Fusi Serbuk Laser pada Tempat Cetak 3D Baru Saja Menjadi Lebih Menarik dengan Terobosan Terbaru Ini

Teknologi Mana yang Akan Mendominasi Pencetakan 3D?

Seiring pencetakan 3D, yang juga disebut manufaktur aditif, semakin menjadi komponen kunci dalam manufaktur lanjutan, penting untuk lebih mengoptimalkan prosesnya. Hal ini karena bagian dan komponen hasil pencetakan 3D biasanya digunakan dalam aplikasi yang sangat menuntut, seperti mesin otomotif, roket, peralatan militer, dll. Jadi dalam kondisi ini, kegagalan satu komponen dapat memicu efek domino yang katastrofik.

Ini adalah hal yang akan menjadi krusial dalam memungkinkan industri beralih dari konsolidasi saat ini menjadi proses manufaktur yang dominan dibandingkan metode lama yang melelehkan logam dalam cetakan dan mesin.

Salah satu teknik pencetakan 3D khususnya digunakan untuk manufaktur presisi: fusi serbuk laser pada tempat cetak.

Peneliti di University of Wisconsin-Madison dan Argonne National Laboratory baru-baru ini menganalisis proses ini dengan pencitraan sinar‑X canggih dan percaya mereka dapat secara dramatis mengurangi cacat yang terjadi selama manufaktur. Mereka mempublikasikan temuan mereka di International Journal of Machine Tools and Manufacture, dengan judul “Mengungkap Mekanisme Mitigasi Cacat Proses dalam Fusi Serbuk Laser melalui Berkas Berbentuk menggunakan Pencitraan Sinar‑X Kecepatan Tinggi¹”.

Fusi Serbuk Laser pada Tempat Cetak

Cara kerja pencetakan 3D dengan tempat serbuk adalah lapisan serbuk yang mengandung material yang digunakan untuk manufaktur aditif ditempatkan dalam sebuah wadah. Laser kemudian meleleh/menggabungkan serbuk di zona yang akan membentuk objek cetak 3D.

Lapisan serbuk baru kemudian ditempatkan di atasnya, dan bagian yang perlu dilelehkan serta ditambahkan ke objek kembali ditargetkan oleh laser. Jika dilakukan cukup lama, bentuk yang sangat kompleks dapat diproduksi, begitu pula objek berukuran relatif besar.

Sumber: ResearchGate

Anda dapat melihat fusi serbuk laser dalam aksi pada video ini, serta beberapa contoh apa yang dapat dibuat menggunakan teknik ini.

Fusi serbuk laser dapat digunakan untuk menghasilkan barang dari plastik, namun yang lebih penting, logam juga, termasuk titanium, baja, kobalt‑kromium, aluminium, dll.

Keuntungan metode ini adalah menghasilkan geometri yang sangat presisi, dengan toleransi +/- 0,2 mm, mirip dengan pencetakan injeksi logam. Metode ini juga sangat sedikit membuang material, karena serbuk yang tidak terpakai dapat dikumpulkan kembali dan digunakan ulang.

Bagian yang lebih besar dapat dicetak dengan cukup cepat dengan menggunakan beberapa laser sekaligus, biasanya pada desain printer 3D yang lebih canggih.

Perlu dicatat bahwa fusi serbuk laser merupakan istilah payung yang mencakup beberapa sub‑teknik berbeda:

• Selective Laser Melting (SLM) dan Direct Metal Laser Sintering (DMLS), keduanya merupakan proses bermerk yang menggunakan sistem laser untuk sepenuhnya melelehkan serbuk logam.
• Electron Beam Melting (EBM), mirip dengan SLM tetapi menggunakan berkas elektron dalam atmosfer inert atau ruang vakum.
• Selective Laser Sintering (SLS), menggunakan material polimer berbentuk serbuk di mana laser hanya menyinter partikel bersama‑sama dan tidak sepenuhnya melelehkan material.

Mencegah Kegagalan Pencetakan 3D

Secara teori, manufaktur aditif bagian logam setara dengan bagian yang dicetak tradisional. Dalam praktik, masalah dapat muncul, seperti pori‑pori, atau “ruang kosong,” permukaan kasar, dan percikan besar.

Masalah struktural semacam itu dapat menyebabkan bagian patah, yang tidak dapat diterima dalam aplikasi kritis.

“Karena kami memahami mekanisme dasarnya, kami dapat lebih cepat mengidentifikasi kondisi proses yang tepat untuk menghasilkan bagian berkualitas tinggi menggunakan berkas berbentuk cincin.”
Lianyi Chen – Associate professor of mechanical engineering at UW-Madison

Berkas Laser Berbentuk Cincin

Perubahan pertama yang dilakukan peneliti pada desain pencetakan 3D mereka adalah mengganti berkas laser biasa dengan berkas laser berbentuk cincin, yang disediakan oleh perusahaan laser bernama nLight, menciptakan laser semikonduktor.

Sumber: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Bentuk yang berbeda ini menciptakan sirkulasi logam cair yang lebih baik dalam kolam leleh secara keseluruhan serta gelombang yang lebih kecil pada permukaan objek yang baru dibuat. Percikan juga menjadi lebih kecil dan tidak menyebar sejauh itu.

Sumber: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Mencocokkan Model dan Pengamatan

Peneliti mengonfirmasi pengamatan ini dengan menggunakan fasilitas sinar‑X sinkrotron berenergi tinggi milik Argonne National Laboratory. Mereka menggunakannya untuk membuat snapshot berkecepatan tinggi dari proses pencetakan 3D, memungkinkan peneliti memeriksa apakah model matematis mereka mensimulasikan realitas dengan tepat.

Sumber: International Journal of Machine Tools and Manufacture

Pencetakan 3D Lebih Cepat

Peneliti juga berhasil membuat berkas berbentuk cincin menembus lebih dalam ke dalam serbuk tanpa menimbulkan lebih banyak ketidakstabilan. Hal ini menghasilkan lapisan yang lebih tebal tanpa melemahkan produk jadi.

Karena produksi pada akhirnya memerlukan lebih sedikit lapisan, hal ini mempercepat manufaktur dan meningkatkan produktivitas keseluruhan mesin.

Contoh Fusi Tempat Serbuk

Jenis pekerjaan ini jauh dari sekadar demonstrasi akademis. Ini dapat meningkatkan mesin fusi tempat serbuk yang sudah digunakan dalam industri. Contoh yang baik adalah di bidang aeronautika, dengan nosel bahan bakar pada mesin GE9X milik General Electric (GE.TO ), yang digunakan pada pesawat Boeing 777.

GE9X adalah mesin turbo‑fan terbesar yang diproduksi, dan nosel yang diproduksi secara aditif memiliki daya tahan lima kali lebih lama dibandingkan versi sebelumnya.

Perlu dicatat bahwa perkembangan semacam itu masih sangat baru, dengan desain GE9X disetujui oleh FAA hanya pada tahun 2020.

Bahkan proses fusi tempat serbuk yang lebih berkualitas, serta yang lebih cepat, dapat meningkatkan desain lebih lanjut sekaligus mengurangi biayanya.

Masa Depan Pencetakan 3D?

Menuju Dominasi Manufaktur Lanjutan

Kami sebelumnya telah membahas bagaimana Pencetakan 3D sedang mengkonsolidasikan diri ke masa depan manufaktur.

Hal ini benar dalam manufaktur lanjutan seperti implan biomedis atau aeronautika. Karena kualitas bagian yang diproduksi secara aditif terus meningkat, ini kemungkinan akan menjadi metode manufaktur yang dominan di industri‑industri yang menuntut tersebut.

Hal ini kemungkinan juga berlaku untuk robotika, manufaktur di orbit, atau bahkan pencetakan 3D holografik langsung di dalam tubuh kita.

Menuju Lebih Banyak Aplikasi

Perubahan lain akan terjadi ketika pencetakan 3D menjadi lebih murah.

Hal ini sebagian disebabkan oleh peningkatan pemanfaatan, karena semakin banyak printer 3D yang diproduksi akan menciptakan ekonomi skala dan menurunkan biaya mesin serta bahan bakunya.

Faktor lain adalah perbaikan teknologi. Teknologi dapat mengoptimalkan pemanfaatan bahan baku (mengurangi biaya operasional) atau menghasilkan bagian lebih cepat (mengurangi biaya capex).

Ini dapat mencakup lapisan yang lebih tebal dengan laser berbentuk cincin seperti dalam studi ini. Atau mungkin menggunakan 2 laser sekaligus. Dan bahkan elektronik cetak 3D untuk menambah bahan dan bagian cetak 3D.

Berinvestasi dalam Pencetakan 3D

Pencetakan 3D kini mencapai kematangan teknologi, serta konsolidasi pasar. Hal ini memberi investor sedikit lebih banyak visibilitas dibandingkan masa lalu dan menegaskan bahwa teknologi ini jauh dari sekadar tren sementara, melainkan akan tetap ada.

Anda dapat berinvestasi pada perusahaan terkait pencetakan 3D melalui banyak broker, dan Anda dapat menemukan rekomendasi kami untuk broker terbaik di AS, Kanada, Australia, Inggris, serta banyak negara lainnya.

Jika Anda tidak tertarik memilih perusahaan pencetakan 3D tertentu, Anda juga dapat mempertimbangkan ETF seperti ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) untuk memanfaatkan pertumbuhan sektor manufaktur aditif secara keseluruhan.

Atau lihat artikel kami “Top 10 Saham Manufaktur Aditif dan Pencetakan 3D yang Perlu Diperhatikan“, dan “Top 10 Saham Nanoteknologi“.

Perusahaan Laser Berbentuk Cincin

Sejauh ini, pemenang dalam teknologi pencetakan 3D kebanyakan adalah produsen printer 3D dan pengguna akhir. Pembuat komponen individual printer 3D lebih sulit untuk diinvestasikan, karena kebanyakan bergantung pada komponen yang relatif komodifikasi seperti laser standar.

Hal ini tidak berlaku pada inovasi yang dibahas di sini, dengan laser berbentuk cincin sebagai pengembangan baru yang mungkin telah menemukan aplikasi unggulan.

Para peneliti menggunakan laser yang diproduksi oleh nLight, lebih tepatnya laser serat continuous‑wave (CW) AFX1000.

Palet pengaturan berkas yang serbaguna memungkinkan pemrosesan semua logam tanpa kompromi. Dalam pemotongan, laser serat ini memberikan kualitas tepi mirip CO2 untuk logam tebal dan keunggulan kecepatan laser serat untuk logam tipis—semua dengan keandalan dan biaya kepemilikan yang rendah dari laser serat.

Laser ini dapat mengubah bentuk cincin untuk melakukan pencetakan 3D yang lebih halus atau kurang halus serta geometri kompleks.

Sumber: Trokut Solutions

Perusahaan tersebut melihat pendapatannya tumbuh secara stabil dari 2016‑2021, kemudian mengalami penurunan yang sebagian besar dipicu oleh penurunan penjualan di China. Hal ini kemungkinan terkait dengan meningkatnya ketegangan perdagangan antara China dan Barat, serta persaingan dari produsen laser domestik China.

Dengan saat ini 95% pelanggan berada di luar China, hal ini tidak mungkin terus memengaruhi perusahaan ke depan.

Sumber: nLight

Hasil campuran mencerminkan pergeseran ini, dengan penjualan industri menurun tajam pada 2024, sementara segmen mikro‑fabrikasi dan dirgantara berkembang pesat.

Sumber: Trokut Solutions

Penurunan penjualan baru‑baru ini menyebabkan arus kas dari operasi kembali ke wilayah negatif pada 2024. Namun, jika tren pertumbuhan dirgantara dan mikro‑fabrikasi/pencetakan 3D terus berlanjut, didorong oleh pertumbuhan umum sektor‑sektor ini dan keunggulan teknologi unik nLight, nLight seharusnya kembali menjadi menguntungkan.

Referensi Studi:

^{1. Yuan, J., Guo, Q., Clark, S. J., Escano, L. I., Nabaa, A., Qu, M., Huang, J., Li, Q., Román, A. J., Osswald, T. A., Fezzaa, K., & Chen, L. (2025). Mengungkap mekanisme mitigasi cacat proses dalam fusi serbuk laser melalui berkas berbentuk menggunakan pencitraan sinar‑X berkecepatan tinggi. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 204, 104232. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2024.104232}