Merevolusi Manufaktur: 4 Aplikasi Pencetus Perubahan dari Cetak 3D Skala Besar

Cetak 3D skala besar secara perlahan muncul sebagai solusi hemat biaya dan fleksibel untuk manufaktur bagian dan komponen besar. Namun, sebagian besar printer 3D yang tersedia saat ini dikembangkan untuk bagian kecil, maka bagaimana pandangan terhadap teknologi cetak 3D yang mampu mencetak bagian besar seperti daun turbin dan sayap pesawat seluruhnya?

Artikel ini akan mengeksplorasi teknologi cetak 3D skala besar yang tersedia saat ini, beserta aplikasi terkini yang menunjukkan kekuatan cetak 3D skala besar.

Apa itu cetak 3D skala besar?

Sebagai teknologi manufaktur, cetak 3D semakin menempati posisinya. Teknologi ini digunakan dalam aplikasi yang bervariasi, mulai dari bantalan split, komponen otomotif, implan medis, hingga sepatu. Namun, semua aplikasi ini memiliki satu hal yang sama: bagian yang dihasilkan berukuran relatif kecil.

Meskipun demikian, cetak 3D format besar masih merupakan teknologi yang cukup nich. Namun, teknologi ini memiliki potensi untuk mengatasi banyak tantangan yang dihadapi produsen saat memproduksi bagian berukuran besar.

Komponen berukuran besar, seperti sayap pesawat, berat dan sulit ditangani, serta memerlukan waktu persiapan yang lebih longa dan alat yang lebih besar untuk diproduksi. Akhirnya, hal ini berujung pada biaya manufaktur yang lebih tinggi dan waktu produksi yang lebih lama.

Cetak 3D dapat membantu produsen memproduksi bagian besar dengan lebih cepat dan hemat biaya. Dengan kompleksitas desain yang ditawarkan cetak 3D, bagian-bagian tersebut juga dapat mendapatkan keuntungan utama seperti penurunan bobot dan performa yang ditingkatkan. Terakhir, jika komponen besar dapat dicetak dalam satu kali cetak, dibandingkan dengan dicetak dalam bagian-bagian kemudian dirangka, hal ini juga memberikan manfaat tambahan berupa pengurangan waktu rangkai.

Teknologi cetak 3D skala besar

Ketika berkaitan dengan cetak 3D skala besar, terdapat sejumlah teknologi yang memenuhi kriteria. Berikut adalah beberapa teknologi cetak 3D skala besar yang tersedia secara komersial yang perlu Anda ketahui.

Cetak 3D format besar untuk plastik

Big Area Additive Manufacturing (BAAM)

Salah satu teknologi cetak 3D terbesar yang tersedia saat ini adalah Big Area Additive Manufacturing (BAAM). Dikembangkan oleh Oak Ridge National Laboratory (ORNL) dalam kemitraan dengan Cincinnati Inc., BAAM pertama kali hadir di IMTS 2014, tempatnya digunakan untuk mencetak 3D sebuah mobil utuh.

Printer 3D ini, yang menggunakan ekstruder yang ditempatkan pada sistem gantry, dapat membuat bagian berukuran hingga 6 x 2,4 x 2 m menggunakan bahan termoplastik seperti ABS, PPS, PC, PLA, dan PEI.

Sejak diperkenalkan, BAAM telah digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai dari prototipe ukuran penuh badan kapal selam hingga kendaraan mandiri yang dicetak 3D.

Large Scale Additive Manufacturing (LSAM)

Teknologi Large Scale Additive Manufacturing (LSAM), yang dikembangkan oleh perusahaan AS Thermwood, adalah teknologi lain yang berfokus eksklusif pada produksi industri.

Diperkenalkan pertama kali pada 2016, printer 3D LSAM memiliki ruang cetak sebesar 10 x 40 kaki (kira-kira 37 meter persegi) dan dapat mencetak objek baik secara horizontal maupun vertikal.

Salah satu fitur unik printer 3D LSAM adalah pendekatan hibridnya dalam memproduksi bagian, menggabungkan teknologi aditif dan subtraktif.

Mesin ini terdiri dari gantry cetak 3D dan gantry pemotongan kedua — yang latternya sebenarnya adalah router CNC lima sumbu. Kombinasi ini berarti semua langkah dalam produksi bagian dapat dilakukan pada mesin yang sama, mempercepat proses manufaktur.

Printer 3D LSAM juga memiliki desain poros ekstruder yang terbuat dari logam baja khusus. Dengan desain ini, kepala cetaknya dapat mencetak dengan suhu hingga 450°C, memungkinkan pembuatan bagian besar yang memerlukan termoplastik kompos suhu tinggi.

Mesin LSAM Thermwood dikembangkan untuk produksi tooling industri, seperti cetakan dan pemasang produksi untuk industri yang termasuk otomotif dan penerbangan angkasa.

Printer 3D skala besar BigRep

Nama terkenal dalam dunia cetak 3D format besar, BigRep didirikan pada 2014 dengan tujuan membuat cetak 3D skala besar semudah dan seakrab mungkin.

Perusahaan memperkenalkan mesin pertamanya — BigRep ONE v1 — pada tahun yang sama, dan mesin ini memiliki volume cetak yang cukup besar sebesar 1 meter kubik dengan titik harga sekitar $40.000.

Lima tahun setelah printer 3D BigRep ONE asli diluncurkan, BigRep ONE (sekarang pada iterasi ketiga) masih menempati peringkat salah satu mesin dengan harga terendah per volume yang tersedia.

Garis produk printer 3D BigRep mengisi celah pasar antara printer 3D desktop kecil dan printer industri yang lebih besar serta mahal, serta menargetkan perusahaan desain dan manufaktur kecil hingga menengah.

Cetak logam 3D skala besar

Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)

Di dunia cetak logam 3D, Sciaky menawarkan beberapa printer cetak logam 3D terbesar, didorong oleh teknologi Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)nya. Misalnya, sistem EBAM 150 memiliki volume cetak yang menakjubkan sebesar 3708 x 1575 x 1575 mm.

EBAM menggunakan proses yang serupa dengan pengelasan, di mana sinar elektron digunakan untuk melelehkan logam dalam bentuk kawat. Ini berarti teknologi ini sangat cocok untuk memproses berbagai jenis bahan yang dapat dikelas, mulai dari titan hingga Inconel dan stainless steel.

Siaky memposisikan sistem AMnya sebagai alternatif yang lebih cepat dan terjangkau dari pres dan cetakan logam skala besar. Sistem Closed-Loop Control yang dipatenkan perusahaan memungkinkan pembuatan bagian logam dengan properti dan mikrostruktur yang ditingkatkan untuk aplikasi di militer, angkatan laut, dan penerbangan angkasa.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

Serupa dengan EBAM, Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) juga menggunakan kawat sebagai bahan benda tetapi melelehkan bahan dengan bantuan busur listrik. WAAM dapat membuat bagian dengan panjang hingga 10 m, menggunakan logam alloy seperti titan, nikel, stainless steel, aluminium, dan alloy perunggu.

WAAM dapat digunakan untuk memproduksi bagian logam besar seperti tabung tekanan dan panel fuselage pesawat. Selain produksi bagian akhir, teknologi ini adalah pilihan ideal untuk operasi perawatan dan perbaikan komponen spesifik seperti daun turbin, serta cetakan dan matriks.

Cetak pasir 3D format besar

Produsen printer cetak pasir 3D format terbesar yang paling terkenal mungkin adalah voxeljet, yang aktif di area ini sejak 2002.

Pada 2011, voxeljet memperkenalkan VX4000, yang merupakan salah satu printer cetak pasir 3D terbesar hingga saat ini, dengan volume cetak 4 x 2 x 1 m.

Di samping voxeljet, ExOne menawarkan sistem cetak pasir kelas profesional, dengan volume cetak maksimal hingga 2,2 x 1,2 x 0,7 m.

Kedua printer 3D Voxeljet dan ExOne menggunakan proses yang disebut Binder Jetting, di mana agen perekat cair secara selektif ditumpahkan pada lapisan pasir untuk menggabungkan partikel pasir bersama-sama.

Cetak pasir 3D sangat bermanfaat untuk industri cetak logam, karena menawarkan cara yang lebih cepat dan hemat biaya untuk membuat cetakan pasir dan inti yang besar serta kompleks untuk pencetakan logam.

3 industri yang dapat mendapat manfaat dari cetak 3D skala besar

Seperti yang telah kita lihat, kemampuan untuk mencetak 3D bagian besar menawarkan perusahaan berbagai manfaat. Di bawah, kita akan melihat bagaimana tiga industri berbeda dapat memanfaatkan cetak 3D skala besar untuk mempercepat produksi, mempercepat pengiriman, mengurangi limbah bahan, dan menciptakan geometri baru yang tidak dapat dicapai dengan manufaktur tradisional.

Penerbangan angkasa

Untuk industri penerbangan angkasa, cetak 3D secara umum telah digunakan untuk memproduksi bagian dan tooling ukuran kecil hingga menengah, membantu produsen menghemat waktu dan mengurangi biaya.

Namun, cetak 3D format besar juga menawarkan beberapa peluang unik bagi sektor ini. Manfaatnya meliputi pengurangan waktu produksi yang lama dan limbah bahan.

Biasanya, produksi bagian struktural besar dengan metode tradisional seperti pres dan pemesinan dapat memakan waktu hingga setahun. Selain waktu produksi yang lama, metode subtraktif tradisional juga dapat menghasilkan banyak limbah bahan — hingga 80% dalam beberapa kasus.

Di sisi lain, cetak 3D skala besar dapat digunakan untuk memproduksi bagian dalam sebagian kecil waktu dan dengan limbah bahan yang lebih sedikit. Yang lebih penting, teknologi ini dapat mencetak komponen multipart sebagai satu bagian — teknik yang dikenal sebagai konsolidasi bagian. Dengan pendekatan ini, waktu rangkai dapat berkurang secara signifikan.

Spotlight: Lockheed Martin mencetak bagian penerbangan angkasa 3D

Salah satu teknologi cetak 3D format besar yang paling umum digunakan dalam industri penerbangan angkasa adalah teknologi EBAM Sciaky. Alasan utama penggunaannya dalam aplikasi penerbangan angkasa adalah kemampuannya untuk memproduksi bagian berperforma tinggi dengan tinggi hingga 6 m dan lebar 1,2 m yang jauh lebih cepat daripada yang mungkin dilakukan dengan teknik manufaktur tradisional.

Perusahaan global penerbangan dan pertahanan, Lockheed Martin, adalah salah satu yang pertama menggunakan EBAM, telah menggunakan teknologi ini sejak 2014. Dengan kemampuan cetak 3D format besar ini, perusahaan mampu mencetak 3D dom titanium raksasa, masing-masing berdiameter 116 cm, untuk tangki bahan bakar satelitnya.

Diutamakan musim panas lalu, dom yang dicetak 3D dikembangkan sebagai bagian dari program pengembangan multitahun untuk menciptakan tangki tekanan tinggi untuk membawa bahan bakar di atas satelit. Tangki bahan bakar satelit terdiri dari silinder titanium yang diproduksi secara tradisional yang membentuk badan dan dua dom yang dicetak 3D yang berfungsi sebagai tutup. Ketiga bagian dikelas bersama untuk membentuk tangki akhir.

Dengan memanfaatkan kemampuan EBAM untuk menumpahkan jumlah bahan yang tepat, Lockheed Martin berhasil mengurangi limbah bahan sebesar 80%. Selain itu, kecepatan penumpahan tinggi sistem EBAM, yang dapat mencapai hingga 11 kg per jam, memungkinkan produsen untuk mengirimkan dom dalam tiga bulan alih-alih dua tahun — pengurangan waktu produksi sebesar 87%.

Lockheed Martin percaya bahwa tangki seperti ini adalah langkah menuju transformasi cara perusahaan merancang dan mengirimkan teknologi antarik. Dan cetak 3D format besar memainkan peran kunci dalam membantu perusahaan bergerak ke arah tersebut.

Spotlight: Bell Helicopters menggunakan cetak 3D untuk membuat tooling daun besar

Sementara Lockheed Martin telah menemukan kasus penggunaan untuk cetak logam 3D skala besar dalam produksi bagian akhir, cetak polimer 3D sedang mengubah permainan untuk produksi tooling di Bell.

Di industri penerbangan angkasa, pembuatan tooling dapat menjadi proses yang lama dan mahal. Untuk mengatasi tantangan ini, Bell beralih ke teknologi LSAM Thermwood untuk membuat cetakan besar untuk daun helikopter.

Persyaratan utama untuk tooling adalah permukaan yang halus, toleransi yang ketat, dan kemampuan untuk menahan proses autoklave — teknik yang membantu memperkuat bagian komposit yang akan terekspos pada tekanan dan suhu tinggi.

LSAM ideal untuk aplikasi ini untuk dua alasan utama. Pertama, ia memungkinkan alat panjang 6 m untuk diproduksi dari bahan PESU yang diisi karbon berperforma tinggi, yang dapat menahan tekanan dan suhu tinggi. Kedua, karena LSAM adalah teknologi hibrid, bagian dapat dicetak 3D dan diselesaikan tanpa perlu mesin kedua — yang membantu mempercepat proses produksi lebih lanjut.

Manfaat ini memungkinkan Thermwood untuk memproduksi alat hanya dalam beberapa hari, dibandingkan dengan bulan yang dibutuhkan dengan proses tradisional.

Selain itu, teknologi aditif memungkinkan desain struktur pendukung internal dengan cara sehingga mereka tidak menyentuh sisi belakang ruang cetakan. Sebagai hasilnya, udara dapat mengalir bebas di seluruh bagian yang dibentuk di dalam autoklave — yang membantu mengurangi bagian dengan lebih konsisten.

Prestasi ini menunjuk pada kemungkinan desain baru yang dibuka oleh cetak 3D skala besar untuk komponen penerbangan angkasa besar dan teknis yang kompleks.

Konstruksi

Meskipun cetak 3D di industri konstruksi masih sangat berada pada tahap awal adopsi, teknologi ini menawarkan potensi yang menjanjikan bagi sektor ini.

Misalnya, salah satu tren muncul untuk cetak 3D di dalam industri konstruksi adalah cetakan formwork precast yang dicetak 3D.

Di konstruksi, formwork merujuk pada cetakan sementara di mana beton dituangkan dan dibentuk. Formwork digunakan untuk membuat apa pun mulai dari jembatan, pondasi, hingga dinding gedung.

Biasanya, formwork dapat diproduksi secara manual menggunakan kayu. Namun, formwork kayu tidak terutama awet dan sering kali akan mulai rusak setelah 15 hingga 20 pencetakan. Selain itu, proses manual secara tak terhindarkan membatasi cakupan bentuk dan geometri yang mungkin pada apa yang mungkin dilakukan oleh manusia.

Dalam skenario seperti itu, cetak 3D skala besar dapat secara signifikan menyederhanakan proses pembuatan formwork sambil memungkinkan kompleksitas dan daya tahan yang lebih besar untuk struktur cetakan besar.

Spotlight: Cetakan precast yang dicetak 3D mengubah fasad gedung multiatan

Contoh terbaru penggunaan formwork yang dicetak 3D melibatkan proyek renovasi skala besar untuk gedung perkantoran dan perumahan 42 lantai di New York City.

Gate Precast, perusahaan yang telah bekerja pada fasad baru untuk gedung tersebut, menemukan bahwa pembuatan cetakan kayu untuk proyek akan menjadi tugas besar yang dapat memakan waktu hingga 9 bulan untuk diselesaikan. Cetakan yang diperlukan berukuran besar — beberapa ukurannya mencapai 2,6 x 1,7 x 0,5 m, yang menambah waktu produksi yang lama.

Untuk mempercepat proses, perusahaan memutuskan untuk bereksperimen dengan cetak 3D, bermitra dengan Oak Ridge National Laboratory (ORNL) untuk menggunakan teknologi BAAMnya.

Berkat BAAM, perusahaan mampu mencetak cetakan antara 8 dan 11 jam masing-masing, dengan waktu pemesinan tambahan 8 jam untuk mencapai permukaan yang diinginkan. Cetakan dibuat dengan ABS yang diisi serat karbon, termoplastik umum yang dicampur dengan serat karbon yang dipotong untuk kekuatan tambahan.

Hasilnya adalah cetakan yang kuat yang dapat mendukung hingga 200 pencetakan beton dalam umurnya, dibandingkan 15-20 pencetakan untuk cetakan kayu.

Perusahaan percaya bahwa tanpa cetakan yang dicetak 3D dan BAAM, akan mustahil untuk membuat cetakan dalam waktu yang diperlukan untuk proyek ini.

Dalam kasus ini, cetak 3D memberikan nilai dalam produksi cetakan yang lebih awet dan lebih kompleks dalam waktu yang lebih singkat.

Dengan demikian, meskipun pendekatan ini untuk membuat cetakan formwork memiliki keuntungannya, cetak 3D tidak akan menggantikan formwork kayu. Namun, proyek ini membuktikan bahwa cetak 3D bagian besar menawarkan berbagai manfaat untuk industri konstruksi, memberikan arsitek alternatif manufaktur cetakan precast yang layak.

Cetak logam

Cetak 3D format besar semakin menjadi perhatian di industri cetak logam. Bisnis cetak logam melibatkan produksi cor logam dengan meleleh dan mencurahkan logam ke dalam cetakan dan inti yang berbentuk khusus.

Ketika berkaitan dengan proses pencetakan logam, teknologi dapat membantu melewati aspek yang mahal dan memakan waktu dalam pembuatan pola, inti, dan cetakan.

Mari kita lihat pencetakan logam konvensional sebagai contoh. Untuk pergi dari gambar teknik ke produksi cetakan dan pola yang presisi, dan akhirnya ke bagian cor yang jadi, dapat memakan waktu bulan-bulan. Cetakan juga biasanya akan harus menyimpan cetakan dalam inventaris, yang dapat mahal dalam hal cetakan yang besar atau jarang digunakan.

Kekurangan pembuat pola dan cetakan yang terampil adalah tantangan lain yang sering dihadapi cetakan.

Cetak 3D dapat digunakan sebagai alat di dalam industri pencetakan logam untuk membantu mengatasi tantangan di atas. Salah satu keuntungan teknologi ini terletak pada proses pembuatan cetakan yang sangat disederhanakan. Karena cetak 3D hanya memerlukan file desain, proses pembuatan cetakan manual dan rangkai inti yang kompleks dapat dihilangkan.

Menyederhanakan produksi dengan cara ini memungkinkan cetakan untuk membuat cetakan dan pola dalam beberapa hari alih-alih minggu dan bulan. Selain itu, cetak 3D dapat digunakan untuk membuat cetakan sesuai permintaan, membantu perusahaan untuk meminimalkan inventaris fisiknya dan dengan demikian biaya gudang.

Spotlight: Teignbridge membuat propeler dengan pola cetakan yang dicetak 3D

Teignbridge berkonsentrasi pada manufaktur propeler kustom dan sistem propulsi kapal untuk tug, megayacht, kapal tangkap ikan, dan ferry. Sejak didirikan 40 tahun yang lalu, perusahaan telah menggunakan proses pencetakan multitahap dalam produksi produknya.

Salah satu tahap melibatkan pembuatan pola, model dari objek akhir. Pola ditempatkan dalam kotak pasir untuk membuat cetakan. Seringkali, ini adalah proses yang intensif tenaga kerja dan memakan waktu dan pertama memerlukan pemesinan pola dari blok kayu atau polistiren.

Untuk mengurangi waktu yang diperlukan untuk membuat pola, Teignbridge memutuskan untuk memilih cetak FDM 3D format besar, menggunakan printer 3D BigRep ONE BigRep.

Memiliki printer 3D dengan ruang cetak yang besar di dalam ruangan memungkinkan Teignbridge untuk mencetak seluruh pola plastik dalam satu kali dan memberikan manfaat nyata berupa pengurangan waktu siklus dan input tenaga kerja.

Misalnya, saat menggunakan pendekatan tradisional untuk membuat pola, operator CNC yang terampil dapat menghabiskan hingga 20 jam untuk pemesinan, rangkai bagian, dan pengolahan pasca. Di sisi lain, cetak 3D memungkinkan Teignbridge untuk mengotomatisasi proses pembuatan pola, mengurangi input tenaga kerja sebesar 90%.

Di pencetakan logam, cetak 3D semakin digunakan sebagai cara alternatif untuk memproduksi pola dan cetakan.

Selain cetak FDM 3D format besar, perusahaan juga memiliki opsi cetak pasir 3D. Printer cetak pasir 3D menghilangkan langkah pembuatan pola dengan membuat cetakan pasir secara langsung.

Meskipun sistem cetak pasir 3D dapat sebesar 4000 x 2000 x 1000 mm, cenderung cukup mahal. Namun, perusahaan mulai mengakui keuntungan pola dan cetakan yang dicetak 3D, karena mereka membuat proses pencetakan lebih cepat, lebih fleksibel, dan hemat biaya.

Peluang besar dengan cetak 3D skala besar

Cetak 3D format besar saat ini masih cukup merupakan teknologi nich. Salah satu alasan utamanya mungkin terletak pada fakta bahwa banyak perusahaan masih tidak menyadari manfaat dan kemungkinan manufaktur aditif secara umum, apalagi aspek format besarnya. Akibatnya, perusahaan kesulitan menemukan kasus bisnis yang sesuai.

Komplikasi ini adalah banyak sistem cetak 3D format besar masih terlalu mahal. Akibatnya, perusahaan yang ingin bereksperimen dengan teknologi untuk menemukan aplikasi yang tepat, tidak mampu melakukannya.

Untungnya, ini mulai berubah, seiring dengan pertumbuhan pasar cetak 3D skala besar yang terus berlanjut, menyediakan beberapa opsi yang lebih terjangkau seperti printer 3D BigRep.

Akhirnya, teknologi untuk mencetak bagian lebih besar memiliki potensi untuk berkembang ke pasar dan aplikasi lainnya. Otomotif bisa salah satunya.

Produsen mobil dapat menggunakan cetak 3D format besar untuk prototipe bagian yang lebih besar seperti spoiler dan panel mobil, yang sulit dicetak dengan mesin saat ini.

“Setiap kendaraan terdiri dari banyak komponen kecil yang cocok dengan ruang cetak mesin saat ini,” kata Harold Sears dari Ford Motor Company, dalam wawancara terbaru dengan AMFG. “Tetapi ada juga banyak komponen yang lebih besar yang tidak cocok saat ini. Jadi kami sangat ingin melihat produsen mempertimbangkan sistem lain yang memiliki ruang cetak yang lebih besar.”

Jelas, permintaan untuk cetak 3D format besar ada, didorong oleh manfaat pengurangan waktu produksi dan biaya. Sekarang, industri perlu terus maju dalam teknologi untuk memenuhi kebutuhan itu, memungkinkan industri lain untuk membuka peluang yang lebih besar, baik secara harfiah maupun kata sandi.