Teknologi manufaktur aditif laser (AM), dengan keunggulan akurasi manufaktur yang tinggi, fleksibilitas yang kuat, dan tingkat otomatisasi yang tinggi, banyak digunakan dalam pembuatan komponen kunci di berbagai bidang seperti otomotif, medis, kedirgantaraan, dll. (seperti nosel bahan bakar roket, braket antena satelit, implan manusia, dll.). Teknologi ini dapat sangat meningkatkan kinerja kombinasi bagian yang dicetak melalui manufaktur terintegrasi dari struktur dan kinerja material. Saat ini, teknologi manufaktur aditif laser umumnya menggunakan berkas Gaussian terfokus dengan distribusi energi pusat yang tinggi dan tepi yang rendah. Namun, hal ini sering menghasilkan gradien termal yang tinggi dalam lelehan, yang menyebabkan pembentukan pori-pori dan butiran kasar selanjutnya. Teknologi pembentukan berkas adalah metode baru untuk mengatasi masalah ini, yang meningkatkan efisiensi dan kualitas pencetakan dengan menyesuaikan distribusi energi berkas laser.
Dibandingkan dengan metode manufaktur pengurangan dan ekuivalen tradisional, teknologi manufaktur aditif logam memiliki keunggulan seperti waktu siklus manufaktur yang singkat, akurasi pemrosesan yang tinggi, tingkat pemanfaatan material yang tinggi, dan kinerja keseluruhan komponen yang baik. Oleh karena itu, teknologi manufaktur aditif logam banyak digunakan di berbagai industri seperti kedirgantaraan, persenjataan dan peralatan, tenaga nuklir, biofarmasi, dan otomotif. Berdasarkan prinsip penumpukan diskrit, manufaktur aditif logam menggunakan sumber energi (seperti laser, busur, atau sinar elektron) untuk melelehkan bubuk atau kawat, lalu menumpuknya lapis demi lapis untuk menghasilkan komponen target. Teknologi ini memiliki keunggulan signifikan dalam memproduksi batch kecil, struktur kompleks, atau komponen yang dipersonalisasi. Material yang tidak dapat atau sulit diproses menggunakan teknik tradisional juga cocok untuk diproses menggunakan metode manufaktur aditif. Karena keunggulan tersebut, teknologi manufaktur aditif telah menarik perhatian luas dari para ahli baik di dalam maupun luar negeri. 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 manufaktur aditif logam laser dapat dibagi lagi menjadi LPBF dan DED. Gambar 1 menunjukkan diagram skematik tipikal dari 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 serbuk. Kemudian, serbuk meleleh dan mengeras lapis demi lapis. Proses DED terutama mencakup dua proses pencetakan: deposisi peleburan laser dan manufaktur aditif pengumpanan kawat laser. Kedua teknologi ini dapat langsung memproduksi dan memperbaiki bagian logam dengan mengumpankan serbuk atau kawat logam secara sinkron. Dibandingkan dengan LPBF, DED memiliki produktivitas yang lebih tinggi dan area manufaktur yang lebih besar. Selain itu, metode ini juga dapat dengan mudah menyiapkan material komposit dan material bertingkat fungsional. Namun, kualitas permukaan bagian yang dicetak oleh DED selalu buruk, dan pemrosesan selanjutnya diperlukan untuk meningkatkan akurasi dimensi komponen target.
Dalam proses manufaktur aditif laser saat ini, berkas Gaussian terfokus biasanya menjadi sumber energi. Namun, karena distribusi energinya yang unik (pusat tinggi, tepi rendah), hal ini cenderung menyebabkan gradien termal yang tinggi dan ketidakstabilan kolam lelehan. Akibatnya, kualitas pembentukan bagian yang dicetak menjadi buruk. Selain itu, jika suhu pusat kolam lelehan terlalu tinggi, hal itu 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 bagian yang dicetak berkurang secara signifikan. Distribusi energi yang tidak merata dari berkas Gaussian juga menyebabkan efisiensi pemanfaatan energi laser yang rendah dan pemborosan energi yang berlebihan. Untuk mencapai kualitas pencetakan yang lebih baik, para peneliti telah mulai mengeksplorasi kompensasi terhadap kekurangan berkas Gaussian dengan memodifikasi parameter proses seperti daya laser, kecepatan pemindaian, ketebalan lapisan bubuk, dan strategi pemindaian, untuk mengontrol kemungkinan masukan energi. Karena jendela pemrosesan yang sangat sempit dari metode ini, keterbatasan fisik yang tetap membatasi kemungkinan optimasi lebih lanjut. Sebagai contoh, peningkatan daya laser dan kecepatan pemindaian dapat mencapai efisiensi manufaktur yang tinggi, tetapi seringkali mengorbankan kualitas pencetakan. Dalam beberapa tahun terakhir, perubahan distribusi energi laser melalui strategi pembentukan berkas dapat secara signifikan meningkatkan efisiensi manufaktur 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 berkas masukan untuk mendapatkan distribusi intensitas dan karakteristik perambatan yang diinginkan. Penerapan teknologi pembentukan berkas dalam teknologi manufaktur aditif logam ditunjukkan pada Gambar 2.
Penerapan teknologi pembentukan berkas cahaya dalam manufaktur aditif laser
Kekurangan dari pencetakan berkas Gaussian tradisional
Dalam teknologi manufaktur aditif laser logam, distribusi energi sinar laser memiliki dampak signifikan pada kualitas bagian yang dicetak. Meskipun sinar Gaussian telah banyak digunakan dalam peralatan manufaktur aditif laser logam, sinar ini memiliki beberapa kekurangan serius seperti kualitas pencetakan yang tidak stabil, pemanfaatan energi yang rendah, dan jendela proses yang sempit dalam proses manufaktur aditif. Di antaranya, proses peleburan bubuk dan dinamika kolam lelehan selama proses aditif laser logam sangat berkaitan dengan ketebalan lapisan bubuk. Karena adanya percikan bubuk dan zona erosi, ketebalan lapisan bubuk sebenarnya lebih tinggi daripada perkiraan teoritis. Kedua, kolom uap menyebabkan percikan jet balik utama. Uap logam bertabrakan dengan dinding belakang untuk membentuk percikan, yang disemprotkan di sepanjang dinding depan tegak lurus terhadap area cekung kolam lelehan (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3). Karena interaksi yang kompleks antara sinar laser dan percikan, percikan yang dikeluarkan dapat sangat memengaruhi kualitas pencetakan lapisan bubuk berikutnya. Selain itu, pembentukan lubang kunci di kolam lelehan juga sangat memengaruhi kualitas bagian yang dicetak. Pori-pori internal pada bagian yang dicetak terutama disebabkan oleh lubang pengunci yang tidak stabil.
Mekanisme pembentukan cacat pada teknologi pembentukan berkas cahaya
Teknologi pembentukan berkas (beam shaping) dapat mencapai peningkatan kinerja dalam berbagai dimensi secara bersamaan, yang berbeda dari berkas Gaussian yang meningkatkan kinerja dalam satu dimensi dengan mengorbankan dimensi lainnya. Teknologi pembentukan berkas dapat secara akurat menyesuaikan distribusi suhu dan karakteristik aliran kolam lelehan. Dengan mengontrol distribusi energi laser, diperoleh kolam lelehan 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 berkas memberi kita lebih banyak strategi pemrosesan, sangat membebaskan kebebasan desain proses, yang merupakan kemajuan revolusioner dalam teknologi manufaktur aditif laser.
Waktu posting: 28 Februari 2024
