Teknologi manufaktur aditif laser (AM), dengan keunggulan akurasi manufaktur yang tinggi, fleksibilitas yang kuat, dan otomatisasi tingkat tinggi, banyak digunakan dalam pembuatan komponen utama di berbagai bidang seperti otomotif, medis, dirgantara, dll. (seperti roket nozel bahan bakar, braket antena satelit, implan manusia, dll.). Teknologi ini dapat sangat meningkatkan kinerja kombinasi komponen cetakan melalui manufaktur struktur dan kinerja material yang terintegrasi. Saat ini, teknologi manufaktur aditif laser umumnya mengadopsi sinar Gaussian terfokus dengan distribusi energi pusat tinggi dan tepi rendah. Namun, hal ini sering kali menghasilkan gradien termal yang tinggi dalam lelehan, yang selanjutnya menyebabkan pembentukan pori-pori dan butiran kasar. Teknologi pembentukan sinar adalah metode baru untuk mengatasi masalah ini, yang meningkatkan efisiensi dan kualitas pencetakan dengan menyesuaikan distribusi energi sinar laser.
Dibandingkan dengan pengurangan tradisional dan manufaktur setara, teknologi manufaktur aditif logam memiliki keunggulan seperti waktu siklus produksi yang pendek, akurasi pemrosesan yang tinggi, tingkat pemanfaatan material yang tinggi, dan kinerja suku cadang yang baik secara keseluruhan. Oleh karena itu, teknologi manufaktur aditif logam banyak digunakan dalam industri seperti dirgantara, senjata dan peralatan, tenaga nuklir, biofarmasi, dan mobil. Berdasarkan prinsip penumpukan diskrit, pembuatan aditif logam menggunakan sumber energi (seperti laser, busur, atau berkas elektron) untuk melelehkan bubuk atau kawat, lalu menumpuknya lapis demi lapis untuk memproduksi komponen target. Teknologi ini memiliki keunggulan signifikan dalam memproduksi batch kecil, struktur kompleks, atau suku cadang yang dipersonalisasi. Bahan yang tidak dapat atau sulit diproses dengan teknik tradisional juga cocok untuk dibuat dengan metode manufaktur aditif. Karena keunggulan di atas, teknologi manufaktur aditif telah menarik perhatian luas dari para sarjana baik di dalam negeri maupun internasional. Dalam beberapa dekade terakhir, teknologi manufaktur aditif telah mengalami kemajuan pesat. Karena otomatisasi dan fleksibilitas peralatan manufaktur aditif laser, serta keunggulan komprehensif dari kepadatan energi laser yang tinggi dan akurasi pemrosesan yang tinggi, teknologi manufaktur aditif laser telah berkembang paling cepat di antara tiga teknologi manufaktur aditif logam yang disebutkan di atas.
Teknologi pembuatan aditif logam laser dapat dibagi lagi menjadi LPBF dan DED. Gambar 1 menunjukkan diagram skema khas proses LPBF dan DED. Proses LPBF, juga dikenal sebagai Selective Laser Melting (SLM), dapat memproduksi komponen logam kompleks dengan memindai sinar laser berenergi tinggi di sepanjang jalur tetap pada permukaan lapisan bubuk. Kemudian, bubuk tersebut meleleh dan mengeras lapis demi lapis. Proses DED terutama mencakup dua proses pencetakan: deposisi peleburan laser dan pembuatan aditif pengumpanan kawat laser. Kedua teknologi ini dapat secara langsung memproduksi dan memperbaiki komponen logam dengan memasukkan bubuk atau kawat logam secara bersamaan. Dibandingkan LPBF, DED memiliki produktivitas lebih tinggi dan area produksi lebih luas. Selain itu, metode ini juga dapat dengan mudah menyiapkan material komposit dan material yang dinilai secara fungsional. Namun, kualitas permukaan komponen yang dicetak dengan DED selalu buruk, dan pemrosesan selanjutnya diperlukan untuk meningkatkan akurasi dimensi komponen target.
Dalam proses pembuatan aditif laser saat ini, sinar Gaussian terfokus biasanya menjadi sumber energi. Namun, karena distribusi energinya yang unik (pusat tinggi, tepi rendah), hal ini kemungkinan besar akan menyebabkan gradien termal yang tinggi dan ketidakstabilan kumpulan lelehan. Menghasilkan kualitas pembentukan komponen cetakan yang buruk. Selain itu, jika suhu pusat kolam cair terlalu tinggi, akan menyebabkan unsur logam dengan titik leleh rendah menguap, yang selanjutnya memperburuk ketidakstabilan proses LBPF. Oleh karena itu, dengan peningkatan porositas, sifat mekanik dan umur kelelahan komponen cetakan berkurang secara signifikan. Distribusi energi sinar Gaussian yang tidak merata juga menyebabkan rendahnya efisiensi pemanfaatan energi laser dan pemborosan energi yang berlebihan. Untuk mencapai kualitas pencetakan yang lebih baik, para sarjana telah mulai mengeksplorasi kompensasi atas cacat berkas Gaussian dengan memodifikasi parameter proses seperti daya laser, kecepatan pemindaian, ketebalan lapisan bubuk, dan strategi pemindaian, untuk mengontrol kemungkinan masukan energi. Karena rentang waktu pemrosesan yang sangat sempit dari metode ini, keterbatasan fisik yang tetap membatasi kemungkinan pengoptimalan lebih lanjut. Misalnya, meningkatkan daya laser dan kecepatan pemindaian dapat mencapai efisiensi produksi yang tinggi, namun sering kali harus mengorbankan kualitas pencetakan. Dalam beberapa tahun terakhir, mengubah distribusi energi laser melalui strategi pembentukan sinar dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi produksi dan kualitas pencetakan, yang mungkin menjadi arah pengembangan teknologi manufaktur aditif laser di masa depan. Teknologi pembentukan berkas umumnya mengacu pada penyesuaian distribusi muka gelombang dari berkas masukan untuk mendapatkan distribusi intensitas dan karakteristik propagasi yang diinginkan. Penerapan teknologi beam shaping pada teknologi manufaktur aditif logam ditunjukkan pada Gambar 2.
Penerapan teknologi pembentukan sinar dalam pembuatan aditif laser
Kekurangan pencetakan sinar Gaussian tradisional
Dalam teknologi manufaktur aditif laser logam, distribusi energi sinar laser memiliki dampak yang signifikan terhadap kualitas komponen cetakan. Meskipun sinar Gaussian telah banyak digunakan dalam peralatan manufaktur aditif laser logam, sinar ini memiliki kelemahan serius seperti kualitas pencetakan yang tidak stabil, pemanfaatan energi yang rendah, dan jendela proses yang sempit dalam proses pembuatan aditif. Diantaranya, proses peleburan serbuk dan dinamika kumpulan lelehan selama proses aditif laser logam berkaitan erat dengan ketebalan lapisan serbuk. Karena adanya percikan bubuk dan zona erosi, ketebalan lapisan bubuk sebenarnya lebih tinggi dari perkiraan teoritis. Kedua, kolom uap menyebabkan percikan jet mundur utama. Uap logam bertabrakan dengan dinding belakang membentuk percikan, yang disemprotkan sepanjang dinding depan tegak lurus terhadap area cekung kolam cair (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3). Karena interaksi kompleks antara sinar laser dan percikan, percikan yang dikeluarkan dapat berdampak serius pada kualitas pencetakan lapisan bubuk berikutnya. Selain itu, pembentukan lubang kunci di kolam lelehan juga berdampak serius pada kualitas komponen cetakan. Pori-pori bagian dalam pada cetakan terutama disebabkan oleh lubang pengunci yang tidak stabil.
Mekanisme pembentukan cacat pada teknologi beam shaping
Teknologi pembentukan balok dapat mencapai peningkatan kinerja dalam beberapa dimensi secara bersamaan, berbeda dengan balok Gaussian yang meningkatkan kinerja dalam satu dimensi dengan mengorbankan dimensi lainnya. Teknologi pembentukan balok dapat secara akurat menyesuaikan distribusi suhu dan karakteristik aliran kolam lelehan. Dengan mengontrol distribusi energi laser, diperoleh kolam cair yang relatif stabil dengan gradien suhu yang kecil. Distribusi energi laser yang tepat bermanfaat untuk menekan porositas dan cacat sputtering, serta meningkatkan kualitas pencetakan laser pada bagian logam. Hal ini dapat mencapai berbagai peningkatan dalam efisiensi produksi dan pemanfaatan bubuk. Pada saat yang sama, teknologi pembentukan sinar memberi kita lebih banyak strategi pemrosesan, sehingga sangat membebaskan kebebasan desain proses, yang merupakan kemajuan revolusioner dalam teknologi manufaktur aditif laser.
Waktu posting: 28 Februari 2024
