Bagaimana Kuasikristal Memperkuat Aluminium 3D-Printed Kelas Dirgantara

Dari Teori ke Praktik

Penghargaan Nobel kadang diberikan untuk temuan yang tampak abstrak bagi masyarakat luas. Salah satunya adalah Hadiah Nobel Kimia 2011 atas penemuan kuasikristal.

Banyak bahan alami dan buatan tersusun dari kristal periodik. Pada tingkat atom, satu sel satuan berulang dalam tiga dimensi dan struktur tersebut ikut menentukan sifat logam, semikonduktor, serta bahan lain.

Dalam tiga dimensi terdapat 230 kelompok ruang kristalografi yang menggambarkan kemungkinan simetri periodik. Kuasikristal menantang anggapan lama bahwa keteraturan atom selalu harus periodik.

Sumber: Nobel Prize

Kuasikristal memiliki keteraturan jarak jauh tetapi tidak mengulang secara periodik. Dan Shechtman pertama kali melaporkan pola difraksinya pada paduan aluminium-mangan; temuan inilah yang kemudian dianugerahi Nobel, bukan penelitian di NIST.

Sumber: NIST

Andrew Iams dan rekan-rekannya mempelajari kuasikristal yang terbentuk ketika paduan aluminium berkekuatan tinggi dibuat dengan pencetakan 3D. Karena paduan aluminium tertentu mudah retak dalam proses aditif, pemahaman struktur ini dapat membantu merancang bahan yang lebih andal untuk penggunaan dirgantara.

(Ikhtisar industri tersedia dalam artikel kami “Konsolidasi Pencetakan 3D Menuju Masa Depan Manufaktur”.

Hasil penelitian¹ oleh tim NIST, HRL Laboratories LLC, serta L.A. Giannuzzi & Associates LLC diterbitkan di Journal of Alloys and Compounds dengan judul “Fitur mikrostruktur dan pembentukan fase metastabil pada paduan aluminium berkekuatan tinggi yang dibuat dengan manufaktur aditif”.

Mengapa Kristal Penting?

Struktur kristal dapat memberi sifat khusus pada bahan, tetapi perilaku mekaniknya juga dipengaruhi cacat kristal, batas butir, komposisi, dan riwayat termal.

Deformasi plastis pada logam banyak terjadi melalui pergerakan dislokasi pada bidang kristal tertentu. Batas butir dan presipitat dapat menghambat gerakan tersebut, sedangkan tegangan sisa, pori, atau retak dapat melemahkan komponen.

Dalam manufaktur aditif, volume logam yang kecil berulang kali dilelehkan dan didinginkan dengan cepat. Gradien suhu, penyusutan, dan rentang pembekuan paduan tertentu dapat memicu retak solidifikasi atau hot tearing.

Retak dapat terbentuk ketika logam cair yang tersisa tidak mampu mengisi penyusutan jaringan padat yang sedang mendingin. Cacat ini mengurangi integritas komponen, tetapi tingkat risikonya bergantung pada paduan, parameter proses, geometri, dan pemrosesan setelah cetak.

Kebutuhan untuk Pencetakan 3D Aluminium yang Lebih Baik

Suhu yang Jauh Lebih Ekstrem

Pada pengecoran aluminium konvensional, suhu tuang dan laju pendinginan bergantung pada paduan, cetakan, ukuran komponen, serta proses. Kisaran 690–725 °C dan 0,4–10 °C per detik hanyalah contoh kondisi, bukan batas universal.

Manufaktur aditif logam dapat menggunakan fusi hamparan serbuk dengan laser, yaitu serbuk disebarkan lalu dilelehkan secara selektif oleh laser (tautan menampilkan video).

Di dalam titik interaksi laser, suhu lokal dan laju pendinginan dapat sangat tinggi—dalam beberapa kondisi melampaui 10⁶ °C per detik. Angka pastinya tidak seragam dan sulit disamakan dengan suhu rata-rata seluruh kolam leleh.

Gradien suhu dan pembekuan cepat dapat memperbesar tegangan sisa serta kerentanan retak pada paduan aluminium berkekuatan tinggi, sehingga komposisi serbuk dan parameter proses harus dikendalikan.

“Paduan aluminium berkekuatan tinggi sangat sulit dicetak. Paduan ini cenderung mengalami retak sehingga hasilnya tidak dapat digunakan.”

Fan Zhang — fisikawan NIST

Janji Aluminium Cetak 3D

Walaupun masih sulit, pencetakan 3D aluminium menjanjikan karena dapat menghasilkan saluran internal dan geometri rumit yang sulit dibuat dengan pengecoran, penempaan, atau pemesinan biasa.

Komponen mesin roket dan nozel bahan bakar dapat dikonsolidasikan dari banyak bagian menjadi lebih sedikit bagian melalui manufaktur aditif. Manfaat berat, kinerja, biaya, dan keandalannya harus dibuktikan untuk setiap desain.

Pada 2017, peneliti HRL Laboratories menunjukkan bahwa penambahan nanopartikel berbasis zirkonium ke serbuk aluminium dapat mendorong nukleasi butir halus dan menekan retak pada paduan tertentu. Hasil tersebut tidak berarti semua campuran aluminium-zirkonium otomatis dapat dicetak tanpa cacat.

Sumber: Journal of Alloys and Compounds

Mekanisme atom yang menyertai penguatan dan pembentukan fase metastabil pada paduan ini kemudian diteliti lebih rinci.

“Agar logam baru ini cukup dipercaya untuk komponen penting seperti bagian pesawat militer, kita memerlukan pemahaman mendalam tentang susunan atomnya.”

Fan Zhang — fisikawan NIST

Menemukan dan Membuat Kuasikristal

Para peneliti menggunakan mikroskop elektron dan difraksi untuk memeriksa struktur pada skala sangat kecil. Mereka menemukan pola dengan simetri rotasi lima, tiga, dan dua lipatan yang konsisten dengan fase kuasikristal ikosahedral, bukan kristal periodik biasa dalam paduan aluminium.

“Saat itulah saya mulai antusias, karena saya menduga sedang melihat sebuah kuasikristal.”

Andrew Iams, insinyur riset material di NIST

Di samping butir halus paduan aluminium-zirkonium, tim mengamati kuasikristal ikosahedral, dengan simetri yang dapat digambarkan seperti dadu 20 sisi.

Sumber: Math Stack Exchange

Fase kuasikristal diperkirakan membantu proses nukleasi dan pembentukan mikrostruktur berbutir halus. Butir yang lebih halus dapat menghambat perambatan retak dan meningkatkan kekuatan, tetapi kuasikristal bukan sekadar “cacat” dan tidak dengan sendirinya menjamin seluruh komponen bebas retak.

Sumber: Journal of Alloys and Compounds

Simulasi komputer membantu menafsirkan jalur pembentukan kuasikristal. Hasilnya menunjukkan adanya fase sekunder metastabil selama pendinginan yang dapat mendukung pembentukan fase tersebut.

Struktur yang berawal di sekitar inti kuasikristal dapat memengaruhi pertumbuhan dan orientasi butir di sekitarnya. Hubungan sebab-akibat dengan kekuatan, ketangguhan, kelelahan, serta ketahanan retak tetap perlu diuji pada spesimen dan komponen yang lebih beragam.

Sumber: NIST

Pengembangan Masa Depan

Dalam pengujian awal, paduan aluminium cetak 3D ini menunjukkan kekerasan yang sebanding dengan AA7075 pada kondisi penuaan puncak. Kekerasan bukan pengganti data lengkap mengenai kekuatan tarik, keuletan, ketangguhan, kelelahan, korosi, dan konsistensi produksi untuk penggunaan pesawat.

Pengujian awal menunjukkan bahwa perlakuan panas pengerasan presipitasi mungkin meningkatkan kekerasan lebih lanjut, tetapi manfaat dan komprominya masih harus dibuktikan secara eksperimental.

Temuan ini memberi kerangka untuk mengendalikan pembentukan fase metastabil selama manufaktur aditif. Langkah berikutnya mencakup optimasi komposisi dan proses, pengujian mekanis menyeluruh, reproduktibilitas antarmesin, inspeksi cacat, dan kualifikasi komponen.

Berinvestasi dalam Pencetakan 3D

Pencetakan 3D telah digunakan secara komersial di sejumlah ceruk, tetapi tingkat kematangan dan keuntungan ekonominya berbeda menurut bahan dan aplikasi. Konsolidasi industri tidak menjamin pertumbuhan, laba, atau keberhasilan setiap perusahaan.

Saham terkait pencetakan 3D tersedia melalui berbagai broker. Situs ini memiliki panduan broker untuk Amerika Serikat, Kanada, Australia, Inggris, dan negara lain. Ketersediaan sekuritas, biaya, dan perlindungan investor bergantung pada yurisdiksi.

Ide investasi lain tersedia dalam artikel “10 Saham Nanoteknologi Teratas”. Daftar tersebut merupakan bahan riset awal, bukan rekomendasi personal.

Investor yang tidak ingin memilih satu perusahaan dapat meneliti ETF seperti ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT). ETF tetap memiliki risiko pasar, konsentrasi, biaya, perubahan kepemilikan, dan kemungkinan rugi.

Contoh Inovatif

(Perusahaan lain dibahas dalam artikel “10 Saham Manufaktur Aditif dan Pencetakan 3D yang Patut Diamati”.)

Nano Dimension

Banyak perusahaan manufaktur aditif berfokus pada komponen logam dan polimer. Nano Dimension (NNDM ) berawal dari sistem elektronik cetak 3D, termasuk tinta konduktif dan dielektrik serta material keramik untuk prototipe dan komponen elektronik khusus.

Salah satu bidang terkait adalah pencetakan pada skala sangat kecil, yang dibahas dalam “Pencetakan 3D Skala Nano Mendekati Komersialisasi”.

Nano Dimension berkembang melalui penelitian internal dan sejumlah akuisisi. Strategi tersebut memperluas portofolio tetapi juga menambah risiko integrasi, biaya, dilusi, dan kebutuhan modal.

Sumber: Nano Dimensions

Akuisisi Desktop Metal diumumkan pada 2024 dan selesai pada 2025. Dokumen pengumuman menggambarkan kombinasi kemampuan elektronik, logam, keramik, dan peralatan industri, tetapi sinergi, skala, serta hasil keuangannya belum dijamin.

Perusahaan menyebut basis pelanggan yang mencakup SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, dan Medtronic. Hubungan pelanggan, nilai kontrak, serta pendapatan berulang tidak dapat disimpulkan hanya dari daftar nama tersebut.

Jejak geografis dan tim penjualan yang berbeda dapat membuka peluang lintas penjualan, tetapi penggabungan produk, organisasi, dan dukungan pelanggan juga dapat menimbulkan biaya dan gangguan.

Sumber: Nano Dimension

Perusahaan pernah mengklaim pengurangan penggunaan bahan, air, bahan kimia, dan emisi pada skenario tertentu. Persentase tersebut bukan hasil yang otomatis berlaku bagi seluruh mesin, bahan, atau siklus hidup produk dan tidak membuktikan kepemimpinan pasar.

Sumber: Nano Dimensions

Portofolio gabungan dapat memperoleh manfaat jika permintaan manufaktur aditif bertumbuh atau material aluminium baru dikomersialkan. Namun penelitian kuasikristal ini tidak membuktikan bahwa Nano Dimension memiliki hak eksklusif, produk terkait, atau pendapatan masa depan darinya.

Investor perlu memperhatikan bahwa Nano Dimension dan Desktop Metal sama-sama memiliki riwayat arus kas negatif sebelum akuisisi. Prospek perusahaan gabungan bergantung pada kas, pengendalian biaya, integrasi, permintaan, margin, tata kelola, serta kemampuan mencapai profitabilitas; semuanya mengandung ketidakpastian besar.

Terbaru tentang Nano Dimension

Studi yang Dirujuk:

^{1. Andrew D. Iams et al. (2025). Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 April 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281}