Menguasai Cetak Binder Jetting Logam: Inovasi, Aplikasi, dan Peluang Industri

Gambar di atas: Bor M5 yang dicetak 3D menggunakan sistem Digital Metal [Kredit gambar: Digital Metal]

Cetak binder jetting logam sedang mengalami renaissance. Sepanjang satu dekade terakhir, banyak perusahaan baru telah memasuki mode kompetisi, masing-masing dengan pendekatan sendiri terhadap teknologi ini.

Aktivitas ini sebagian didorong oleh banyak peluang menguntungkan yang ditawarkan teknologi ini. Untuk satu hal, kecepatan dan presisi tinggi proses cetak binder jetting logam dapat membantu menetapkannya sebagai metode produksi volume tinggi baru.

Tetapi perkembangan apa yang mendorong kesuksesan teknologi ini?

Kali ini kita akan melihat bagaimana cetak binder jetting logam telah berkembang dan mengapa ini sedang melonjak sebagai teknologi manufaktur baru.

Asal-usul cetak binder jetting logam

Asal-usul teknologi cetak binder jetting logam dimulai pada 1993, ketika Massachusetts Institute of Technology (MIT) mengembangkan proses berbasis inkjet untuk menciptakan objek tiga dimensi menggunakan bubuk logam.

Secara menarik, istilah “Cetak 3D” awalnya diciptakan oleh MIT dalam merujuk pada teknologi cetak binder jetting logam.

Perusahaan manufaktur, Extrude Hone Corporation, mendapatkan lisensi eksklusif untuk teknologi MIT pada 1996. Sejak itu, perusahaan telah mengembangkan dan mengkomersialkan sistem cetak binder jetting logam, dengan printer 3D pertama, ProMetal RTS‐300, dikirimkan ke Motorola pada 1999.

ExOne, yang terpisah dari Extrude Hone Corporation pada 2005, tetap merupakan satu-satunya perusahaan yang menawarkan layanan dan sistem cetak binder jetting logam hingga awal 2010-an. Pada saat itu, paten awal MIT untuk teknologi ini mulai kedaluwarsa, membuka jalan bagi perusahaan baru ke dalam pasar.

Sejak itu, cetak binder jetting logam telah direvitalkan dengan visi untuk membuat teknologi ini benar-benar cocok untuk produksi di seluruh industri.

Bagaimana cara kerja cetak binder jetting logam?

Dalam cetak binder jetting logam, perekat cair secara selektif diterapkan untuk menyatukan partikel bubuk, lapis demi lapis.

Proses dimulai dengan menyebarkan lapisan bubuk tipis, dengan kepala cetak secara strategis menumpahkan titik perekat ke dalam ranjang bubuk. Plate cetak kemudian menurun dan lapisan bubuk lain disebarkan.

Proses diulang hingga bagian selesai, dengan bubuk yang tidak digunakan (sekitar 95%) didaur ulang.

Dengan cetak binder jetting logam, bagian yang baru dicetak tetap dalam keadaan hijau yang rapuh dan akan memerlukan proses pengolahan pasca, seperti sinterisasi dan infiltasi, untuk memperkuat bagian.

Selain logam, cetak binder juga dapat bekerja dengan berbagai bahan lain, seperti pasir dan keramik.

Langkah Pengolahan Pasca untuk Cetak Binder Jetting Logam

Teknologi cetak binder tradisional bekerja dengan menggunakan kepala cetak untuk menerapkan agen perekat cair pada lapisan bubuk.

Ketika mencetak logam dengan teknologi Cetak Binder, bagian akan memerlukan berbagai langkah pengolahan pasca karena bagian awalnya dicetak dalam keadaan hijau, yang berarti mereka memiliki properti mekanis rendah dan sering kali lemah dan rapuh. Tahap pengolahan pasca bertujuan untuk memperkuat bagian, dan mencakup pengeringan, sinterisasi, infiltasi, dan proses finishing lainnya.

1. Pengeringan

Pengeringan meningkatkan kekuatan bagian hijau sehingga mereka dapat dengan aman diangkat dari plate cetak. Selama proses, bagian dioven pada suhu sekitar 200°C selama beberapa jam, menghasilkan bagian yang jauh lebih kuat.

2. Sinterisasi

Meskipun sudah dikeringkan, bagian logam Anda masih akan sangat pori-pori. Namun, Anda dapat secara signifikan mengurangi porositas bagian melalui proses sinterisasi atau infiltasi. Biasanya proses sinterisasi dilakukan dalam tungku dengan atmosfer yang terkontrol, di mana bagian dipanaskan pada suhu sekitar 100°C selama 24–36 jam dan agen perekat dibakar. Ini membantu menyatukan partikel logam bersama-sama dan menghasilkan bagian logam yang kuat dengan porositas rendah. Sinterisasi, namun, dapat menyebabkan penyusutan yang tidak homogen pada bagian dan dapat sulit diprediksi – hal ini harus dipertimbangkan pada tahap desain.

3. Infiltasi

Untuk mencapai densitas tinggi, bagian perlu diinfiltasi untuk mengisi rongga yang tertinggal oleh agen perekat yang dibakar. Biasanya dilakukan dengan menerapkan perunggu cair untuk menginfiltasi rongga yang tersisa dalam bagian. Melalui langkah pengolahan pasca ini akan secara signifikan meningkatkan properti mekanis bagian logam; misalnya, infiltasi perunggu pada stainless steel dapat mencapai densitas akhir 95%.

4. Finishing

Terakhir, meskipun opsi, bagian dapat dipolir dan dilapisi emas atau nikel untuk hasil permukaan yang estetis.

Mengapa cetak binder jetting logam sedang melonjak sebagai teknologi produksi?

Cetak binder jetting logam menawarkan sejumlah manfaat unik, memfasilitasi adopsi untuk aplikasi produksi.

Pertama, cetak binder tidak melelehkan bubuk logam selama proses cetak, menghilangkan masalah terkait pembentukan tegangan residu.

Kedua, tidak diperlukan struktur pendukung untuk proses cetak binder jetting logam, karena bagian yang dicetak dikelilingi oleh bubuk yang tidak digunakan. Kedua manfaat ini membantu mempertahankan pengolahan pasca pada minimum.

Selanjutnya, mesin cetak binder lebih murah daripada printer 3D berbasis proses SLM atau DED. Salah satu alasannya adalah mereka tidak menggunakan laser atau sinar elektron yang mahal.

Mesin cetak binder jetting logam yang lebih baru juga mampu menggunakan bubuk Metal Injection Moulding (MIM). Bubuk ini jauh lebih murah daripada bubuk logam yang dikembangkan khusus untuk cetak 3D, yang biasanya diproduksi dalam volume rendah, menggunakan metode produksi yang mahal seperti gas atomisation.

Beralih ke bubuk MIM akan, oleh karena itu, memungkinkan produsen untuk lebih menurunkan biaya operasional untuk teknologi ini.

Selain bahan baku yang lebih murah, cetak binder juga memiliki kemampuan untuk mencetak bagian yang sangat akurat dengan properti mekanis yang sebanding dengan komponen logam yang diproduksi secara tradisional.

Terakhir, kecepatan proses cetak binder jetting logam biasanya lebih cepat daripada proses cetak logam 3D lainnya. Semua manfaat ini digabungkan menghasilkan teknologi yang sangat dapat diskalakan dan mampu produksi.

Perkembangan terbaru yang mendorong cetak binder jetting logam

2010-an menandai era baru untuk cetak binder jetting logam. Dari startup hingga pemain yang lebih terkemuka, sejumlah perusahaan secara aktif berusaha mendorong batas apa yang saat ini mungkin dengan teknologi cetak binder logam.

ExOne terus berinovasi

ExOne adalah salah satu pemain terlama dalam arena cetak binder jetting logam. Selama sejarahnya, ExOne telah meluncurkan empat sistem cetak binder jetting logam, masing-masing merupakan evolusi dari yang sebelumnya.

Misalnya, pada 2018 perusahaan memperkenalkan Innovent+, yang menandai generasi baru sistem cetak binder jetting logam di ExOne. Meskipun sistem ini lebih lambat dari printer 3D M-Flex ExOne sebelumnya, ia memiliki dua fitur penting baru.

Pertama, ia dilengkapi dengan Ultrasonic recoater, yang dikembangkan untuk meningkatkan aliran bubuk dan menyederhanakan pergantian bahan. ExOne mengatakan bahwa recoater baru mewakili teknologi dispensi bubuk paling canggih di pasar.

Recoater dilengkapi dengan empat konfigurasi layar untuk kompatibilitas bahan yang lebih besar. Fitur ini terkait dengan perkembangan kunci lain: mesin dapat memproses bubuk MIM standar.

Printer 3D ranjang bubuk logam lain, terutama yang menggunakan laser atau sinar elektron, memerlukan bubuk yang diformulasikan khusus untuk bekerja secara konsisten. Namun, bubuk seperti itu sering kali jauh lebih mahal daripada bahan untuk teknologi pemrosesan logam tradisional.

Dengan memungkinkan Innovent+ mendukung bubuk MIM, ExOne dapat memperkenalkan penghematan biaya dan fleksibilitas bahan yang lebih besar bagi pengguna mesinnya.

Melanjutkan inovasi, perusahaan telah meningkatkan skala teknologi di balik Innovent+ menjadi printer 3D X1 25PRO tingkat produksi. Diperkenalkan bulan lalu, mesin dapat mencetak hingga 10 bahan berbeda pada volume cetak besarnya 400 x 250 x 250 mm.

Dengan sistem ini, perusahaan bertujuan untuk memungkinkan produksi komponen logam industri dengan resolusi tinggi, toleransi ketat, dan finishing permukaan yang ditingkatkan.

Digital Metal: mengotomatisasi cetak binder jetting logam

Perusahaan lain yang mencetak jejak dalam pengembangan cetak binder jetting logam adalah Digital Metal, anak perusahaan dari produsen bubuk logam terkemuka Höganäs Group.

Digital Metal didirikan pada 2012 dan mulai menawarkan teknologi cetak binder jetting logamnya sebagai layanan pada 2013.

Pada 2017, Digital Metal meluncurkan printer 3D DM P2500, yang dimaksudkan untuk produksi serial bagian kecil dan kompleks.

Mesin bekerja dengan menyebarkan lapisan bubuk logam yang tebal 0,042 mm. Perekat kemudian dicoret sesuai geometri bagian. Proses ini dilaporkan akurat dan dapat diulang, memungkinkan untuk membuat bagian yang sangat kecil namun sangat detail dengan resolusi 35 mikron.

Proses sinterisasi berikut menghasilkan keasalan permukaan rata-rata Ra 6,0 mikron, halus cukup untuk banyak bagian akhir dan fitur seperti saluran internal.

Digital Metal mengatakan bahwa printer 3D logamnya telah menghasilkan lebih dari 300.000 komponen di berbagai industri termasuk penerbangan angkasa, barang mewah, alat gigi, dan peralatan industri.

Untuk mengembangkan teknologinya, Digital Metal telah meluncurkan konsep produksi sepenuhnya otomatis tahun lalu.

Menurut konsep ini, robot akan menangani sebagian besar langkah proses seperti memberi makan printer dengan kotak cetak dan kemudian mencabutnya untuk pengolahan pasca. Tujuannya adalah untuk menghilangkan semua pekerja manual untuk memfasilitasi produksi berkelanjutan dan volume tinggi.

Dengan meluncurkan garis produksi tanpa tangan ini, Digital Metal telah membuat loncat besar maju dengan teknologi cetak binder jetting logamnya.

HP’s Metal Jet: Membuat cetak 3D menjadi pilihan produksi yang dapat bersaing biaya

Setelah memperkenalkan teknologi Multi Jet Fusion untuk bagian polimer pada 2016, HP memperkenalkan ekstensi berikutnya dari penawaran aditifnya pada 2018: sistem cetak 3D Metal Jetnya.

Printer 3D logam baru ini didorong oleh teknologi cetak binder. Namun, keunggulan unik yang HP perkenalkan pada teknologi ini terletak pada teknologi kepala cetak dan tinta inovatifnya.

Meskipun teknologi cetak binder secara inherent cepat, HP telah menerapkan pengetahuan teknologi kepala cetaknya untuk membuatnya lebih cepat lagi. Sistem Metal Jet dilengkapi dengan 6 kepala cetak dengan 5.280 nozzel masing-masing. Memiliki baris nozzel yang banyak ini memperkenalkan produktivitas dan keandalan yang lebih besar ke printer.

Selanjutnya, dengan memanfaatkan keahliannya dalam teknologi tinta, HP telah mengembangkan agen perekat inovatif untuk membuat proses sinterisasi lebih cepat dan lebih murah.

“Dengan pencetakan injeksi logam Anda biasanya memiliki lebih dari 10 % menurut berat perekat yang harus dibakar. Dalam kasus kami, kita memiliki kurang dari 1%, yang merupakan satu tingkat orde lebih sedikit, membuatnya lebih cepat, lebih murah dan jauh lebih mudah untuk disinter,“ kata Tim Weber, Kepala Global Logam HP, berbicara dalam wawancara dengan AMFG.

Kemajuan ini digabungkan menghasilkan printer 3D logam yang dikatakan mencapai ekonomi dan efisiensi yang sebanding dengan teknologi produksi konvensional.

HP belum menjual mesinnya. Sebaliknya, perusahaan telah meluncurkan layanan produksi bagian, berupaya membuat printer 3D secara komersial tersedia pada 2020. Mengutimbang klaim yang dibuat HP tentang Metal Jet, teknologi ini bisa menjadi kunci untuk membuka proposisi nilai berkelanjutan untuk cetak logam 3D dalam produksi volume tinggi.

3DEO: Menggabungkan cetak binder dan pemesinan

Banyak perusahaan berusaha membuat cetak logam 3D dapat bersaing dengan teknik manufaktur lainnya. Salah satu perusahaan tersebut adalah 3DEO, yang didirikan pada 2016 dengan tujuan untuk memungkinkan produksi volume tinggi melalui cetak binder jetting logam.

Untuk mencapai ini, perusahaan telah menyatukan ulang proses sepenuhnya. Sebaliknya menggunakan inkjet untuk secara selektif menumpahkan perekat, mesin 3DEO menggunakan sistem sprey milik untuk menerapkan perekat secara merata di seluruh lapisan.

Hasilnya adalah lapisan bubuk logam tipis dan keras yang kemudian dipemesan menggunakan micro end mill. Operasi CNC memotong bentuk bagian untuk setiap lapisan.

Teknologi ini, disebut Intelligent Layering, mewakili contoh pertama dari menggabungkan cetak binder dan pemesinan CNC menjadi sistem hibrid. Kombinasi ini memungkinkan 3DEO untuk membuat bagian logam kecil yang sangat presisi dengan densitas lebih dari 99,5% setelah sinterisasi.

Teknologi Intelligent Layering 3DEO saat ini hanya ditawarkan kepada klien melalui layanan produksi perusahaan. Dengan membatasi teknologinya pada layanan produksi miliknya sendiri, 3DEO memastikan kualitas tinggi bagian yang dicetak sambil menjaga platformnya sangat fleksibel.

Saat ini, 3DEO sedang bekerja pada beberapa pesanan terbesar di industri cetak logam 3D, dan baru-baru ini memenangkan pesanan pembelian untuk 28.000 bagian.

Meskipun perusahaan tidak berencana menjual mesinnya, volume produksi yang tumbuhnya berfungsi sebagai validasi kemampuan cetak binder untuk menghasilkan bagian produksi yang setara dengan komponen yang diproduksi secara konvensional.

Desktop Metal: mencetak bagian logam dengan kecepatan yang menakjubkan

Startup berbasis Boston, Desktop Metal, didirikan pada 2015 dengan tujuan memenuhi janji cetak 3D untuk produksi dalam skala besar. Untuk mencapai ini, perusahaan telah mengembangkan Production System yang sangat cepat.

Teknologi di balik printer 3D logam ini adalah apa yang perusahaan sebut Single Pass Jetting (SPJ), versi yang lebih cepat dari proses cetak binder typikal.

Sistem dilengkapi dengan dua kepala cetak lebar penuh, spreader bubuk canggih, dan sistem anti-ballistik yang secara efektif menyebarkan bubuk dan mencetak dalam satu lewat cepat di seluruh area cetak.

Dengan volume cetak 750 x 330 x 250 mm, sistem dua arah ini memungkinkan cetak resolusi tinggi hingga 12.000 cm3/jam, yang berarti lebih dari 60 kg bagian logam per jam. Kecepatan ini orde magnitudo lebih cepat daripada printer 3D logam lain di pasar, menjadikannya ideal untuk produksi bagian logam kompleks dalam volume tinggi.

Selanjutnya, Production System adalah sistem cetak binder pertama yang dilengkapi dengan lingkungan iners industri yang memiliki daur ulang gas dan pemulihan pelarut untuk pencetakan logam reaktif yang aman. Ini membuka peluang untuk mencetak berbagai logam yang lebih luas, misalnya, aluminium.

Dengan Production System-nya, Desktop Metal telah memaksimalkan manfaat teknologi cetak binder jetting logam dengan menambahkan peningkatan kecepatan yang besar.

Desktop Metal baru-baru ini membuat Production System-nya tersedia untuk pembelian, jadi akan memakan waktu untuk melihat apakah klaim kecepatan produksinya terbukti. Namun jika demikian, Production System akan menjadi printer 3D cetak binder tercepat yang tersedia di pasar saat ini.

Menatap ke masa depan

Cetak binder jetting logam menjadi salah satu teknologi cetak logam 3D kunci yang cocok untuk produksi. Diperlukan oleh kemampuan unik teknologi untuk mencapai kecepatan cetak tinggi dan membuat komponen dengan presisi tinggi.

Perkembangan kunci lain yang mendorong kesuksesan cetak binder jetting logam adalah kompatibilitasnya dengan bubuk MIM yang sudah dikenal dan relatif murah.

Banyak perusahaan telah mengakui potensi terobosan dari cetak binder jetting logam dan kini bekerja keras untuk merebut peluang yang ditawarkannya.

Maju ke depan, kita akan melihat perusahaan-perusahaan ini mengembangkan cetak binder jetting logam lebih jauh. Akhirnya, ini akan membantu teknologi menobatkan bagian yang berharga dari total pasar manufaktur.

>>Pelajari lebih lanjut tentang cetak logam 3D di Panduan Cetak Logam 3D Definitif kami.