Faktor-Faktor yang Mempengaruhi Kekasaran Permukaan pada Pencetakan 3D Logam

Kekasaran permukaan komponen cetakan 3D logam sangat bervariasi tergantung pada berbagai faktor, dan umumnya berkisar antara beberapa mikrometer dan beberapa puluh mikrometer. Tidak seperti komponen mesin tradisional, yang penyelesaian permukaannya sebagian besar merupakan fungsi geometri pahat dan parameter pemotongan, manufaktur aditif logam memperkenalkan serangkaian variabel yang jauh lebih luas - proses pencetakan itu sendiri, karakteristik fisik bahan yang dicetak, dan langkah-langkah pasca-pemrosesan yang diterapkan setelahnya, semuanya berinteraksi untuk menentukan kondisi permukaan akhir. Memahami kontribusi masing-masing faktor ini membantu menjelaskan mengapa dua bagian yang dicetak dari desain yang sama dapat menghasilkan kualitas permukaan yang sangat berbeda.

Penggabungan Lapisan Serbuk Laser (L-PBF). Ini adalah salah satu proses pencetakan 3D logam yang umum digunakan saat ini. Ia bekerja dengan menggunakan-laser berenergi tinggi untuk melelehkan bubuk logam, yang kemudian dibuat lapis demi lapis menjadi bentuk bagian akhir. Dalam kondisi ideal, kekasaran permukaan dengan proses ini dapat dikontrol hingga sekitar Ra 10–30μm. Misalnya, ketika mencetak komponen logam dengan struktur yang relatif sederhana menggunakan proses ini, tingkat kekasaran yang relatif rendah dapat dicapai setelah parameter dioptimalkan. Hal ini karena energi laser cukup terkonsentrasi, sehingga memungkinkan kontrol yang tepat terhadap bentuk dan ukuran kolam lelehan. Ketepatan ini berarti bubuk menyatu dan menumpuk lebih padat saat mengeras, sehingga membantu mengurangi kekasaran permukaan hingga tingkat tertentu. Sifat sinar laser yang sangat terfokus juga berarti bahwa masukan panas ke bubuk di sekitarnya yang tidak meleleh dapat diminimalkan, sehingga mengurangi jumlah bubuk yang disinter sebagian yang cenderung menempel pada tepi fitur cetakan dan berkontribusi pada hasil akhir yang lebih kasar.

Peleburan Berkas Elektron (EBM). Proses ini menggunakan berkas elektron untuk memindai dan melelehkan bubuk logam. Komponen yang dicetak menggunakan proses ini biasanya berada dalam kisaran kekasaran umum yang serupa, meskipun hasilnya dapat bervariasi tergantung pada karakteristik berkas elektron dan strategi pemindaian yang digunakan. Berkas elektron membawa energi tinggi dan menawarkan fokus yang sangat baik, memungkinkan peleburan dan pembentukan komponen dengan presisi tinggi. Dalam aplikasi yang persyaratan kualitas permukaannya sangat menuntut,-penyempurnaan parameter proses dapat menurunkan kekasaran hingga mendekati Ra 10μm atau bahkan lebih rendah. Perlu dicatat bahwa EBM biasanya dilakukan pada suhu ruang-bangunan yang tinggi dan dalam kondisi vakum, yang mengubah perilaku lapisan serbuk dibandingkan dengan proses berbasis laser - suhu yang tinggi mengurangi tekanan termal selama pembuatan, namun hal ini juga dapat menyebabkan lebih banyak partikel serbuk yang tersinter bersama-sama di sekitar kontur suatu bagian, yang merupakan salah satu alasan permukaan EBM terkadang menunjukkan karakter kekasaran yang sedikit berbeda dibandingkan permukaan L-PBF meskipun nilai kekasaran nominalnya adalah serupa.

Bahan logam yang berbeda. Titik leleh, viskositas, dan karakteristik fisik lainnya dari bahan tertentu secara langsung memengaruhi kemampuan mengalir dan perilaku-penyebaran bubuk selama proses pencetakan, yang selanjutnya memengaruhi kekasaran permukaan. Misalnya, paduan aluminium - yang memiliki titik leleh relatif rendah dan kemampuan mengalir yang baik - cenderung mengisi celah dan lebih mudah membentuk permukaan halus selama pencetakan, dan kekasarannya umumnya dapat mencapai kisaran Ra 15–25μm. Sebaliknya, beberapa logam dengan titik leleh lebih tinggi dan viskositas lebih besar, seperti superalloy bersuhu tinggi tertentu, mungkin tidak menyebar dan melebur dengan ideal selama proses pencetakan, dan kekasarannya mungkin agak lebih tinggi - biasanya pada kisaran Ra 20–35μm. Perbedaan ini penting dalam praktiknya: perancang suku cadang yang memilih antara paduan aluminium dan superalloy berbasis nikel untuk aplikasi tertentu tidak hanya mempertimbangkan sifat mekanik dan ketahanan suhu, namun juga secara implisit menerima permukaan dasar yang berbeda sebelum pemrosesan pasca apa pun diterapkan.

Komposisi paduan. Proporsi elemen yang berbeda dalam suatu paduan juga mempengaruhi kekasaran permukaan. Misalnya, paduan yang mengandung unsur mudah teroksidasi dalam jumlah lebih besar mungkin mengalami penurunan kualitas permukaan karena oksidasi yang terjadi selama proses pencetakan, yang pada gilirannya meningkatkan kekasaran. Efek ini sangat relevan untuk proses pencetakan 3D logam yang tidak beroperasi dalam lingkungan yang sepenuhnya inert atau vakum, di mana jejak paparan oksigen selama siklus peleburan setiap lapisan dapat terakumulasi menjadi efek terukur pada permukaan akhir selama pembangunan yang mungkin melibatkan ribuan lapisan individual.

Perawatan panas. Perlakuan panas yang tepat dapat menghilangkan tekanan internal dan memperbaiki struktur metalurgi suatu bagian, sehingga mengurangi kekasaran permukaan. Setelah perlakuan panas, permukaan suatu bagian mungkin menjadi lebih rata, dengan kekasaran berkurang beberapa mikrometer. Misalnya, anil bagian logam yang dicetak setelah dibuat membantu menghaluskan struktur butiran, membuat struktur mikro permukaan lebih seragam. Kekasaran dapat dikurangi dari sekitar Ra 20μm sebelum perawatan menjadi sekitar Ra 15μm setelahnya. Meskipun perlakuan panas sering kali diterapkan terutama untuk menghilangkan tegangan sisa dan meningkatkan sifat mekanis seperti keuletan, pengaruhnya terhadap kekasaran permukaan merupakan manfaat sekunder yang berguna - yang terkadang diabaikan oleh desainer saat merencanakan seluruh rangkaian pasca-pemrosesan suatu komponen, meskipun hal ini dapat sangat mengurangi jumlah penyelesaian mekanis yang diperlukan di tahap selanjutnya.

Pemrosesan mekanis. Mengurangi kekasaran secara signifikan dapat dicapai melalui metode pemrosesan mekanis seperti pengamplasan dan pemolesan. Pengamplasan menghilangkan tonjolan dan ketidaksempurnaan permukaan, sehingga meningkatkan kerataan permukaan secara keseluruhan. Pemolesan kemudian menghaluskan permukaan lebih lanjut, sehingga menurunkan kekasaran hingga beberapa mikrometer atau bahkan lebih rendah lagi. Misalnya, setelah pemolesan halus, kekasaran komponen cetakan 3D logam dapat mencapai di bawah Ra 5μm, sehingga memenuhi tuntutan aplikasi dengan persyaratan penyelesaian permukaan yang sangat tinggi, seperti komponen instrumen optik. Urutan penyelesaian akhir seperti ini - perlakuan panas untuk menstabilkan material, diikuti dengan pengamplasan untuk menghilangkan fitur permukaan kotor, diikuti dengan pemolesan untuk mencapai kualitas permukaan akhir - mencerminkan bagaimana pengurangan kekasaran dalam pembuatan aditif logam jarang dilakukan melalui satu langkah. Sebaliknya, hal ini biasanya melibatkan kombinasi perlakuan termal dan mekanis berlapis, yang masing-masing menangani skala ketidakteraturan permukaan yang berbeda, mulai dari penghilangan tegangan massal hingga kehalusan tingkat mikron.

Secara keseluruhan, ketiga kategori faktor - jenis proses, properti material, dan metode pasca-pemrosesan - berinteraksi dan tidak bertindak secara independen. Bagian yang dicetak melalui L-PBF dari paduan aluminium dengan viskositas rendah dengan parameter yang dioptimalkan dengan baik mungkin sudah mencapai kekasaran buatan yang relatif baik, sedangkan desain yang sama dicetak dari paduan super dengan viskositas tinggi melalui EBM mungkin dimulai dari garis dasar yang lebih kasar bahkan sebelum pemrosesan pasca apa pun diterapkan. Artinya, mencapai target penyelesaian permukaan untuk aplikasi tertentu bukan sekadar masalah menentukan langkah-pemrosesan di akhir alur kerja - tetapi memerlukan pertimbangan proses dan pilihan material sejak awal, karena keputusan hulu ini menetapkan landasan praktis dan batas atas apa yang dapat dicapai-pemrosesan secara realistis. Untuk aplikasi dengan persyaratan penyelesaian permukaan yang ketat, memahami bagaimana variabel-variabel ini berinteraksi memungkinkan para insinyur memilih kombinasi proses, material, dan metode penyelesaian yang tepat sejak awal, daripada mencoba mengkompensasi kondisi permukaan awal yang buruk melalui pemrosesan hilir yang ekstensif dan mahal.