegah kontaminasi dan oksidasi serbuk, proses EBM berlangsung di lingkungan vakum.
Perbedaan utama antara teknologi SLM/DMLS dan EBM adalah sumber energinya:alih-alih laser, sistem EBM menggunakan berkas elektron berdaya tinggi sebagai sumber panas untuk melelehkan lapisan serbuk logam.
Karena berkas elektron biasanya lebih kuat daripada laser, EBM sering digunakan dengan superalloy logam bersuhu tinggi untuk membuat suku cadang untuk aplikasi yang sangat menuntut, seperti mesin jet dan turbin gas. Selain itu, karena teknologinya bergantung pada muatan listrik, EBM hanya dapat digunakan dengan logam konduktif, seperti titanium dan paduan kromium-kobalt.
Persyaratan bubuk pencetakan 3D logam
Untuk memastikan produksi AM logam yang akurat dan berulang, serbuk logam harus menunjukkan karakteristik yang konsisten.
Karena metode produksi bubuk yang berbeda, karakteristik bubuk berbeda menurut proses dan paduannya. Beberapa karakteristik yang paling penting meliputi:
- Distribusi Ukuran Partikel (PSD) :Partikel yang lebih kecil memungkinkan resolusi dimensi bagian dan permukaan akhir yang lebih halus. Dalam PBF, sistem EBM secara tradisional menggunakan PSD 45–105 m, sedangkan sebagian besar sistem berbasis laser menginginkan PSD 15–45 m.
- Morfologi :Partikel bubuk logam halus berbentuk biasa lebih disukai. Hal ini memungkinkan mereka untuk dikemas dengan baik, yang menghasilkan produk padat dengan sifat mekanik yang baik dan diinginkan.
- Kemampuan mengalir :Daya alir bubuk memainkan peran utama dalam membentuk lapisan bubuk yang homogen, karena bubuk disebarkan oleh recoater.
- Kepadatan :Kepadatan pengepakan bubuk yang optimal selama aliran dan pemrosesan berdampak positif pada integritas dan permukaan akhir dari bagian-bagian yang dicetak 3D. Partikel elips akan memiliki kemasan alami atau acak yang lebih baik dan lebih konsisten.
- Komposisi kimia/fase :Ini menjelaskan mengapa tidak semua paduan tersedia sebagai bubuk. PBF umumnya menyukai logam yang dapat dilas.
Logam apa yang dapat dicetak 3D dalam Powder Bed Fusion?
Baja
Tersedia paduan untuk AM :316L, Baja Perkakas H13, Baja Maraging, Baja Pengerasan Kotak, Baja Tahan Karat 15-5 PH, Baja Tahan Karat 17-4 PH, Baja Tahan Karat 300 series, Stainless Steel 400 series, Baja Paduan Rendah
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 paduannya menawarkan sifat yang berbeda untuk memenuhi berbagai aplikasi.
Dalam PBF logam, hanya ada sekitar sepuluh paduan baja primer yang banyak dicetak hari ini. Meskipun satu set baja cetak saat ini cukup kecil, dibandingkan dengan teknologi pengerjaan logam tradisional, perusahaan seperti Carpenter, Sandvik, Hoganas, GKN, dan Oerlikon semuanya secara aktif mengembangkan baja baru untuk AM guna memasuki pasar baru.
Misalnya, Bahan Aditif GKN baru-baru ini mempelopori serbuk baja paduan rendah baru untuk AM. Karena ketangguhan dan ketahanan korosinya, serbuk baja paduan rendah menciptakan peluang baru bagi AM di sektor-sektor seperti industri otomotif, di mana skalabilitas dan biaya merupakan pendorong utama.
Saat ini, penggunaan baja untuk produk akhir produksi part AM tumbuh, terutama di pasar baru untuk pencetakan 3D, seperti maritim dan otomotif. Hal ini menjadikan baja salah satu kunci untuk memajukan adopsi teknologi AM logam di luar industri medis dan kedirgantaraan tradisional.
Kemajuan ini menunjukkan bahwa baja sangat mungkin menjadi bahan AM logam yang paling banyak digunakan selama beberapa tahun ke depan.
Aluminium
Tersedia paduan 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 sifat mekanik dan termal yang luar biasa. Oleh karena itu, paduan aluminium banyak digunakan dalam industri dirgantara, otomotif, dan biomedis.
Perusahaan riset AM, SmarTech, memperkirakan bahwa pencetakan 3D aluminium menyumbang sekitar 10 persen dari semua pencetakan logam pada tahun 2018. Sejak itu telah terjadi peningkatan yang signifikan dalam pengembangan dan komersialisasi paduan aluminium untuk AM, didorong oleh permintaan di industri kedirgantaraan dan otomotif.
Misalnya, APWORKS, bekerja sama dengan Airbus, telah mengembangkan Scalmalloy untuk aplikasi luar angkasa. Bahan ini menawarkan rasio beli-untuk-terbang terendah, keuntungan khusus bagi industri kedirgantaraan.
Sementara bahan dikembangkan dengan mempertimbangkan kedirgantaraan, propertinya juga menarik untuk sektor olahraga motor – itulah sebabnya Scalmalloy baru-baru ini ditambahkan ke daftar bahan AM yang disetujui untuk Formula 1.
Namun, banyak paduan aluminium untuk AM tetap sangat mahal dan tidak memenuhi persyaratan industri target. Misalnya, industri otomotif memerlukan komponen cetak 3D aluminium untuk lulus uji tabrak agar dipertimbangkan penggunaannya pada kendaraan yang diproduksi secara massal.
Kelompok teknik, EDAG, telah mengembangkan paduan aluminium baru, yang dikenal sebagai CustAlloy, sebagai bagian dari proyek penelitian 'CustoMat_3D', yang berfokus pada adaptasi AM untuk produksi seri otomotif.
Material yang baru dikembangkan dirancang untuk mengatasi tantangan ini dengan memberikan kekuatan yang lebih tinggi dan perpanjangan yang lebih tinggi saat putus – sifat penting yang memungkinkan suku cadang cetak 3D otomotif menggunakan paduan baru untuk bekerja dengan baik dalam uji tabrakan.
Titanium
Nilai :Ti-6Al-4V (Grade 5), Ti-6Al-4V (Grade 23), Cp-Ti (Grade 1), Cp-Ti (Grade 2), Ti-Al, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo , Ti5553, Ti6242
Titanium memiliki sifat material yang sangat baik, tetapi biayanya yang tinggi secara historis membatasi penggunaannya untuk aplikasi bernilai tinggi di ruang angkasa.
Sekarang pencetakan 3D logam semakin dikenal sebagai metode manufaktur yang layak, teknologi ini membuat titanium lebih tersedia untuk industri seperti medis, otomotif, dan olahraga motor.
Ada banyak hal hebat potensi untuk pencetakan 3D titanium, khususnya di bidang implan ortopedi, berkat titanium tidak beracun, kekuatan tinggi, dan ketahanan terhadap korosi.
Bila digunakan dengan pencetakan 3D, produsen perangkat medis dapat membuat implan titanium dengan kompleks, struktur berpori. Hebatnya, struktur ini meniru struktur tulang manusia, sehingga sel-sel tulang mengenalinya sebagai perancah untuk tumbuh.
Permintaan yang meningkat akan serbuk titanium telah mendorong beberapa produsen serbuk logam untuk mulai membangun pabrik produksi titanium baru dan yang lainnya untuk meningkatkan produksi serbuk titanium mereka.
Misalnya, Sandvik membuka pabrik bubuk, untuk superalloy berbasis titanium dan nikelnya di bawah merek Osprey®, pada akhir 2019. Pada tahun yang sama, PyroGenesis, produsen logam atomisasi plasma Kanada bubuk, meningkatkan tingkat produksi bubuk titanium, yang juga memungkinkan perusahaan untuk menurunkan biaya produksi bubuk titanium yang sangat mahal secara historis.
Tembaga dan Logam mulia
Tersedia paduan untuk AM :CuNi3Si, CuNi2SiCr, CuCrZr, CuAl10Fe5Ni5, Cu Oksigen Tinggi
Tidak semua logam cocok untuk pencetakan 3D. Misalnya, tembaga sangat sulit untuk dicetak, dengan sebagian besar tembaga cetak 3D saat ini didasarkan pada paduan tembaga, bukan logam murni.
Tembaga murni memiliki tingkat pemantulan laser lebih dari 90 per sen, dan sulit bagi laser untuk melelehkan bubuk tembaga murni secara terus menerus dan teratur.
Salah satu jalan ke depan adalah mengembangkan sistem baru yang mampu mencetak 3D logam semacam itu.
Pada Formnext 2018, TRUMPF mendemonstrasikan teknologi laser hijaunya, yang dapat mencetak tembaga murni, serta logam mulia lainnya.
Perusahaan percaya bahwa pencetakan 3D tembaga murni dapat menjadi cara alternatif untuk membuat induktor konduktif dan penukar panas, yang sangat berguna untuk aplikasi elektronik, otomotif, dan luar angkasa.
Dalam hal logam mulia, seperti emas, perak, dan platinum, keunggulan pencetakan 3D bahan-bahan ini terletak pada kemungkinan mencapai desain yang rumit, ideal untuk perhiasan, aksesori, dan benda-benda dekoratif.
Namun, pencetakan 3D dari logam mulia biasanya tidak langsung dan melibatkan produksi cetakan lilin, yang kemudian digunakan dalam teknik pengecoran lilin.
Pencetakan 3D langsung dengan logam mulia, menggunakan PBF, juga dimungkinkan, meskipun jumlah mesin cetak 3D yang kompatibel dengan logam mulia terbatas.
Superalloy
Superalloy, keluarga campuran logam berdasarkan nikel, kobalt atau besi, tahan terhadap deformasi suhu tinggi, korosi dan oksidasi, terutama ketika beroperasi pada suhu tinggi mendekati titik lelehnya.
Pertama kali dikembangkan untuk komponen turbin gas di mesin turbojet, superalloy sekarang banyak digunakan untuk aplikasi suhu tinggi di industri kedirgantaraan dan pembangkit listrik.
Nikel
Tersedia paduan untuk AM :Inconel 625, Inconel 718, Inconel 738, Inconel 939, Ni-Ti, Waspaloy, Hastelloy, ABD900AM, Haynes 282
Paduan nikel pertama kali tersedia secara komersial untuk digunakan dalam proses PBF logam pada awal tahun 2007.
Permintaan paduan nikel saat ini didominasi oleh paduan super dalam keluarga Inconel – khususnya paduan IN625 dan IN718 – berkat kemampuannya yang signifikan dalam aplikasi yang membutuhkan kekerasan tinggi, kekuatan tarik, dan mungkin yang paling penting, bahan kimia dan suhu resistensi.
Selain kedua paduan tersebut, masih banyak lagi superalloy nikel-kromium yang ditawarkan oleh perusahaan logam terkemuka. Beberapa superalloy Haynes, superalloy Hastelloy dan berbagai bentuk Inconel sekarang menjadi lebih mapan.
Sementara industri dirgantara saat ini mendorong sebagian besar permintaan untuk manufaktur aditif berbasis nikel, ada potensi besar untuk pencetakan 3D superalloy nikel di segmen minyak dan gas, energi dan industri umum, seperti pengolahan kimia.
Cobalt
Tersedia paduan untuk AM: MP1, CP2, Co-Cr, Co-Cr-MoC, 188 Cobalt Alloy, 509 Cobalt Alloy, CoCr-0404, CO502, CO90, CO212, Co49Fe2V
Peluncuran kobalt superalloy pertama yang tersedia secara komersial untuk pencetakan 3D dimulai pada tahun 2006. Sejak itu, penggunaan bahan tersebut telah berkembang, didorong oleh permintaan di industri medis dan dirgantara.
Superalloy kobalt memiliki sifat mekanik yang baik, di samping ketahanan terhadap korosi dan suhu tinggi. Paduan krom kobalt sangat cocok untuk aplikasi medis (implan ortopedi) dan gigi, karena memiliki biokompatibilitas yang sangat baik.
Besi
Tersedia paduan untuk AM :Invar 36, Fe-Si, Fe-Ni
Beberapa produsen sistem PBF logam menawarkan kemungkinan untuk mencetak Invar 36, paduan nikel-besi, yang terkenal karena ekspansi termalnya yang sangat rendah. Invar 36 digunakan dalam komponen yang memerlukan stabilitas dimensi tinggi pada rentang suhu yang luas, seperti pada perangkat radio dan elektronik, kontrol pesawat, sistem optik dan laser.
Höganäs, salah satu produsen serbuk logam terkemuka, juga menyediakan berbagai serbuk berbahan dasar besi, tahan terhadap abrasi, keausan dan korosi, dengan merek AMPERPRINT.
Logam tahan api
Logam tahan api memiliki sifat yang luar biasa, tetapi pada saat yang sama, mereka sangat menantang untuk dikerjakan.
Penggunaan paling umum dari logam tahan api di AM saat ini adalah dalam paduan dengan baja, nikel dan bahan kobalt untuk membuat banyak superalloy populer.
Saat ini, hanya sedikit perusahaan yang menawarkan serbuk logam tahan api untuk AM.
H.C. Starck Tantalum dan Niobium GmbH, yang baru-baru ini berganti nama menjadi TANIOBIS GmbH, adalah salah satu perusahaan tersebut, yang menyediakan berbagai bubuk tantalum dan niobium (Ta/Nb) yang diatomisasi dan paduannya, yang dirancang untuk AM dengan nama merek AMtrinsic.
Tantalum dan niobium, TANIOBIS percaya, akan membuka peluang baru di AM, dengan alasan titik leleh yang tinggi, ketahanan korosi yang tinggi dan konduktivitas termal dan listrik yang tinggi.
Properti seperti ini akan memungkinkan perusahaan untuk menerapkan AM dalam pemrosesan kimia, sektor energi, dan berbagai lingkungan bersuhu tinggi.
Jangkauan bubuk pencetakan 3D logam yang terus berkembang
Dalam PBF logam, pengembangan material adalah pekerjaan yang sedang berjalan. Jumlah logam yang tersedia untuk pencetakan 3D tetap terbatas jika dibandingkan dengan manufaktur tradisional, seperti casting atau permesinan.
Salah satu alasannya adalah waktu dan sumber daya yang dibutuhkan untuk mengembangkan serbuk 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 bubuk tembaga, yang membutuhkan panjang gelombang laser yang berbeda, dibandingkan dengan logam lain, agar berhasil dicetak. Untungnya, tantangan perangkat keras sedang diatasi untuk lebih memperluas cakupan logam yang dapat dicetak.
Meskipun penuh tantangan, masa depan PBF logam terlihat cerah, seiring dengan meningkatnya adopsi dalam produksi dan semakin banyak industri yang mulai merangkul teknologi tersebut. Ini berarti peningkatan fokus pada kimia material baru yang akan membantu membuka kunci aplikasi baru dan membawa pencetakan 3D logam ke tingkat berikutnya.
