Lompatan Selanjutnya dalam Pencetakan 3D adalah Menumbuhkan Logam Kuat

Para ilmuwan dari École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) telah menciptakan metode pencetakan 3D baru yang dapat mengubah hidrogel sederhana menjadi logam dan keramik berkinerja tinggi.

Mereka secara esensial menumbuhkan logam dengan memungkinkan banyak infus garam logam yang membentuk struktur yang sangat kuat dan padat tanpa porositas seperti metode sebelumnya. Hasil menunjukkan logam yang dibuat dengan teknik baru ini 20 kali lebih kuat dan memiliki penyusutan yang jauh lebih sedikit. 

Terobosan ini menjanjikan produksi yang efisien untuk perangkat energi, sensor, dan biomedis generasi berikutnya.

Mengapa Material Terarsitektur Membutuhkan Pencetakan 3D Logam yang Lebih Baik

Sebagai dasar manufaktur, konstruksi, teknik, dan teknologi, material secara langsung memengaruhi fungsionalitas, daya tahan, dan keamanan segala hal mulai dari bangunan hingga elektronik, transportasi, dan perawatan kesehatan. 

Hal ini membuat penting untuk menciptakan material baru atau meningkatkan yang sudah ada guna memenuhi kebutuhan spesifik, memecahkan masalah, dan mendorong kemajuan di berbagai industri.

Pendekatan inovatif dan krusial untuk mencapai ini adalah melalui desain material terarsitektur, proses yang meningkatkan sifat material dibandingkan dengan rekan sederhananya dengan merancang struktur internal pada berbagai skala.

Kelas material yang muncul ini memanfaatkan geometri struktural 3D untuk mengakses fungsionalitas dan sifat yang tidak dapat dicapai melalui optimasi komposisi dan/atau mikrostruktur saja.

Seiring pemahaman kita tentang hubungan arsitektur-sifat dan alat manufaktur berkembang, begitu pula pengembangan material nano- dan mikro-arsitektur 3D dengan sifat baru atau ditingkatkan, mulai dari perilaku mekanik ekstrem hingga sifat optik eksotis yang tidak dapat dicapai dengan material yang diproses secara tradisional. Dengan cara ini, material terarsitektur membantu memenuhi permintaan yang meningkat untuk perangkat berperforma tinggi dan memungkinkan teknologi kompleks.

Material ini saat ini difabrikasi menggunakan teknologi manufaktur aditif (AM) karena kemampuannya menghasilkan struktur 3D kompleks pada berbagai skala panjang. Di antara proses AM yang berbeda, vat photopolymerization (VP) banyak digunakan karena memungkinkan ukuran kecil dan kecepatan tinggi.

Dalam metode pencetakan 3D ini, resin yang peka cahaya ditempatkan ke dalam wadah, kemudian menggunakan laser atau cahaya UV, resin tersebut mengeras secara selektif menjadi bentuk yang diinginkan.

Proses ini, bagaimanapun, hanya dapat digunakan dengan polimer yang peka cahaya dan menghadapi tantangan dalam memproduksi material non-polimerik dengan metode ini. Dengan polimer yang memiliki sifat struktural dan fungsional terbatas, hal ini membatasi kasus penggunaan perangkat yang dicetak dengan VP.

Sebagai hasilnya, para ilmuwan mengembangkan metode untuk memungkinkan VP pada material non-fotokuratif seperti logam dan keramik. Ini termasuk penggunaan fotoresin hibrida (menggabungkan komponen anorganik dan organik) atau slurry foto-sensitif, namun mereka menghadapi tantangan dengan penyebaran cahaya, viskositas, dan komposisi material yang terbatas.

Sebagai hasilnya, penggunaan larutan garam logam muncul sebagai pendekatan yang menjanjikan, yang serbaguna dan tersedia secara komersial. Namun pendekatan ini menghasilkan penyusutan signifikan, menyebabkan porositas, warping, dan kerusakan struktural.

Untuk mengatasi tantangan ini, peneliti EPFL mengembangkan metode serbaguna baru untuk memproduksi logam dan keramik terarsitektur yang padat dengan penyusutan linear konversi yang rendah. 

Apa yang mereka lakukan adalah menumbuhkan logam dalam hidrogel, yang menghasilkan konstruksi yang sangat padat namun rumit untuk teknologi canggih.

Hidrogel adalah material polimer yang sebagian besar terbuat dari air. Saat terhidrasi, mereka menjadi seperti jeli. Karena biokompatibel, mereka digunakan dalam berbagai aplikasi medis dan lainnya. Namun material ini mengalami stres mekanik berulang dan mudah terdeformasi. 

“Masalah dengan hidrogel yang ada adalah bahwa mereka dapat lemah secara mekanik dan sehingga perlu diperkuat,” kata Associate Professor Koichi Mayumi dari Institute for Solid State Physics (ISSP) di University of Tokyo, yang menciptakan¹ hidrogel yang menunjukkan ketangguhan seperti karet dan kemampuan pulih sambil mempertahankan fleksibilitas.

Sebuah studi terbaru², di sisi lain, menggunakan hidrogel untuk menunjukkan kemampuan material non-hidup menggunakan ‘memori’ untuk memperbarui pemahaman mereka tentang lingkungan. Mereka menunjukkan bahwa “memori muncul dalam hidrogel” dengan membuat hidrogel non-hidup (yang dapat merespons rangsangan listrik) bermain game Pong dan meningkatkan akurasi hingga 10% melalui latihan.

Sekarang, peneliti EPFL telah mengubah hidrogel lunak ini menjadi logam dan keramik yang sangat kuat menggunakan metode pencetakan 3D baru yang kuat.

Cara Baru untuk Mencetak Logam Kuat dengan 3D

Dengan metode pencetakan 3D lain yang dibuat untuk mengubah polimer yang dicetak menjadi material yang lebih kuat mengalami kemunduran struktural serius, “material ini cenderung berpori, yang secara signifikan mengurangi kekuatannya, dan bagian-bagiannya mengalami penyusutan berlebih, yang menyebabkan warping,” para peneliti telah menciptakan solusi unik untuk masalah tersebut.

Peneliti EPFL mempelopori metode pencetakan 3D yang disebut hydrogel infusion additive manufacturing (HIAM).

Dalam studi terbaru, dipublikasikan di Advanced Materials³, peneliti mencatat bahwa meskipun memiliki manfaat dalam hal fleksibilitas dan aksesibilitas, kegunaan metode baru ini dibatasi oleh penyusutan 50%-90% yang terjadi selama proses konversi polimer-ke-keramik, yang menyebabkan banyak porositas, retak, dan warping pada bagian akhir, yang sering membuatnya terlalu rapuh untuk penggunaan praktis. Oleh karena itu, mereka juga memanfaatkan strategi infus-precipitation setelah fabrikasi.

Alih-alih menggunakan cahaya untuk mengeras resin yang telah dipra-infus dengan prekursor logam, tim EPFL pertama-tama membangun kerangka 3D dari hidrogel.

Kemudian hidrogel ‘kosong’ diinfus dengan berbagai larutan garam logam sebelum diperlakukan secara termal untuk mengubahnya menjadi nanopartikel yang mengandung logam yang meresap ke dalam struktur. Dengan mengulang proses ini, komposit dengan konsentrasi logam yang sangat tinggi dapat dibuat.

Setelah lima hingga sepuluh siklus ‘pertumbuhan’ seperti itu, langkah akhir melibatkan pemanasan yang membakar sisa hidrogel. Ini meninggalkan produk akhir, yaitu objek keramik atau logam dalam bentuk polimer kosong asli yang sangat kuat dan padat. 

Infus garam logam ke dalam hidrogel hanya setelah fabrikasi berarti satu hidrogel dapat dimodifikasi menjadi banyak komposit, logam, atau keramik yang berbeda. 

Tidak hanya satu komposisi resin dapat digunakan untuk memproduksi hampir tak terbatasnya material non-polimerik, tetapi studi ini juga menyoroti paradigma baru AM di mana pemilihan material tidak terjadi sebelum tetapi setelah pencetakan 3D.

Jadi, teknik baru ini “memungkinkan fabrikasi logam dan keramik berkualitas tinggi dengan proses pencetakan 3D yang terjangkau dan mudah diakses,” kata Daryl Yee, kepala Laboratorium Kimia Material dan Manufaktur (ALCHEMY) di Sekolah Teknik EPFL. 

Fokus di ALCHEMY adalah mengintegrasikan ilmu material, desain molekuler, dan manufaktur canggih untuk menciptakan material fungsional maju yang dapat mengatasi tantangan sosial di bidang kesehatan, energi, dan perubahan iklim.  

Dengan metode mereka, tim EPFL berhasil memproduksi berbagai struktur logam dan keramik 3D yang rumit. Mereka menciptakan bentuk kisi matematika kompleks yang disebut gyroid dari tembaga, perak, dan besi.

Fabrikasi Fe₂O₃, SrFe₁₂O₁₉, Fe, Cu, dan Ag mencapai kepadatan mendekati 88–89% teoritis dan penyusutan 20–40% (tergantung komposisi), menunjukkan kemampuan teknik ini untuk menciptakan struktur kuat dan rumit. Mesin uji universal juga digunakan untuk mengukur kekuatan material dengan menerapkan tekanan meningkat pada gyroid.

“Material kami dapat menahan tekanan 20 kali lebih tinggi dibandingkan dengan yang diproduksi dengan metode sebelumnya, sambil hanya mengalami penyusutan 20% dibandingkan 60-90%.”

– Mahasiswa PhD dan penulis pertama Yiming Ji

Menurut para ilmuwan, teknik berbasis infus-precipitation yang baru dikembangkan ini menjanjikan untuk memproduksi material terarsitektur maju dan struktur 3D yang perlu sekaligus kompleks, ringan, dan kuat, seperti perangkat biomedis, sensor, atau perangkat untuk konversi dan penyimpanan energi. 

Dalam langkah selanjutnya, tim akan fokus pada peningkatan proses mereka, khususnya meningkatkan kepadatan material lebih lanjut, untuk komersialisasinya. 

Kecepatan juga menjadi tujuan. Meskipun infus berulang penting untuk menghasilkan material yang lebih kuat, langkah-langkah ini membuat metode menjadi memakan waktu. “Kami sudah bekerja untuk mengurangi total waktu proses dengan menggunakan robot untuk mengotomatisasi langkah-langkah ini,” kata Yee.
Geser untuk menggulir →

Ke Mana Additive Manufacturing Akan Menuju Selanjutnya?

Additive manufacturing adalah salah satu teknologi paling disruptif zaman kita, membangun objek 3D lapis demi lapis menggunakan desain digital dan berbagai material, seperti logam, plastik, dan beton.

Teknologi ini nyaman, serbaguna, dan mampu memproduksi struktur geometris rumit dengan cepat. Ia juga mengurangi limbah material, memungkinkan kustomisasi tinggi, dan meningkatkan performa perangkat fleksibel.

Ukuran pasar global AM diperkirakan sekitar $25 miliar pada 2025 dan diproyeksikan tumbuh melewati $125 miliar pada 2032. Sementara itu, total unit printer 3D yang dikirim secara global adalah 2,2 juta pada 2021 dan diperkirakan akan mencapai 21,5 juta unit pada akhir dekade ini.

Angka-angka ini mencerminkan adopsi teknologi yang meningkat, yang tidak terbatas hanya pada laboratorium. Teknologi ini semakin banyak digunakan untuk membangun rumah, sepatu, headset VR, material biodegradable yang dapat menyembuhkan diri⁴, dan masih banyak lagi.

Baru-baru ini, peneliti Empa melaporkan pengembangan implan kornea 3D-printed yang biokompatibel yang dapat memperbaiki kerusakan mata secara permanen. 

Dengan jutaan orang di seluruh dunia terkena kerusakan kornea, hanya persentase kecil yang dapat diobati dengan transplantasi kornea. Pengembangan implan yang dapat menempel sendiri dan disesuaikan berkat bioprinting ekstrusi 3D dapat mengubah total permainan.

Implan tersebut dibuat dari hidrogel biokompatibel, yang nantinya akan dimuat dengan sel punca manusia dari mata untuk mendukung regenerasi jaringan.

Sementara aplikasi AM terus berkembang, ilmuwan juga memecahkan beberapa tantangan teknis paling persisten dalam pencetakan 3D. Peneliti dari Oak Ridge National Laboratory (ORNL) menciptakan teknik ekstrusi berbantuan vakum⁵ yang dapat mengurangi porositas internal komponen polimer sebesar 75% sehingga mengatasi masalah yang menghambat additive manufacturing berskala besar (LFAM).

Porositas internal melemahkan bagian yang dicetak, dan menguranginya penting untuk meningkatkan kinerja keseluruhan.

Apa yang dilakukan peneliti adalah selama proses ekstrusi, mereka mengintegrasikan hopper vakum, yang menghilangkan gas terperangkap dan meminimalkan pembentukan rongga pada material berbasis serat yang umum pada LFAM untuk kekakuan serta ekspansi termal rendah, namun memiliki porositas intra-bead yang memengaruhi kualitasnya.

“Dengan menggunakan teknik inovatif ini, kami tidak hanya mengatasi masalah kritis porositas pada cetakan polimer berskala besar tetapi juga membuka jalan bagi komposit yang lebih kuat. Ini merupakan lompatan signifikan bagi industri LFAM.”

– Vipin Kumar dari ORNL

Sementara itu, peneliti di University of Colorado Boulder telah menciptakan perangkat lunak, OpenVCAD, untuk membantu mencapai desain yang lebih kompleks. Perangkat lunak sumber terbuka ini dapat menerapkan properti spesifik pada bagian tertentu dari struktur kisi, yang biasanya digunakan untuk kemampuan penyerapan benturan.

Alat desain multi-material berbasis kode pertama “memungkinkan pengguna mengubah satu variabel kecil dan melihat seluruh desain diperbarui dengan cara yang mudah,” kata pemimpin proyek Robert MacCurdy. Ia mengubah desain gradien rumit menjadi kode siap cetak untuk aplikasi teknik modern.

Selain meningkatkan kualitas material, inovator juga bekerja untuk membawa kekuatan fabrikasi ke dalam genggaman tangan. Sebuah makalah oleh peneliti UT Austin dan MIT mengeksplorasi penggunaan fotoni silikon dalam printer 3D berbasis chip⁶, di mana satu perangkat fotonik skala milimeter melakukan sebagian besar fungsi mekanik printer sambil menggantikan sumber cahaya. Printer yang dihasilkan jauh lebih sederhana dan hemat biaya.

Printer 3D saat ini bergantung pada sistem mekanik besar dan kompleks, yang membatasi kecepatan, portabilitas, resolusi, faktor bentuk, dan kompleksitas material. Sementara peneliti meneliti printer 3D yang berbasis fotokuring, mereka masih bergantung pada sistem mekanik yang besar dan kompleks. 

Jadi, studi terbaru menggabungkan fotoni silikon dan fotokimia untuk printer 3D berbasis chip pertama. Mereka menggunakan chip CMOS fotoni-silikon dalam ruang kecil, yang sekaligus memancarkan cahaya dan mengarahkannya, bersama dengan gelombang pandu kristal cair untuk bekerja dengan resin. 

Sistem ini adalah “sistem array fase optik terintegrasi cahaya tampak” yang berfungsi sebagai sistem polymerisasi vat pada chip, dengan gagasan akhir untuk membuat seluruh sistem muat dalam genggaman tangan.

Berinvestasi dalam Pencetakan 3D

Terkenal karena pencetakan tradisional, HP (HPQ ) telah secara agresif memasuki pasar pencetakan 3D dan memiliki skala, modal, serta infrastruktur untuk mengadopsi proses mutakhir seperti infus hidrogel.

Perusahaan ini pertama kali terjun ke manufaktur aditif lebih dari satu dekade yang lalu, dan sejak saat itu, ia meluncurkan beberapa sistem pencetakan 3D polimer dan memperkenalkan teknologi Metal Jet. Meskipun bukan pemain tertua dalam industri pencetakan 3D, HP telah bekerja untuk menjadi pemimpin pasar melalui inovasi dalam teknologi, material, dan kemitraan.

HP Inc. (HPQ )

Awal tahun ini, teknologi pencetakan 3D Multi Jet Fusion HP digunakan oleh Blazin Rodz untuk memproduksi lebih dari 75 bagian untuk mobil yang dibangun khusus. 

“Tidak mungkin kami dapat merancang dan merekayasa kendaraan seekstrem, sepresisi, dan dapat dikendarai seperti yang kami lakukan di Blazin Rodz – dalam kurang dari setahun – tanpa desain CAD dan pencetakan 3D. Pencetakan MJF HP adalah pengubah permainan untuk seluruh industri, dan kami berkomitmen menemukan aplikasi cerdas dan inovatif darinya dengan setiap bagian tanda tangan yang kami kembangkan dan setiap mobil khusus yang kami bangun ke depan.”

– Waylon Jeffrey, Kepala Desain & Rekayasa 3D di Blazin Rodz

Beberapa bulan lalu, perusahaan manufaktur drone seluler, Firestorm Labs, memperoleh hak distribusi eksklusif dari HP untuk teknologi pencetakan 3D Multi Jet Fusion selulernya guna memungkinkan produksi di lokasi dalam konteks medis, kemanusiaan, dan komersial.

HP adalah penyedia global komputer pribadi dan perangkat akses digital lainnya, dan beroperasi melalui tiga segmen utama.

Segmen Personal Systems menawarkan desktop komersial dan konsumen, notebook, workstation, sistem POS, tampilan, sistem hibrida, dan perangkat lunak; segmen Printing menawarkan perangkat keras printer konsumen dan komersial, bersama dengan grafis serta pencetakan 3D dan personalisasi di pasar komersial dan industri; dan segmen Corporate Investments mencakup proyek inkubasi bisnis dan investasi tertentu.

Dengan kapitalisasi pasar $25,5 miliar, saham HPQ saat ini diperdagangkan pada $27,22, turun 16,18% tahun ini sejauh ini. Rentang 52 minggu mereka adalah $21,21 hingga $39,80, sementara puncak tertinggi saham ini terjadi pertengahan 2022 ketika HPQ mencapai sekitar $41,50.

Perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar 2,75 dan P/E (TTM) sebesar 9,96. Dividen yang ditawarkan HP kepada pemegang sahamnya menarik sebesar 4,23%.

Mengenai posisi keuangan HP, perusahaan melaporkan pendapatan bersih $13,9 miliar, naik 3,1% dari periode tahun sebelumnya, untuk kuartal ketiga tahun fiskal 2025. 

Ini termasuk $4 miliar pendapatan dari bisnis Printing, yang turun 4% year-over-year (YoY) dengan margin operasional 17,3%. Pendapatan bersih dari Consumer Printing turun 8%, Commercial Printing turun 3%, dan Supplies turun 4%. Total unit perangkat keras, sementara itu, turun 9%, dengan unit Commercial Printing turun 12% dan unit Consumer Printing turun 8%.

Laba bersih per saham GAAP HP naik 23,1% menjadi $0,80, dan EPS bersih non-GAAP turun 10,7% menjadi $0,75.

“Pada Q3 kami mencatat kuartal kelima berturut-turut pertumbuhan pendapatan, didorong oleh kekuatan di Personal Systems dan momentum kuat di area pertumbuhan utama kami. Hasil ini menunjukkan kelincahan dan eksekusi terfokus kami pada kuartal ini, memperkuat kekuatan strategi kami, dan komitmen kami untuk menjadi pemimpin masa depan kerja.”

– CEO Enrique Lores

Selama kuartal ini, perusahaan melaporkan $1,7 miliar kas bersih dari aktivitas operasional sementara arus kas bebas sebesar $1,5 miliar. Ia juga mengembalikan $400 juta kepada pemegang saham melalui pembayaran dividen $0,2894 per saham dan pembelian kembali saham sebesar $150 juta. HP mengakhiri kuartal dengan $2,9 miliar dalam kas dan setara kas.

Klik di sini untuk daftar saham additive manufacturing & 3d printing teratas.

Berita dan Perkembangan Saham HP Inc. (HPQ) Terbaru

Bab Baru untuk Ilmu Material

Dengan pencetakan 3D, manufaktur telah memasuki era baru, memungkinkan prototipe cepat, pengembangan lebih cepat, fleksibilitas desain, penghematan biaya, dan perbaikan rantai pasokan.

Memanfaatkan teknologi ini dan menggabungkannya dengan infus hidrogel serta strategi infus-precipitasi, peneliti EPFL telah menghasilkan logam yang lebih kuat, mendefinisikan kembali kapan dan bagaimana identitas material ditentukan dalam rantai produksi. Lebih lagi, fleksibilitas yang ditawarkannya berpotensi transformatif bagi industri mulai dari energi hingga rekayasa biomedis.

Seiring metode ini matang, berskala, dan dikomersialisasikan, mereka dapat membuka lanskap industri baru di mana kekuatan tidak dibuat melainkan ditumbuhkan.

Referensi:

1. Liu, C., Morimoto, N., Jiang, L., Kawahara, S., Noritomi, T., Yokoyama, H., Mayumi, K., & Ito, K. (2021). Hidrogel kuat dengan penguatan diri yang cepat. Science, 372(6546), 1078–1081. https://doi.org/10.1126/science.aaz6694
2. Strong, V., Hayashi, Y., Ward, J., et al. (2024, August 23). Hidrogel polimer elektro-aktif menunjukkan memori emergen ketika tertanam dalam lingkungan yang digerakkan umpan balik, Cell Reports Physical Science, 5, Article 00436. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.00436
3. Ji, Y., Hong, Y., Bhandari, D. R., & Yee, D. W. (2025, September 24). Fotopolimerisasi vat berbasis hidrogel untuk keramik dan logam dengan penyusutan rendah melalui infus-precipitasi berulang. Advanced Materials. https://doi.org/10.1002/adma.202504951
4. Li, Y., Ma, G., Guo, F., Luo, C., Wu, H., Luo, X., Zhang, M., Wang, C., Jin, Q., & Long, Y. (2024, June 25). Material biodegradable yang dapat menyembuhkan diri dan dicetak 3D serta aplikasinya. Frontiers of Mechanical Engineering, 19, Article 17. https://doi.org/10.1007/s11465-024-0787-1
5. Mattingly, F., Kumar, V., Chawla, K., Bras, W., Kunc, V., & Duty, C. (2025, January). Ekstrusi berbantuan vakum untuk mengurangi porositas internal dalam manufaktur aditif berformat besar. Additive Manufacturing, 97, 104612. https://doi.org/10.1016/S2214-8604(24)00658-4
6. Corsetti, S., Notaros, M., Sneh, T., Stafford, A., Page, Z. A., & Notaros, J. (2024, June 6). Printer 3D berbasis chip yang didukung fotoni silikon, Light: Science & Applications, 13, Article 132. https://doi.org/10.1038/s41377-024-01478-2