Panduan Pencetakan 3D Dengan Titanium

Dengan manfaat pengurangan limbah material dan kemampuan untuk membuat desain yang ringan, pencetakan 3D titanium menemukan ceruknya di banyak industri.

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 menjadi semakin dikenal sebagai metode manufaktur yang layak, teknologi membuat titanium lebih tersedia untuk industri seperti medis, otomotif dan olahraga motor.

Pos hari ini membahas apa yang menjadikan titanium pilihan yang baik  untuk pencetakan 3D, teknologi yang mendukung material, serta aplikasi industri utama.

Sifat unik titanium

Sektor Properti Aplikasi Ketahanan Korosi
Rasio kekuatan terhadap berat yang tinggi
Ketahanan suhu tinggi Struktur rangka dan sayap
Bagian yang lebih kecil seperti bilah kompresor, rotor, dan komponen mesin turbin lainnya MedisKekuatan luar biasa
Biokompatibilitas (tidak beracun , non-alergi)Perangkat ortopedi seperti implan tulang belakang, pinggul dan lutut. Otomotif &Olahraga MotorKetahanan korosi
Rasio kekuatan-terhadap-berat yang tinggi
Ketahanan suhu tinggiKaliper rem, braket, pelek roda, rangka tegak.

Pikirkan kuat, ringan dan tahan korosi, dan Anda memiliki esensi dari apa yang membuat titanium menjadi bahan yang dicari. Titanium dikenal karena sifat materialnya yang sangat baik — sekuat baja tetapi dengan hanya 60% densitasnya.

Rasio kekuatan-terhadap-densitas yang tinggi dari Titanium, ketahanan korosi yang baik, dan ketahanan kimia membuatnya sangat diinginkan untuk industri berperforma tinggi seperti kedirgantaraan dan pertahanan.

Di sini, paduan titanium digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan suku cadang ringan yang mampu mempertahankan sifat mekaniknya pada suhu tinggi.

Titanium juga dikenal karena biokompatibilitasnya, yang menjadikannya pilihan ideal untuk aplikasi medis, seperti implan.

Namun, meskipun titanium menawarkan berbagai manfaat, titanium tetap merupakan bahan yang relatif mahal. Ini karena logam tersebut ditambang dalam jumlah yang relatif kecil, dan pemrosesan titanium mentah tetap menjadi tugas yang kompleks, membuat bahan tersebut jauh lebih mahal daripada logam alternatif seperti baja.

Apa yang membuat titanium cocok untuk pencetakan 3D?

Titanium bisa menjadi logam yang sulit untuk dikerjakan, terutama dalam hal permesinan. Untuk satu hal, titanium memiliki konduktivitas termal yang rendah. Artinya, ketika dikerjakan, misalnya dengan mesin CNC, panas yang dihasilkan disimpan di alat CNC – yang dapat menyebabkan alat cepat aus.

Selain itu, karena pemesinan melibatkan pemotongan dan pembuangan material, proses tersebut dapat menghasilkan banyak limbah material. Akibatnya, banyak perusahaan mencari alternatif yang lebih baik untuk memproduksi suku cadang titanium.

Pencetakan 3D logam terbukti menjadi alternatif yang layak.

Dengan pencetakan 3D logam, grade titanium yang paling umum digunakan adalah paduannya, Ti6Al4V (Ti64). Selain Ti64, pencetakan 3D juga dimungkinkan dengan titanium murni.

Manfaat pencetakan 3D dengan titanium

Ada banyak manfaat dari 3D printing titanium.

Untuk aplikasi luar angkasa, menggunakan titanium ke komponen cetak 3D sering kali membantu menurunkan rasio beli-untuk-terbang. Istilah, yang berasal dari industri kedirgantaraan, mengacu pada korelasi antara berat jumlah bahan yang awalnya dibeli dan berat bagian yang sudah jadi.

Dalam manufaktur konvensional, misalnya, komponen pesawat titanium mungkin memiliki rasio buy-to-fly antara 12:1 dan 25:1. Ini berarti bahwa 12-25kg bahan baku diperlukan untuk menghasilkan 1kg suku cadang. Dalam skenario ini, hingga 90% material dihilangkan dengan mesin.

Pencetakan 3D logam dapat mengurangi rasio komponen titanium ini menjadi antara 3:1 dan 12:1. Ini karena printer 3D logam biasanya hanya menggunakan jumlah material yang diperlukan untuk membuat bagian, hanya menghasilkan sedikit limbah dari struktur pendukung. Untuk bahan mahal seperti titanium, penghematan biaya dari pengurangan rasio beli-untuk-terbang ini bisa sangat signifikan.

Manufaktur aditif juga dapat meningkatkan sifat ringan titanium berkat optimasi topologi. Menggunakan perangkat lunak pengoptimalan topologi, para insinyur menetapkan persyaratan tertentu, seperti batasan beban dan kekakuan dan kemudian membiarkan perangkat lunak mengoptimalkan desain awal untuk memenuhi persyaratan tersebut. Melalui pengoptimalan ini, material yang tidak perlu dihilangkan dari desain, menciptakan komponen yang lebih ringan namun kuat.

Desain yang dioptimalkan secara topologi seringkali hanya dapat dibuat dengan bantuan teknologi manufaktur aditif. Manfaat ini sangat dihargai oleh industri kedirgantaraan, di mana suku cadang titanium cetak 3D yang ringan dapat menghasilkan penghematan berat dan kinerja pesawat yang lebih baik.

Teknologi apa yang mendukung titanium?

Tiga metode pencetakan 3D logam yang paling umum digunakan untuk membuat bagian titanium adalah Direct Energy Deposition (DED), Electron Beam Melting (EBM) dan Selective Laser Melting (SLM).

Deposisi Energi Langsung

Upaya pertama untuk mencetak titanium 3D dimulai pada tahun 1997 di Aeromet Corporation, yang menggunakan teknologi DED untuk memproduksi suku cadang untuk industri kedirgantaraan.

Dalam DED, sumber energi intensitas tinggi seperti laser atau sinar digunakan untuk melelehkan bubuk titanium (atau kawat) saat diendapkan melalui nozzle ke substrat. Manfaat utama di sini adalah kemampuan untuk membuat bagian besar dengan laju pengendapan material yang relatif tinggi (hingga 320 cc/jam).

Saat ini, ada banyak variasi teknologi DED, termasuk Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) Sciaky dan Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM).

Pencairan Sinar Elektron

Perusahaan Swedia, Arcam, telah mengembangkan teknologi EBM-nya untuk memungkinkan implan cetak 3D titanium dan komponen kedirgantaraan. Dalam EBM, berkas elektron diterapkan pada lapisan serbuk logam, melelehkan dan menggabungkannya dengan lapisan sebelumnya.

EBM dianggap lebih akurat daripada DED, dan cocok untuk bagian yang lebih kecil dan kompleks. Khususnya, proses EBM berlangsung dalam ruang hampa dan pada suhu tinggi. Ini menghasilkan tegangan sisa yang minimal pada bagian yang dicetak 3D, yang juga berarti bagian tersebut tidak memerlukan perlakuan panas berikutnya.

Pada tahun 2013, Arcam merilis dua mesin AM, Arcam Q10 dan Arcam Q20, masing-masing menargetkan industri implan ortopedi dan kedirgantaraan. Arcam Q20 dirancang khusus untuk bekerja dengan paduan Ti6Al4V.

Arcam juga telah merilis printer Arcam Spectra H 3D, yang mampu mencetak paduan titanium baru yang rawan retak seperti titanium aluminida.

Pencairan Laser Selektif

Seperti EBM, SLM adalah proses fusi unggun bubuk, meskipun menggunakan sinar laser, bukan berkas elektron untuk melelehkan dan memadukan lapisan bubuk logam. Ketebalan satu lapisan dalam proses SLM bisa setipis 20 mikron, membuat teknologi ini jauh lebih akurat jika dibandingkan dengan DED dan EBM.

Aplikasi pencetakan 3D titanium

Dirgantara mendominasi aplikasi utama pencetakan 3D titanium. Konon, industri lain seperti medis, olahraga motor, kimia dan kelautan juga mulai menyelidiki teknologi untuk memproduksi komponen titanium.

Aerospace

Untuk perusahaan kedirgantaraan, titanium pencetakan 3D membantu mengurangi bobot struktur dengan beban tinggi, sehingga sangat cocok untuk mesin jet, turbin gas, dan banyak komponen badan pesawat.

Banyak perusahaan kedirgantaraan terbesar memasukkan suku cadang titanium cetak 3D ke dalam pesawat mereka.

Liebherr-Kedirgantaraan &Transportasi SAS

Misalnya, pemasok kedirgantaraan, Liebherr-Aerospace &Transportation SAS, memulai produksi serial braket roda pendarat hidung titanium cetak 3D untuk Airbus A350 XWB awal tahun ini. Braket ini akan menjadi suku cadang Airbus pertama yang diproduksi dengan titanium cetak 3D.

Boeing dan Titanium Norsk

Boeing, juga, telah menempatkan taruhannya pada pencetakan 3D titanium. Sejak 2015, Boeing telah bermitra dengan perusahaan percetakan 3D logam Norwegia, Norsk Titanium, untuk memproduksi komponen titanium struktural besar untuk 787 Dreamliner. Pada tahun 2017, mereka memenuhi syarat FAA bagian titanium yang tidak disebutkan namanya, dibuat dengan bantuan teknologi Rapid Plasma Deposition (RPD) milik Norsk.

Berdasarkan proses DED, RDP menggunakan kawat titanium dengan obor plasma untuk mencetak komponen struktur titanium berukuran besar. Teknologi ini dilaporkan 50-100 kali lebih cepat daripada sistem berbasis bubuk dan menggunakan titanium 25-50% lebih sedikit daripada proses penempaan. Waktu tunggu yang dipercepat dan pengurangan limbah material dapat menghemat Boeing hingga $3 juta per pesawat.

Saat ini, pencetakan 3D titanium sedang dieksplorasi sebagian besar untuk komponen pesawat yang lebih kecil seperti braket dan housing. Namun, di masa depan, penggunaannya dapat meluas ke komponen struktural yang jauh lebih besar, didorong oleh penghematan berat, biaya, dan waktu pengembangan.

Medis

Titanium yang tidak beracun, berkekuatan tinggi, dan tahan terhadap korosi menjadikannya bahan yang menarik untuk implan ortopedi dan gigi.

Bila digunakan dengan pencetakan 3D, produsen perangkat medis dapat membuat implan dengan struktur berpori yang kompleks. Hebatnya, struktur ini meniru struktur tulang manusia sehingga sel-sel tulang mengenalinya sebagai perancah untuk tumbuh.

Implan tulang belakang titanium Osseus

Satu perusahaan yang mengembangkan perangkat tersebut adalah Osseus Fusion System yang berbasis di AS. Implan tulang belakang titanium yang dicetak 3D, yang disebut Aries-L Interbody Fusion Devices, menampilkan mesh multi-sumbu eksklusif dan topologi permukaan mikro yang dioptimalkan, yang memungkinkan tulang menyatu lebih cepat. Untuk memungkinkan fitur kompleks seperti itu, Osseus mencetak perangkat Aries-nya pada printer 3D SLM yang divalidasi FDA.

Penggunaan pencetakan 3D titanium untuk perangkat ortopedi, seperti implan tulang belakang, pinggul dan lutut, sedang meningkat. Pada tahun 2020 aplikasi medis dari titanium cetak 3D akan mencapai sekitar 274.000 kg titanium, menurut laporan Smartech baru-baru ini. Ini menetapkan pandangan yang sangat positif untuk pencetakan 3D titanium di industri medis.

Otomotif &Olahraga Motor

Kaliper rem titanium Bugatti

Dibandingkan dengan dirgantara dan medis, industri otomotif belum secepat ini mengadopsi pencetakan 3D titanium. Meskipun manfaat yang sama berlaku, pasar otomotif konsumen sangat sadar biaya, yang membatasi penggunaan bahan mahal ini di sebagian besar kendaraan.

Saat ini, suku cadang cetak 3D titanium dapat ditemukan di mobil balap dan kendaraan mewah di mana bobot dan kinerja merupakan faktor yang signifikan.

Salah satu contoh paling menonjol dari penggunaan pencetakan 3D titanium di otomotif adalah kaliper rem Bugatti, yang dikembangkan untuk supercar Bugatti Chiron-nya.

Bagian penting dari sistem pengereman, kaliper rem berukuran 41 x 21 x 13,6 cm dan dicetak 3D dalam 45 jam menggunakan teknologi SLM. Bagian yang telah selesai dikatakan sekitar 40% lebih ringan daripada alternatif aluminium mesin.

Tahun lalu, perusahaan berhasil menguji kaliper rem, membuktikan bahwa ia dapat memenuhi persyaratan kekuatan, kekakuan, dan suhu yang ekstrem.

Selain kaliper rem, Bugatti telah menggunakan pencetakan 3D titanium dalam produksi braket spoiler aktif. Bekerja sama dengan Siemens, suku cadang tersebut dioptimalkan untuk mengurangi bobot sambil tetap memberikan kekuatan, sehingga menghasilkan pengurangan bobot 53% dan peningkatan kekakuan.

Roda titanium cetak 3D HRE

Produsen pelek roda AS, HRE, adalah perusahaan lain yang mendapatkan keuntungan dari pencetakan 3D titanium. Tujuan utama HRE adalah mengurangi jumlah material yang terbuang saat memproduksi pelek roda.

Menggunakan teknologi EBM, HRE 3D mencetak pelek roda berbentuk kompleks dan mencapai pengurangan berat 19% dalam prosesnya.

Dengan metode produksi tradisional untuk aplikasi ini, limbah material yang dihasilkan dapat mencapai hingga 80%. Dengan pencetakan 3D, HRE mengatakan bahan yang terbuang tidak melebihi 5%.

HRE menganggap pelek lebih sebagai pajangan teknologi daripada produk komersial. Meskipun demikian, proyek ini menawarkan gambaran sekilas tentang masa depan desain dan manufaktur roda.

Pencetakan 3D titanium dan olahraga motor

Dalam olahraga motor, pencetakan 3D titanium memainkan "peran strategis yang penting" dalam memproduksi kendaraan berperforma tinggi dan ringan, termasuk mobil balap.

Salah satu contoh datang dari tim Mahasiswa Formula Oxford Brookes. Dalam kemitraan dengan Pusat Teknologi Manufaktur (MTC) Inggris, tim mendesain ulang bagian atas kendaraan dan memproduksinya  menggunakan teknologi EBM. Berkat proses ini, tim mencapai 50% penghematan berat.

Tantangan pencetakan 3D titanium

Terlepas dari keunggulan pencetakan 3D titanium, ada beberapa tantangan yang perlu dipertimbangkan.

Pertama adalah kebutuhan untuk mengembangkan standar penggunaan titanium dengan teknologi aditif. Beberapa perusahaan sudah mengambil langkah ke arah ini. Pada tahun 2018, Boeing dan Oerlikon menandatangani kemitraan lima tahun yang berfokus pada standarisasi pencetakan 3D titanium dan memastikan komponen yang dicetak memenuhi persyaratan penerbangan FAA dan DoD.

Tantangan kedua terletak pada mahalnya harga serbuk titanium. Misalnya, biaya bubuk titanium yang dioptimalkan untuk pencetakan 3D berkisar dari $300 hingga $600.

Untuk mengurangi biaya bahan aktual per kilogram titanium, beberapa produsen bubuk telah mengembangkan metode produksi bubuk alternatif. PyroGenesis Kanada, misalnya, menggunakan Sistem Atomisasi Plasma NexGen™, yang menghasilkan bubuk logam, termasuk titanium, dengan kecepatan lebih dari 25 kg/jam. Tingkat produksi yang lebih tinggi memungkinkan perusahaan untuk memproduksi titanium dengan harga yang lebih rendah secara kompetitif.

Perusahaan yang berbasis di Inggris, Metalysis, telah mengembangkan metode produksi bubuk lain yang dapat menurunkan harga titanium. Metode ini menggunakan bentuk elektrolisis untuk mengubah titanium oksida mentah menjadi bubuk titanium. Manfaat utama dari teknologi ini terletak pada keramahan lingkungan dan biaya rendah dibandingkan dengan metode produksi bubuk tradisional.

Pada bulan September 2018, Metalysis memulai produksi komersial bubuk titanium, selain paduan lainnya, dengan tujuan menghasilkan antara 10 dan 100 ton bubuk logam per tahun.

Jika metode manufaktur serbuk titanium baru mampu mewujudkan potensinya, harga rata-rata satu kg titanium dapat dikurangi sebesar 17% pada tahun 2024, menurut Analisis SmarTech.

Pencetakan 3D Titanium:kombinasi yang unggul

Pencetakan Titanium 3D telah menjadi teknologi yang berharga di bidang kedirgantaraan, medis, dan otomotif. Alasan utama untuk ini adalah perpaduan yang unggul dari properti titanium yang sangat baik dan kemampuan pencetakan 3D untuk mengurangi limbah dan menciptakan desain yang kompleks dan ringan.

Ke depan, seiring dengan turunnya biaya titanium dan semakin banyak aplikasi yang ditemukan, pencetakan 3D titanium akan menjadi alternatif manufaktur yang hebat untuk berbagai industri yang jauh lebih luas.