Cetak Logam Titanium 3D: Aplikasi, Manfaat, dan Teknologi Mengembara

Cetak logam titanium 3D sedang mendefinisikan ulang manufaktur di penerbangan angkasa, medis, otomotif, dan balap motor berkat kemampuan ringan, tahan karatan, dan suhu tinggi.

Properti unik titanium

Titanium menawarkan kekuatan yang sebanding dengan baja sambil hanya menimbang 60% dari bahan tersebut. Daya tahan karatan yang baik, stabilitas kimia, dan kemampuan untuk menahan suhu di atas 600 °C membuatnya tak tergantikan untuk sektor berperforma tinggi. Meskipun manfaatnya, titanium tetap mahal karena pertambangan yang terbatas dan persyaratan pemrosesan yang kompleks.

Mengapa titanium unggul dalam manufaktur aditif

Pemesinan tradisional titanium menghadapi hambatan dari konduktivitas termal rendahnya, yang dapat cepat mengaus alat CNC, dan limbah bahan yang tinggi. Manufaktur aditif menghilangkan kelemahan ini dengan membangun bagian lapis demi lapis, sehingga menghemat bahan dan memungkinkan geometri yang rumit yang tidak dapat dipemesin.

Manfaat cetak 3D dengan titanium

Untuk penerbangan angkasa, cetak 3D dapat mengurangi rasio beli-terbang dari konvensional 12:1–25:1 menjadi 3:1–12:1, mengurangi limbah bahan hingga 90% dan menerjemahkan menjadi penghematan biaya yang signifikan untuk alloy yang mahal. Selain itu, perangkat lunak optimasi topologi dapat merancang struktur selang yang mempertahankan kapasitas beban sambil menghilangkan bahan yang tidak perlu, menghasilkan komponen yang lebih ringan namun lebih kuat.

Teknologi cetak logam 3D untuk titanium

Direct Energy Deposition (DED)

DED, pertama kali diterapkan pada titanium pada 1997 oleh Aeromet, melelehkan bubuk atau kawat logam dengan laser atau sinar elektron saat menyetorkan materi pada substrat. Ia dapat membangun komponen besar dengan laju penumpahan hingga 320 cc/jam. Variannya seperti WAAM dan EBAM memperluas jangkauan DED ke bagian tebal dan volume tinggi.

Electron Beam Melting (EBM)

Dikembangkan oleh Arcam, EBM memfokus bubuk titanium dalam vakum pada suhu tinggi, menghasilkan bagian dengan tegangan residu minimal dan sering menghilangkan kebutuhan akan perawatan panas pasca. Mesin Q10 dan Q20 Arcam, serta seri Spectra H, banyak digunakan untuk implan ortopedi dan komponen penerbangan angkasa, termasuk alloy titanium aluminide baru.

Selective Laser Melting (SLM)

SLM adalah proses pencetakan ranjang bubuk yang menggunakan laser untuk melelehkan lapisan logam berturut-turut. Ketebalan lapisan dapat mencapai 20 µm, menawarkan resolusi yang lebih baik dibandingkan DED dan EBM. SLM adalah metode yang dipilih untuk komponen kompleks dan presisi tinggi seperti implan kustom dan bagian performa.

Aplikasi industri kunci

Penerbangan angkasa

Titanium yang dicetak 3D semakin diadopsi untuk mengurangi bobot di mesin jet, turbin gas, dan komponen badan pesawat. Liebherr-Aerospace & Transportation SAS meluncurkan produksi serial bracket landing gear depan titanium yang dicetak 3D untuk Airbus A350 XWB, bagian titanium pertama di pesawat itu. Boeing telah bekerjasama dengan Norsk Titanium sejak 2015, menggunakan Rapid Plasma Deposition (RPD) untuk memproduksi komponen struktural besar untuk 787 Dreamliner, mencapai waktu pembuatan 50–100× lebih cepat dan penggunaan bahan 25–50% lebih sedikit dibandingkan pres, yang dapat menghemat hingga $3 juta per pesawat.

Medis

Biocompatibilitas dan kekuatan titanium menjadikannya ideal untuk implan ortopedi dan gigi. Osseus Fusion System mencetak Aries-L Interbody Fusion Devices dengan SLM yang divalidasi FDA, dengan mesh multi-sumbu dan mikro-topologi yang mempercepat fusasi tulang. Pada 2020, titanium yang dicetak 3D diproyeksikan akan mencakup sekitar 274 kg titanium dalam alat medis, menyoroti adopsi industri yang cepat.

Otomotif & Balap motor

Meskipun biaya masih menjadi hambatan untuk kendaraan produksi massal, mobil kelas tinggi dan mewah mendapat manfaat dari cetak titanium 3D. Bugatti mencetak cakram rem untuk Chiron dengan SLM, mengurangi bobot 40% dibandingkan aluminium yang dipemesan dan lulus uji kekuatan, kekakuan, dan suhu ekstrem. Bugatti juga menggunakan cetak titanium 3D untuk bracket spoiler aktif, mencapai pengurangan bobot 53% dan kekakuan yang ditingkatkan. HRE Wheels menggunakan EBM untuk membuat velg roda kompleks, mengurangi limbah bahan dari 80% menjadi kurang dari 5% dan mencapai pengurangan bobot 19%. Di balap motor, Oxford Brookes Formula Student, dengan UK MTC, merancang ulang tiang dengan EBM, menghemat 50% bobot.

Tantangan dan pandangan masa depan

Standarisasi adalah kunci; pada 2018 Boeing dan Oerlikon meluncurkan kemitraan lima tahun untuk menyelaraskan manufaktur aditif titanium dengan standar FAA dan DoD. Biaya bubuk titanium yang tinggi (US $300–600/kg) tetap menjadi hambatan, tetapi metode produksi baru seperti PyroGenesis’s NexGen™ Plasma Atomization (25 kg/jam) dan proses elektrolisis Metalysis sedang menurunkan biaya dan meningkatkan keberlanjutan. SmarTech memproyeksikan penurunan harga 17% pada 2024 jika teknologi ini diskalakan.

Seiring menurunnya biaya bahan dan munculnya lebih banyak aplikasi, cetak titanium 3D akan beralihi dari nich ke mainstream, menawarkan alternatif yang menarik bagi industri yang menuntut bagian ringan, kuat, dan kompleks.