Manufaktur Aditif Logam: Wawasan Kunci untuk Produksi Modern

Manufaktur aditif telah mengubah industri manufaktur sejak inisiasi komersialnya di akhir abad ke-20. Seiring proses aditif terus mendominasi industri, Metal AM dan berbagai aplikasi prosesnya bergerak ke garis depan manufaktur untuk produksi.

Dorong oleh peluncuran mesin Metal AM baru dengan platform bahan terbuka dan kecepatan pencetakan yang lebih tinggi, penjualan sistem Metal AM meningkat pesat dengan segmen yang diharapkan menciptakan peluang pendapatan hampir 4 miliar dolar pada 2024. Seiring kemajuan dalam manufaktur aditif logam, penting untuk menyadari manfaat Metal AM dan bagaimana berbagai aplikasi prosesnya sedang mengubah wajah manufaktur.

Quick Links:

• Sejarah Manufaktur Aditif Logam
• Proses Manufaktur Aditif Logam / 3D Printing
• Teknik Manufaktur Aditif Logam
• Keuntungan Teknologi Metal AM
• Manfaatkan Manufaktur Aditif di Fasilitas California Anda Dengan CMTC

Sejarah Manufaktur Aditif Logam

Proses manufaktur aditif dapat melacak akarnya ke pertengahan tahun 1980-an saat metode pengembangan produk yang lebih cepat diperkenalkan. Awalnya disebut rapid prototyping, proses ini mampu menghasilkan model dimensi untuk membuat prototipe yang lebih cepat untuk menguji kesesuaian dan fungsi model.  

Pada 1987, teknik pemrosesan plastik baru yang dikenal sebagai Stereolithography (SLA) menjadi komersial, menjadi paten pertama dalam manufaktur aditif. Dengan SLA, produsen dapat memadatkan polimer cair sensitif cahaya UV dengan laser, menghasilkan model 3-D lebih cepat dari sebelumnya. Milestone ini dalam proses aditif menawarkan peluang baru bagi produsen, insinyur, dan desainer untuk menciptakan produk secara lebih efisien dari sebelumnya. 

Pada awal tahun 1990, proses manufaktur aditif berbasis polimer lainnya menjadi tersedia secara komersial. Pada 1992, Selective Laser Sintering (SLS), yang memadatkan bahan bubuk menjadi padat menggunakan laser, menjadi tersedia. Tidak lama danach, manufaktur aditif logam dipatenkan dan tersedia untuk pasar. Seperti proses manufaktur aditif lainnya, teknologi ini memungkinkan produksi cepat prototipe, produk, dan alat logam. Sementara pengenalan proses manufaktur aditif logam memungkinkan manufaktur bagian logam dengan sintering bubuk logam pilihan, hasil akhirnya adalah bahan yang lebih dapat dibandingkan dengan komposit daripada logam alloy karena bahan dengan titik leleh rendah dapat sekarang digabungkan dengan logam tahan tinggi, seperti stainless steel. 

Manufaktur Aditif Logam & Proses 3D Printing

Proses manufaktur aditif menciptakan objek dengan menambahkan bahan lapis demi lapis baik itu logam, plastik, atau keramik. Manufaktur aditif dapat melengkapi, dan dalam beberapa kasus, mengganti metode tradisional untuk menciptakan objek melalui machining, cutting, turning, shaping, milling, dan proses manufaktur “substractif” lainnya.

Untuk membuat objek menggunakan manufaktur aditif, desain dibuat menggunakan perangkat lunak CAD (Computer-Aided Design) atau dengan mengambil scan dari objek yang akan dicetak. Perangkat lunak dapat menerjemahkan scan menjadi kerangka yang presisi untuk mesin 3D printing diikuti lapis demi lapis. 

Manufaktur aditif logam, juga dikenal sebagai metal 3D printing, mengambil proses manufaktur aditif dan menerapkannya secara eksklusif pada logam. Dengan menumpukan bubuk logam, baik dengan sumber energi atau agen pengikat, objek presisi dapat dirancang dan dibangun. Seiring kemajuan mesin manufaktur aditif, objek yang tidak pernah dapat dibuat bahkan beberapa tahun yang lalu sekarang dapat diproduksi dengan kekuatan dan standar baru menggunakan berbagai bahan.  

Rentang luas bubuk logam yang tersedia untuk teknik manufaktur aditif terus berkembang. Beberapa bahan logam yang paling umum termasuk stainless steel grades, nickel, cobalt-chrome, titanium alloys, dan aluminum. Rentang bahan bangunan yang semakin meningkat ini memungkinkan produsen untuk memilih bahan yang tepat untuk spesifikasi dan harapan yang tepat dari objek. 

Teknik Manufaktur Aditif Logam

Metode manufaktur aditif logam dapat diklasifikasikan berdasarkan proses yang digunakan untuk menyatukan logam, yang termasuk binder, nozzle panas, atau laser. Berikut adalah beberapa teknik manufaktur aditif logam yang paling umum. Bergantung pada teknik yang digunakan, bagian cetakan yang dihasilkan dapat berupa net-shape atau near-net shape. 

Laser-Based Powder Bed Additive

Metode powder bed fusion (PBF) menggunakan laser atau electron beam untuk meleleh dan memadatkan bubuk logam menjadi padat. Teknik ini mencakup metode manufaktur aditif logam berikut: Electron beam melting (EBM), direct metal laser sintering (DMLS), selective heat sintering (SHS), dan selective laser melting (SLM). Selective laser sintering (SLS) adalah teknik tambahan yang menggunakan laser sebagai sumber daya untuk sinter bahan bubuk, meskipun polimer, bukan logam, yang umum digunakan dalam SLS.

Terlepas dari metode, semua teknik powder bed berbasis laser memerlukan penyebaran bubuk logam di atas lapisan sebelumnya, baik melalui roller atau blade. Logam yang paling umum digunakan dalam proses aditif ini adalah stainless steel, titanium, aluminum, steel, dan cobalt chrome, dan copper. 

Metal Binder Jetting 

Metode manufaktur aditif logam ini mirip dengan printer tinta dua dimensi. Bubuk logam dijetkan ke platform bangunan untuk mencetak objek menggunakan pendekatan continuous atau drop on demand (DOD). Bahan cair pengikat diterapkan untuk menggabungkan lapisan bubuk lapis demi lapis, membangun objek yang diinginkan. Bagian yang baru dicetak awalnya rapuh dan memerlukan pemrosesan pasca sintering dan infiltrasi untuk diperkuat. Hasil akhir dapat melalui proses finishing opsional di mana bagian dipoles atau dilapisi nikel atau emas. 

Salah satu keuntungan unik dari binder jetting adalah eliminasi pelelehan bubuk logam, yang dapat mengakibatkan tekanan residu menumpuk. Ini juga salah satu teknik manufaktur aditif logam yang paling murah.  

Sheet Lamination

Metode ini menyatukan lembar bahan lapis demi lapis melalui bonding, ultrasonic welding, atau brazing untuk membangun objek. Metode sheet lamination adalah proses suhu rendah dan dapat menyatukan bahan yang berbeda. Biasanya, metode sheet lamination untuk model visual dan estetik daripada untuk penggunaan struktural.

Directed Energy Deposition 

Proses 3D printing yang lebih kompleks, metode ini bekerja sebagaimana namanya — sumber energi terfokus, seperti laser atau electron beam, diarahkan ke bahan bangunan untuk melelehnya saat bahan secara bersamaan ditambahkan lapis demi lapis. Teknik ini biasanya digunakan untuk memperbaiki atau menambahkan bahan tambahan ke struktur yang ada. Directed Energy Deposition (DED) menggunakan nozzle panas untuk menyetorkan bahan yang telah dileleh - biasanya titanium atau cobalt chrome - ke permukaan yang ditentukan di mana ia menyegerap. 

Keuntungan Teknologi Metal AM

Dalam beberapa dekade terakhir keberadaannya, teknologi manufaktur aditif telah memberikan dampak revolusioner pada sektor manufaktur secara keseluruhan. Kemampuan ini untuk menggabungkan rangkaian - mencetak bagian sebagai satu unit alih-alih beberapa bagian yang harus digabungkan atau dipasang - mengurangi limbah bahan dan biasanya meningkatkan kualitas dan kinerja keseluruhan produk. Selain keuntungan hemat limbah ini, metode metal AM menawarkan keuntungan unik yang meliputi:

Kompleksitas adalah “Gratis”

Saat menggunakan proses manufaktur substractif tradisional, peningkatan kompleksitas desain bagian mengakibatkan biaya yang semakin tinggi karena semakin banyak operasi milling, contouring, dan finishing substractif yang diperlukan.  Saat menggunakan Additive, kompleksitas desain menambahkan sedikit biaya dan seringkali mengurangi biaya bagian.  Misalnya, jika bagian adalah bagian prismatik - blok persegi panjang padat - milling dari near-net shape billet adalah sederhana dan memerlukan sedikit pass pada milling sehingga biaya rendah. Mencetak blok menggunakan Additive akan memerlukan banyak pass pada mesin untuk menyetorkan jumlah bahan yang diperlukan untuk membangun bentuk yang mengakibatkan biaya yang jauh lebih tinggi.  Namun, jika bagian adalah bentuk organik - pikirkan pengaman yang terlihat seperti struktur akar pohon - milling kemungkinan besar akan memerlukan custom holding fixtures dan banyak pass mesin, seringkali dengan banyak pergantian alat, dan pemrosesan jalur alat yang luas yang semuanya mengarah pada biaya tinggi. Untuk mencetak bentuk organik dengan Additive, jalur alat dibuat secara otomatis menggunakan perangkat lunak dan jumlah pass serta jumlah bahan yang ditetapkan sangat berkurang menghasilkan biaya lebih rendah untuk bagian ini.

Eliminasi Biaya Ekstra

Proses aditif logam mengurangi limbah bahan dibandingkan metode tradisional. Karena bahan baku dibangun secara presisi lapis demi lapis, ada sedikit kebutuhan untuk mengurangi atau mengikis bagian dari objek padat. Hanya bahan yang diperlukan yang digunakan dan ditempatkan tepat di tempat yang diperlukan, membuat teknologi metal AM hemat sumber daya. 

Selanjutnya, manufaktur aditif logam mengurangi limbah dengan menghilangkan kebutuhan akan tooling mahal, menghemat uang dan waktu bisnis Anda. Dengan memilih proses manufaktur aditif logam yang tepat, Anda dapat mengakses berbagai macam bahan untuk memenuhi kebutuhan produksi spesifik Anda. 

Rentang Luas Bahan

Sifat bahan dan kinerja keseluruhan ditentukan oleh komposisi kimia, keadaan kristal, dan mikro-arsitektur yang mendasarinya. Sifat-sifat ini memaksa insinyur untuk menerima trade-off tertentu saat memilih bahan untuk aplikasi tertentu. Namun, konsesi ini mungkin akan menjadi masa lalu karena kemajuan dalam teknologi 3D printing. 

Sementara sebelumnya produsen terbatas pada bahan yang digunakan dalam metal AM, kini ada variasi bubuk logam yang semakin besar yang dapat digunakan. Beberapa bahan logam yang lebih umum yang tersedia meliputi:

• Stainless steel
• Steel
• Titanium
• Aluminum
• Copper
• Cobalt Chrome
• Titanium alloys
• Nickel Alloys
• Gold
• Silver
• Platinum
• Palladium 

Seiring kemajuan dalam manufaktur aditif, daftar bubuk logam yang dapat digunakan akan terus berkembang. 

Kemampuan Desain yang Ditingkatkan & Optimasi Topologi

Dengan manufaktur aditif logam, struktur unik dan kompleks dapat dibuat yang sebaliknya akan memakan waktu dan bagian tambahan. Dengan menggabungkan rangkaian, objek sekarang dapat diproduksi sebagai satu unit untuk kekuatan dan efisiensi yang lebih besar daripada beberapa bagian yang harus digabungkan atau dipasang setelah produksi.

Selanjutnya, kemajuan terbaru dalam desain otomatis telah memungkinkan produksi produk untuk berbagai aplikasi. Perangkat lunak Optimasi Topologi memungkinkan desainer untuk menentukan parameter bagian dan membiarkan perangkat lunak mendefinisikan arsitektur berdasarkan properti struktural, fungsional, termal, atau properti lainnya yang diinginkan. Hasil akhirnya adalah desain yang dapat dibuat lebih kuat, lebih ringan, lebih tahan lama, dan lebih tahan terhadap alam dan kondisi eksternal.

Pengurangan Waktu Produksi

Salah satu keuntungan yang dikenal dari manufaktur aditif logam adalah pengurangan waktu yang dibutuhkan untuk produk beralih dari tahap desain ke produksi akhir dibandingkan dengan machining tradisional. Karena ada sedikit kebutuhan akan machining dan alat spesifik untuk memproses objek setelah dicetak 3D, metal AM dapat membuat bagian dalam beberapa hari daripada beberapa minggu. 

Manfaatkan Manufaktur Aditif di Fasilitas California Anda Dengan CMTC

Apakah manufaktur aditif logam terdengar seperti teknologi yang dapat dimanfaatkan oleh bisnis manufaktur Anda? Seperti teknologi baru apa pun, selalu ada kurva pembelajaran sedikit. Itulah mengapa dalam panduan kami Types of Metal Additive Manufacturing Processes, kami membahas dalam proses semua proses yang disebutkan di atas, bahan yang digunakan, dan kelebihan serta kekurangan masing-masing.

Tetap terinformasi dan ikuti perkembangan industri dengan mengunduh panduan gratis hari ini. Sementara itu, jika Anda memiliki pertanyaan tambahan tentang manufaktur aditif, silakan hubungi para ahli di CMTC. Kami di sini dan senang membantu!