5 Masalah Umum yang Dihadapi pada pencetakan 3D Logam – Dan Bagaimana Anda Dapat Memperbaikinya

Pencetakan 3D logam telah membuat kemajuan yang mengesankan dalam beberapa tahun terakhir, dengan semakin banyaknya perusahaan yang berinvestasi dalam teknologi untuk aplikasi industri yang sangat kompleks. Namun, di samping keuntungan memproduksi komponen logam yang ringan dan canggih, ada juga sejumlah tantangan yang perlu diatasi selama proses pencetakan 3D logam. Tutorial hari ini akan mengeksplorasi masalah utama yang dihadapi saat mencetak logam 3D, dan bagaimana Anda dapat menyelesaikannya.

Pencetakan 3D Logam – Gambaran Umum

Ketika berbicara tentang pencetakan 3D logam, ada berbagai proses pencetakan. Ini secara luas dapat dibagi menjadi tiga kelompok:

• Proses fusi bedak (SLM, EBM)
• Deposisi energi langsung (DED)
• Pengaliran pengikat logam

Perpaduan bedak tabur adalah metode paling umum untuk produksi suku cadang logam menggunakan AM, dan melibatkan penggunaan sinar laser (SLM) atau berkas elektron (EBM) untuk melelehkan lapisan bahan bubuk secara selektif, yang didistribusikan secara merata pada platform pembuatan.

Deposisi energi langsung mencakup berbagai teknologi, dan biasanya melibatkan proses di mana material dilebur oleh sinar laser atau elektron sebelum disimpan ke platform build. Benda tersebut kemudian dibentuk lapis demi lapis. Sementara polimer dan keramik dapat digunakan dengan proses ini, DED biasanya digunakan dengan logam baik dalam bentuk bubuk atau kawat.

Pengaliran pengikat logam   menggunakan kepala cetak untuk menerapkan zat pengikat cair ke lapisan bubuk, yang menggabungkan partikel bubuk bersama-sama lapis demi lapis. Bubuk yang terikat kemudian secara opsional dapat disusupi dengan logam lain (biasanya perunggu) untuk mencapai kepadatan yang lebih tinggi.

Setiap proses memiliki kekuatan dan keterbatasannya, tetapi ada masalah umum yang terjadi secara umum saat mencetak logam 3D  — dan tantangan ini harus  untuk mencapai karakteristik mekanis terbaik untuk komponen cetakan 3D logam Anda.

5 Masalah Umum yang Harus Diwaspadai 

1. Porositas

Bagian logam yang dicetak 3D sering terganggu dengan porositas tinggi, yang terjadi selama proses pencetakan karena lubang kecil dan rongga terbentuk di dalam bagian tersebut. Pori-pori kecil, biasanya mikroskopis, dapat menyebabkan kepadatan rendah - semakin banyak pori-pori, semakin rendah kepadatan bagian Anda. Mereka juga dapat secara langsung mempengaruhi sifat mekanik suatu bagian, sehingga rentan terhadap retak atau kerusakan lainnya, terutama bila terkena beban tinggi.

Biasanya ada dua alasan utama untuk bagian logam cetakan 3D yang sangat berpori:baik karena masalah dengan teknik produksi bubuk atau karena proses pencetakan 3D itu sendiri. Misalnya, menggunakan atomisasi gas terkadang dapat menyebabkan pori-pori terbentuk di bahan bubuk. Namun, sumber yang lebih umum dari lubang kecil seperti itu adalah proses pencetakan, ketika energinya tidak mencukupi dan karena itu tidak dapat melelehkan logam dengan benar. Hal sebaliknya juga dapat berlaku:energi laser yang berlebihan dapat menyebabkan tetesan bahan yang meleleh memercik, mengakibatkan pori-pori.

Cara mengurangi porositas bagian logam Anda

Untungnya, ada beberapa cara untuk menghilangkan porositas pada bagian logam cetakan 3D Anda dan mendapatkan bagian yang lebih kuat dan tahan lama:

• Karena kualitas bahan terkadang dapat menjadi sumber porositas tinggi, pastikan untuk membeli bahan mentah dari pemasok tepercaya.
• Porositas yang disebabkan selama proses pencetakan dapat dihilangkan dengan menyetel parameter printer Anda.

• Kepadatan yang benar dapat dicapai dengan metode pasca-pemrosesan, seperti pengepresan isostatik panas. Ini menghilangkan kemungkinan rongga sekaligus meningkatkan sifat mekanik dari bagian logam yang dicetak 3D.
• Untuk bagian fusi bedak, infiltrasi adalah opsi pasca-pemrosesan lainnya. Metode ini digunakan untuk mengisi kekosongan yang tersisa di bagian logam.

2. Kepadatan

Aplikasi industri bagian logam yang dicetak 3D seringkali membutuhkan sifat mekanik yang tinggi, itulah sebabnya kepadatan bagian sangat penting. Ketika suatu bagian beroperasi di bawah kondisi tegangan siklik, densitasnya akan menentukan apakah bagian tersebut akan gagal di bawah beban atau tidak. Dengan kata lain, semakin rendah kerapatan suatu bagian, semakin besar kemungkinan retak di bawah tekanan. Teknologi powder-bed (SLM, EBM) dapat menghasilkan suku cadang dengan kepadatan 98% dan lebih tinggi, yang sangat penting untuk aplikasi yang penuh tekanan.

Meningkatkan kepadatan suku cadang Anda

Untuk memastikan suatu bagian memiliki kualitas dan kepadatan yang konsisten, perlu untuk mengoptimalkan parameter spesifik material, seperti ukuran partikel, bentuk, distribusi, dan kemampuan mengalir. Partikel dengan bentuk bola dapat menghasilkan kepadatan yang lebih tinggi, misalnya, karena partikel tersebut dapat mencapai kepadatan relatif maksimum dibandingkan dengan bentuk lainnya.

Namun, karena ada berbagai variabel yang dapat memengaruhi kerapatan suatu bagian, aturan umumnya adalah pertama-tama mempertimbangkan kualitas bubuk logam Anda, dan menyesuaikan parameter prosesnya.

3. Stres sisa

Pemanasan dan pendinginan berikutnya adalah fitur umum dari proses AM logam. Namun, ketika suatu bagian mengalami perubahan termal yang ekstrem, ini dapat menyebabkan tegangan sisa. Tegangan sisa memiliki dampak yang tidak menguntungkan pada integritas bagian yang diproduksi, menghasilkan berbagai bentuk deformasi. Konsentrasi tegangan sisa tertinggi ditemukan pada bidang kontak antara bagian bawah bagian yang dicetak dan alas cetak.

Mengurangi tegangan sisa

Karena tegangan sisa dapat membuat perbedaan antara cetakan logam yang berhasil dan kegagalan struktural, masalah ini harus ditangani dengan benar, dan ada beberapa cara untuk melakukannya:

• Pemodelan prediktif dapat digunakan untuk memperkirakan parameter yang sesuai seperti masukan panas dan ketebalan lapisan untuk membangun komponen dengan tegangan sisa yang rendah.
• Menerapkan struktur pendukung dan mengoptimalkan orientasi bagian juga dapat meminimalkan terjadinya tegangan sisa.
• Memanaskan tempat tidur cetak dan bahan bangunan sebelum pencetakan dimulai akan mengurangi gradien suhu, yang sering menjadi penyebab tegangan sisa. Namun, karena EBM beroperasi pada suhu yang lebih rendah, teknik ini lebih berhasil dengan EBM dibandingkan dengan SLM atau DED.
• Dalam proses fusi lapisan serbuk, strategi pemindaian "pulau" dapat membantu mengurangi penumpukan tegangan sisa. Strategi ini bekerja dengan membagi area eksposur menjadi bagian-bagian yang lebih kecil, yang disebut "pulau", dan membuat panjang vektor pemindaian lebih pendek.

4. Retak dan Bengkok

Tegangan sisa bisa sangat merusak, mengakibatkan sejumlah masalah struktural di sebagian, dengan retak dan bengkok menjadi yang paling sering di antara mereka. Masalah seperti itu biasanya terjadi ketika logam yang meleleh menjadi dingin setelah dicetak. Pendinginan menyebabkan kontraksi, yang membuat tepi bagian melengkung dan berubah bentuk. Dalam kasus ekstrim, tegangan dapat melebihi kekuatan bagian, yang menyebabkan bagian retak (retak juga dapat terjadi jika bahan bubuk tidak meleleh dengan benar).

Mencegah retak dan melengkung

Ada dua cara utama untuk mencegah retak dan bengkoknya bagian logam Anda. Salah satu pilihan adalah untuk memanaskan tempat tidur cetak, sementara yang lain adalah untuk meningkatkan daya rekat bagian untuk tempat tidur cetak dan menempatkan jumlah yang diperlukan dari struktur pendukung. Pemrosesan pasca termal juga dapat membantu memperbaiki retakan kecil, sementara menetapkan jumlah struktur pendukung yang benar di pihak Anda pada dasarnya adalah untuk mencegah lengkungan.

5. Pemrosesan pasca dan kekasaran permukaan

Biasanya, bagian logam belum siap untuk aplikasi akhir saat pertama kali dicetak, dan perlu menjalani beberapa bentuk pemrosesan pasca, seperti penghilangan bubuk dan penyangga, perlakuan termal, dan penyelesaian permukaan. Namun sangat sering, Anda akan menemukan beberapa tantangan selama langkah pasca pemrosesan.

Misalnya, Anda mungkin menghadapi tantangan saat melepas struktur pendukung di bagian Anda. Ini dapat terjadi, misalnya, jika bagian logam Anda memiliki penyangga di lubang dan tabung kecil. Ini bisa jadi sulit untuk dilepaskan tanpa merusak bagian tersebut dan pemesinan berikutnya akan diperlukan.

Kekasaran permukaan adalah masalah lain. Komponen yang diproduksi secara aditif untuk aplikasi kelas atas memerlukan kekasaran permukaan rata-rata — tetapi komponen cetak 3D sering kali diproduksi dengan permukaan kasar dan memerlukan pasca-pemrosesan tambahan seperti pemesinan, penggilingan, atau pemolesan untuk mencapai hasil akhir yang lebih baik. Karena kekasaran permukaan secara langsung berhubungan dengan ketebalan lapisan, hal itu dapat dikurangi dengan mencetak dengan lapisan yang lebih tipis. Namun, produksi bagian ini menggunakan lapisan yang lebih halus dapat meningkatkan waktu pembuatan secara signifikan.

Permukaan kasar juga bisa diakibatkan oleh pelelehan bubuk yang tidak tepat. Ini terjadi ketika tidak cukup energi telah diterapkan untuk melelehkan logam sepenuhnya. Dalam hal ini, kekasaran permukaan dapat dikurangi dengan meningkatkan kekuatan laser Anda.

Singkatnya

Meskipun ada berbagai tantangan potensial saat menggunakan AM untuk memproduksi suku cadang logam, memahami tantangan ini adalah langkah pertama dalam memproduksi komponen yang andal dan berkualitas tinggi. Dan dengan pertumbuhan pencetakan 3D logam yang berkelanjutan, kita pasti akan melihat peningkatan penggunaan  komponen logam yang diproduksi secara aditif yang digunakan dalam aplikasi industri.