Keramik Canggih: Manfaat, Tantangan, dan Aplikasi Industri

Meskipun adopsi skala besar lambat, keramik canggih dan komposit matriks keramik menemukan tempat di aplikasi penerbangan dan militer kunci.

Keramik saat ini telah melangkah jauh, jauh dari tungku dunia kuno. Keramik ada sejak 24.000 tahun yang lalu. Aplikasinya, bagaimanapun, terus berkembang, terutama untuk mesin jet militer dan komersial berkinerja tinggi, roket, pesawat angkasa, dan dalam bagian komponen serta aplikasi lain termasuk “kekerasan tinggi untuk pelindung dan komponen aus atau resistensi suhu tinggi untuk aplikasi refraktori,” menurut Machine Design.

Baik sebagai keramik struktural atau sebagai bagian dari komposit matriks keramik, material serbaguna ini membantu produsen meningkatkan efisiensi bahan bakar dalam mesin turbin jet sambil menghilangkan kebutuhan pendingin sebanyak mesin tradisional. GE Aviation, misalnya, klaim CMC mereka lebih ringan dua pertiga dari logam dan memiliki kapasitas suhu 20 persen lebih tinggi.

“[K]eramik canggih, yang mulai muncul setelah penemuan proses Bayer untuk pemurnian bauksit pada 1887, memiliki properti mekanik, termal dan elektronik yang lebih unggul dibandingkan keramik tradisional,” tulis Anthony Vicari dan Anthony Schiavo dari Lux Research, dalam artikel untuk MachineDesign.

Beberapa pemain terbesar industri juga telah menangkap manfaat keramik dalam desain penerbangan, juga. Dari General Electric hingga United Technologies, Safran, Boeing dan Rolls Royce, lebih dari 8.000 paten untuk desain penerbangan dengan keramik telah diberikan sejak awal tahun 1980, menurut American Machinist.

Keramik Canggih & Komposit Matriks Keramik: Ambil yang Baik dengan yang Buruk

Meskipun ada manfaat, itu tidak berarti keramik adalah semuanya untuk material desain penerbangan. Seperti yang juga ditemukan produsen, keramik memiliki tantangan dalam pemesinan dan biaya.

Keramik dipenuhi dengan beragam properti isolasi panas, membuatnya alat yang efektif ketika dipadukan dengan suhu tinggi dalam turbin pesawat. Mereka juga sangat ringan dan tidak korosif, mampu menahan kontak dengan bahan bakar jet dan mampu mencapai kecepatan lebih cepat dan wilayah yang lebih luas di luar angkasa. Tetapi pembentukan dan pemrosesan bisa lambat dan sulit.

“[W]ketika keramik gagal, mereka gagal tiba-tiba dan secara meluas, bukan dengan anggun seperti logam,” catat Lux Research. “Ini bukan keterbatasan satu-satunya: Keramik struktural memiliki resistensi suhu tinggi yang sangat tinggi, yang berarti mereka harus diproses dengan metode padat yang lambat dan memerlukan banyak energi. Selain itu, kekerasan tinggi setelah densifikasi membuat pemesinan keramik menjadi bentuk menjadi tantangan besar.”

Untuk mengatasi kegagalan meluas, penguat serat digunakan untuk membantu mengontrol “perambatan retakan melalui matriks dan menahan beban setelah material mulai gagal,” catat Lux Research, yang memungkinkan CMC untuk “gagal secara bertahap, lebih seperti kegagalan duktil logam.”

Keramik Sulit Diproses, Namun Tidak Mustahil

Produsen tahu bahwa menggunakan keramik dalam desain penerbangan adalah cara pasti untuk menurunkan berat pesawat sambil menggunakan material yang awet.

“Sifat yang sama yang meningkatkan kekuatan dan resistensi suhu juga membuat pemesinan lebih sulit,” tulis Don Graham, manajer pendidikan dan layanan teknis di Seco Tools, dalam artikel untuk Manufacturing Engineering. Kesulitan terjadi selama periode pemesinan akhir atau penggerindaan, menurut Graham, di mana integritas permukaan keramik terkompromi jika dipotong dengan salah. Apa lagi, kemungkinan kompromi semakin meningkat pada laju pengelupan material yang tinggi.

“Karena sifat rapuh, kekerasan tinggi, resistensi crep dan kekuatan tinggi, metode pemesinan konvensional seperti putar, frais dan bor sulit dilakukan dengan baik pada keramik canggih karena retakan, keroporan rapuh dan pecahan tepi,” jelaskan Alexander Gorin dan M. Mohan Reddy dalam paper mereka, Advanced Ceramics: Some Challenges and Solutions in Machining by Conventional Methods.

Kesulitan pemesinan dengan keramik tidak dapat dihilangkan sepenuhnya, tetapi bengkel telah menemukan cara untuk mengurangi tantangan dengan pemilihan alat yang tepat, menurut Graham. Alat dengan tepi potong tajam dan sudut positif akan mengurangi gaya potong, sementara insert dengan substrat butiran halus adalah cocok untuk kondisi pemotongan abrasif.

“Penguat serat sebagian besar telah mengatasi kekhawatiran rapuh, tetapi dapat diproses menderita karena konduktivitas termal rendah, kekerasan tinggi dan abrasivitas CMC,” tulis Graham. “Selain metode pemesinan tradisional, produsen bereksperimen dengan cara alternatif untuk memproses bagian CMC seperti waterjet, EDM, pemesinan bantu laser, penggerindaan dan penggunaan alat insert PCBN.”

Saat Keramik Diproses dengan Salah, Struktur akan Kehilangan Kekuatannya

Jika potongan keramik diproses dengan salah, kekuatan struktur itu sendiri akan sangat menurun. Ketika komposit sandwiche dipotong dengan tepi yang kasar, tidak merata atau berubah bentuk, seluruh struktur akan kehilangan sejumlah besar kekakuan.

“Komposit sandwiche yang dipotong tidak merata atau berubah bentuk kehilangan kekuatannya, sama seperti membuat lipat kardus bergelombang menghancurkan kekakuannya,” tulis Graham. “Untuk pemesinan finishing, bengkel harus menggunakan end mill kecepatan tinggi yang dirancang khusus untuk komposit sandwiche seperti itu.”

Saat memproses dengan keramik dalam desain penerbangan, sangat penting untuk menghindari jenis pembengkokan atau goyang apa pun. Solusinya, menurut Graham, adalah menggunakan mesin pemotong dengan tepi yang sangat tajam dan kecepatan pemotongan cepat.

Keramik Mahal, Tetapi Inovasi Adalah Bermanfaat

Dengan penekanan yang begitu pada pemotongan yang kuat dan efisien saat memproses keramik, tidak heran banyak bengkel diketahui menyumbang hingga 80 persen dari biaya keseluruhan mereka untuk mempertahankan integritas struktur berbasis keramik mereka, menurut paper Gorin/Reddy. Tentu saja, ini dapat menjadi masalah saat mempertahankan anggaran atau mencoba mengalokasikan dana untuk aspek lain pekerjaan.

“[D]esainer yang ingin memanfaatkan properti mekanik unggul CMC akan harus membayar untuk hak itu,” catat Lux Research dalam artikel MachineDesign. “CMC grafite/serat karbon dengan biaya terendah menuntun harga sekitar $30/lb untuk bentuk sederhana, yang meningkat secara dramatis dengan pemesinan. CMC matriks karbida silikon/serat karbida silikon untuk aplikasi suhu tinggi memerlukan serat murni tinggi, dengan harga dimulai dari lebih dari $4.000/lb, yang mengarah pada harga preform lebih dari $9.000/lb.”

Ahli menilai adopsi keramik telah lambat dan sering didukung oleh subsidi dan insentif dari dana pemerintah, jadi untuk benar-benar melonjak, biaya memang perlu turun. Lux Research menilai bahwa “teknologi yang mengurangi biaya perantara seperti serat dapat membuka pasar baru, dan kemajuan pemrosesan dapat membuat bagian CMC lebih andal, sehingga memudahkan kualifikasi.”

Apakah bengkel Anda pernah memproses dengan keramik? Jika ya, tantangan apa yang Anda dan tim Anda hadapi? Beritahu kami!