Memahami 3D Printing: Prinsip, Jenis, dan Aplikasi Utama
Konsep 3D Printing dikemukakan oleh David E.H. Jones pada tahun 1974. Namun, metode dan bahan untuk membuat model tidak dikembangkan hingga awal tahun 1980-an.
Istilah ‘3D printing’ mencakup berbagai proses dan teknik yang menawarkan spektrum luas kemampuan untuk produksi bagian dan produk dalam berbagai bahan. Dalam beberapa tahun terakhir, proses-proses ini telah berkembang secara signifikan dan kini dapat memerankan peran penting dalam banyak aplikasi.
Artikel tinjauan ini bertujuan untuk menjelaskan berbagai jenis dan proses 3D Printing, bagaimana cara kerjanya, dan apa gunanya serta manfaatnya di pasar saat ini. Mari kita mulai dengan pertanyaan yang sangat dasar.
Apa Itu 3D Printing?
3D Printing, juga dikenal sebagai manufaktur aditif, adalah proses pembuatan objek fisik dari model digital tiga dimensi atau model CAD. Ini melibatkan berbagai teknik yang dikontrol komputer di mana bahan digabungkan atau dipadatkan untuk membangun objek nyata.
Biasanya, bahan (seperti butir serbuk atau molekul cair yang digabungkan) ditambahkan lapis demi lapis pada skala milimeter. Itulah mengapa 3D Printing juga disebut proses manufaktur aditif.
Gambar menunjukkan bagaimana printer 3D mencetak objek tiga dimensi lapis demi lapis | 3D Logics
Pada tahun 1990-an, teknik 3D printing disebut sebagai prototip cepat. Mereka hanya cocok untuk pembuatan prototipe estetika atau fungsional. Sejak saat itu, kita telah mencapai kemajuan yang luar biasa.
Teknologi 3D printing saat ini sudah cukup canggih untuk menciptakan struktur dan geometri kompleks yang akan mustahil untuk dibuat secara manual.
Ketepatan, jangkauan bahan, dan repeatabilitas 3D Printing telah meningkat hingga titik di mana kita dapat membangun hampir segala sesuatu — mulai dari prototipe sederhana hingga produk akhir kompleks seperti bangunan ramah lingkungan, bagian pesawat, instrumen medis, dan bahkan organ buatan menggunakan lapisan sel manusia.
Bagaimana Cara Kerjanya Secara Tepat?
Semua teknik 3D printing didasarkan pada prinsip yang sama: printer 3D mengambil model digital (sebagai masukan) dan mengubahnya menjadi objek fisik tiga dimensi dengan menambahkan bahan lapis demi lapis.
Ini sangat berbeda dari proses manufaktur tradisional seperti injeksi cetak dan CNC machining yang menggunakan berbagai alat potong untuk membangun struktur yang diinginkan dari blok padat. 3D Printing, sebaliknya, tidak memerlukan alat potong: objek diproduksi langsung pada platform bangunan.
Proses dimulai dengan model 3D digital (blueprint objek). Perangkat lunak (khusus untuk printer) memotong model 3D menjadi lapisan dua dimensi yang tipis. Kemudian mengonversinya menjadi serangkaian instruksi dalam bahasa mesin untuk dieksekusi oleh printer.
Bergantung pada jenis printer dan ukuran objek, pencetakan membutuhkan waktu beberapa jam untuk selesai. Objek yang dicetak sering memerlukan pemrosesan pasca (seperti pengikisan, pelukis, cat, atau sentuhan finishing konvensional lainnya) untuk mencapai finishing permukaan yang optimal, yang membutuhkan waktu dan upaya manual tambahan.
Berbagai jenis printer 3D menggunakan teknologi yang berbeda yang memproses bahan yang berbeda dengan cara yang berbeda. Keterbatasan paling dasar dari 3D Printing, dalam hal bahan dan aplikasi, adalah tidak ada solusi satu untuk semua.
Jenis/Proses 3D Printing
Menurut standar ISO/ASTM 52900, semua proses 3D printing dapat dikategorikan menjadi tujuh kelompok. Setiap satu memiliki kelebihan dan kekurangan yang terkait, yang biasanya melibatkan aspek seperti biaya, kecepatan, properti bahan, dan keterbatasan geometris.
1. Vat photopolymerization
Ilustrasi SLA: laser(a) secara selektif menerangi dasar transparan(c) tangki yang diisi(b) dengan resin foto-polimernya cair. Platform pengangkat(e) secara progresif menarik resin yang telah padat(d) ke atas.
Printer 3D berbasis Vat photopolymerization memiliki wadah yang diisi dengan resin fotopolimer, yang kemudian dipadatkan dengan sumber cahaya ultraviolet untuk menciptakan objek. Tiga bentuk paling umum dari Vat Polymerization adalah
1a) Stereolithography (SLA): Ditemukan pada tahun 1984, SLA menggunakan laser ultraviolet untuk menyilang monomer dan oligomer kimiawi untuk membentuk polimer yang membentuk tubuh padat tiga dimensi. Meskipun prosesnya cepat dan dapat membangun hampir struktur apa pun, ini bisa mahal.
1b) Digital Light Processing (DLP): Ini menggunakan sumber cahaya konvensional seperti lampu arc (bukan laser). Setiap lapisan objek diproyeksikan pada tangki resin cair, yang kemudian dipadatkan lapis demi lapis saat platform pengangkat bergerak naik atau turun.
1c) Continuous Liquid Interface Production (CLIP): Ini mirip dengan stereolithography tetapi berkelanjutan dan hingga 100 kali lebih cepat. CLIP dapat menghasilkan objek karet dan fleksibel dengan sisi halus yang tidak dapat dibuat dengan teknik lain.
2. Material Extrusion
Ilustrasi material extrusion: Nozel(1) menyetorkan bahan(2) pada platform bangunan(3).
Dalam proses ini, filamen bahan termoplastik padat dorong melalui nozel yang dipanaskan, yang melelehkan bahan dan menyetorkannya pada platform bangunan sepanjang jalur yang telah ditentukan. Bahan ini akhirnya mendingin dan padat, membentuk objek tiga dimensi. Teknik yang paling umum digunakan dalam proses ini adalah
2a) Fused Deposition Modeling (FDM): Ini menggunakan filamen terus-menerus dari bahan termoplastik, seperti nylon, polyuretan termoplastik, atau asam polilaktat.
2b) Robocasting: Ini melibatkan ekstrusi bahan seperti pasta dari nozel kecil sementara nozel bergerak di seluruh platform bangunan. Proses ini berbeda dari FDM karena tidak bergantung pada pengeringan atau pengentalan bahan untuk mempertahankan bentuknya setelah ekstrusi.
3. Sheet Lamination
Beberapa printer menggunakan kertas dan plastik sebagai bahan bangunan untuk menurunkan biaya pencetakan. Dalam teknik ini, beberapa lapisan laminasi kertas, plastik, atau logam perekat disatukan berturut-turut dan dipotong sesuai bentuk menggunakan pemotong laser atau pisau.
Resolusi lapisan dapat ditentukan oleh bahan baku. Biasanya berkisar antara satu hingga beberapa lembar kertas kopi. Proses ini dapat digunakan untuk membuat bagian besar, tetapi akurasi dimensi produk akhir akan jauh lebih rendah dibandingkan stereolithography.
4. Directed Energy Deposition
Teknik directed energy deposition banyak digunakan di industri logam canggih dan aplikasi manufaktur cepat. Alat pencetakan berisi nozel yang dipasang pada lengan robot multi-sumbu. Nozel menyetorkan serbuk logam pada platform bangunan, yang kemudian dilelehkan oleh laser, plasma, atau aliran elektron untuk membentuk objek padat.
Jenis 3D Printing ini mendukung berbagai logam, bahan secara tergradasi, dan komposit, termasuk aluminium, stainless steel, dan titanium. Tidak hanya dapat membangun bagian logam baru sepenuhnya tetapi juga dapat melekatkan bahan pada bagian yang sudah ada, memungkinkan aplikasi manufaktur hibrid.
5. Material Jetting
Bagian yang dicetak dengan proses material jetting
Material jetting bekerja dengan cara yang mirip dengan printer kertas inkjet. Dalam proses ini, bahan fotosensitif diterapkan dalam titik-titik melalui nozel dengan diameter kecil dan kemudian dipadatkan oleh cahaya ultraviolet, membangun bagian lapis demi lapis.
Bahan yang digunakan dalam teknik ini adalah fotopolimer termoset (akrilik). Pencetakan multi-bahan dan berbagai macam bahan (termasuk bahan seperti karet dan bahan transparan) juga tersedia.
Karena material jetting 3D Printing dapat membangun bagian dengan akurasi dimensi tinggi dan finishing permukaan halus, ini adalah pilihan yang menarik untuk manufaktur prototipe visual dan alat komersial.
6. Binder Jetting
Cetak penuh warna di batu pasir dengan Binder Jetting | Kredit gambar: 3D Hubs
Binder jetting menggunakan dua bahan: bahan dasar serbuk dan perekat cair. Serbuk didistribusikan dalam lapisan rata di ruang cetak, dan perekat diterapkan melalui nozel jet, yang ‘melekatkan’ partikel serbuk untuk membangun objek yang diinginkan.
Lilin atau polimer termoset sering dicampur dengan serbuk yang sudah dilekatkan untuk meningkatkan kekuatannya. Setelah pencetakan 3D selesai, serbuk sisa dikumpulkan dan digunakan untuk mencetak struktur lain.
Karena teknik ini sangat mirip dengan proses seperti inkjet, ini juga disebut inject 3D Printing. Ini terutama digunakan untuk mencetak bagian elastomer, overhangs, dan prototipe berwarna.
7. Powder Bed Fusion
Sistem SLS | DTM – 2500CI
Powder bed fusion adalah subset dari manufaktur aditif di mana sumber panas (seperti kepala cetak termal atau laser) digunakan untuk mengkonsolidasikan bahan dalam bentuk serbuk untuk membangun objek fisik. Lima bentuk paling umum dari teknologi ini adalah
7a) Selective Laser Sintering (SLS): Ini menggunakan laser sebagai sumber daya untuk sinter serbuk bahan seperti poliamida atau nylon. Di sini istilah sinter merujuk pada proses merapatkan dan membentuk massa padat bahan dengan menerapkan tekanan atau panas tanpa melelehnya hingga cair.
7b) Selective Laser Melting (SLM): Berbeda dengan SLS, teknik ini dirancang untuk melelehkan dan menggabungkan serbuk logam sepenuhnya. Ini dapat menciptakan bahan padat penuh (lapisan demi lapis) yang memiliki karakteristik mekanis yang serupa dengan logam manufaktur tradisional. Ini adalah salah satu proses yang berkembang pesat yang diterapkan baik di industri maupun penelitian.
7c) Electron Beam Melting (EBM): Dalam proses, bahan baku (kawat atau serbuk logam) ditempatkan dalam vakum dan digabungkan menggunakan aliran elektron. Meskipun EBM hanya dapat digunakan dengan bahan yang konduktif, ini memiliki kecepatan pembuatan yang lebih tinggi karena kepadatan energi yang lebih tinggi.
7d) Selective Heat Sintering (SHS): Ini menggunakan kepala cetak termal untuk memberikan panas pada lapisan serbuk termoplastik. Segera setelah lapisan selesai, ranjang serbuk bergerak ke bawah, dan lapisan bahan baru ditambahkan, yang kemudian disinter untuk membentuk penampang model berikutnya. Teknik ini paling baik untuk manufaktur prototipe dan bagian yang murah untuk pengujian fungsional.
7e) Direct Metal Laser Sintering (DMLS): Ini mirip dengan SLS tetapi menggunakan serbuk logam. Serbuk sisa menjadi struktur pendukung untuk objek dan dapat digunakan kembali untuk pencetakan 3D berikutnya. Bagian DMLS sebagian besar terbuat dari bahan serbuk seperti titanium, stainless steel, aluminium, dan beberapa alloy spesifik. Ini adalah proses ideal untuk bagian medis kustom, komponen minyak dan gas, serta prototipe fungsional yang tahan lama.
Aplikasi
Dalam dekade terakhir, 3D Printing telah berkembang secara signifikan. Karena dapat digunakan untuk dengan cepat menciptakan desain kompleks dengan biaya yang lebih murah, ini telah menjadi alat penting di berbagai industri, mulai dari manufaktur komersial dan medis hingga arsitektur dan desain kustom.
Banyak teknik manufaktur aditif dapat digunakan untuk memproduksi produk makanan. Printer 3D modern dilengkapi resep yang telah dimuat sebelumnya dan juga memungkinkan pengguna untuk menciptakan makanan mereka secara jarak jauh dari komputer dan smartphone mereka. Makanan cetak 3D dapat disesuaikan dalam tekstur, warna, bentuk, rasa, dan nutrisi.
Teknologi ini juga terbukti efektif dalam formulasi farmasi. Formulasi pertama yang diproduksi oleh 3D Printing dibuat pada tahun 2015. Pada tahun yang sama, FDA menyetujui tablet cetak 3D pertama.
Printer 3D Zero-G yang dikirim ke ISS pada tahun 2014
Pada tahun 2014, SpaceX mengirimkan printer 3D gravitasi nol pertama ke Stasiun Antarik Internasional. Ini kini digunakan oleh astronot untuk mencetak alat berguna seperti sok kunci.
Faktanya, banyak proyek perakitan yang direncanakan di planet atau asteroid akan dibootstrap menggunakan bahan yang tersedia di wilayah terdekat. 3D Printing adalah salah satu langkah besar dalam bootstrapping ini.
Saat ini, perusahaan teknologi mengintegrasikan manufaktur aditif dengan komputasi awan untuk mengaktifkan produksi terdistribusi yang terdesentralisasi dan independen geografis. Beberapa perusahaan menawarkan layanan pencetakan 3D online (melalui situs web) untuk pelanggan pribadi dan komersial.
Masa Depan 3D Printing
Impian besar 3D Printing adalah “pabrik di rumah setiap orang.” Mungkin terdengar aneh, tetapi tidak dapat dipungkiri bahwa memiliki mesin yang dapat segera mengeluarkan hal-hal yang dapat disesuaikan tak terbatas adalah hal yang memukau.
Sama seperti komputer dan smartphone telah memberdayakan miliar orang, printer 3D mungkin akan melakukan hal yang sama untuk manufaktur.
Menurut GrandViewResearch, pasar cetak 3D global dinilai sebesar $11,58 miliar pada tahun 2019, dan diperkirakan akan mencapai lebih dari $33 miliar pada tahun 2027 (dengan laju pertumbuhan 14% per tahun).
Faktor-faktor yang diharapkan mendorong pertumbuhan pasar meliputi R&D yang agresif dan permintaan yang meningkat untuk aplikasi prototipe dari berbagai vertikal industri, terutama otomotif, penerbangan dan angkasa, pertahanan, dan perawatan kesehatan.
