Dari manufaktur subtraktif tradisional hingga manufaktur aditif yang muncul, fabrikasi logam dan metode pemrosesan yang berbeda memiliki dampak signifikan pada struktur material dan sifat mekanik produk akhir. Pengaruh metode manufaktur tradisional pada sifat mekanik logam telah diakui secara luas, tetapi hubungan antara proses manufaktur aditif dan karakteristik produk cukup kompleks dan merupakan topik penting dalam bidang penelitian.
Di antara banyak penelitian, dampak gangguan proses pencetakan 3D pada struktur mikro dan sifat-sifat suku cadang yang diproduksi dengan aditif logam adalah topik khusus. Proses manufaktur aditif bergantung pada pencetakan bahan lapis demi lapis secara terus menerus, dengan persyaratan peleburan dan pemadatan yang ketat. Ketika proses pencetakan terganggu, termodinamika yang mengontrol kekuatan ikatan dan pembentukan cacat di dalam lapisan terganggu. Interupsi dalam proses manufaktur aditif diperkirakan akan mempengaruhi ikatan antar lapisan, mengorbankan pengembangan struktur mikro yang seragam dan sifat mekanik dari bagian logam.
Bahkan tanpa mempertimbangkan gangguan proses, ada ruang yang jelas untuk perbaikan dalam pembuatan aditif logam dalam hal akurasi dimensi dan sifat material. Selama pencetakan 3D, kinetika pemadatan dan ikatan interlayer menentukan struktur butir dan sifat mekanik bagian, yang diatur oleh gradien termal, laju pendinginan, dan siklus termal. Meskipun proses fusi untuk pencetakan 3D sulit dikendalikan, faktor-faktor ini dapat dioptimalkan melalui deposisi dan kontrol termal yang berkelanjutan dan tidak terputus.
Namun, selama produksi pencetakan 3D, gangguan proses dapat terjadi karena kemungkinan kebutuhan untuk menanamkan elemen pemantauan (seperti sensor, aktuator, dan perangkat pemanen energi), mengisi bahan, mengubah jadwal produksi, dll. Selain itu, gangguan proses juga dapat terjadi karena pemadaman listrik dan kerusakan mesin. Ketika proses pencetakan terganggu, bagian yang dicetak akan mendingin secara bertahap, mengakibatkan munculnya cacat dan struktur mikro yang tidak homogen karena gangguan dalam siklus termal dan gradien termal yang tidak teratur. Akibatnya, sifat mekanik produk akhir dikompromikan. Kemungkinan cacat termasuk kurangnya fusi, keruntuhan lubang kunci, porositas, retak solidifikasi, retak solid-state, kekuatan ikatan interlaminar/permukaan yang buruk, pengikatan pengikat yang tidak lengkap, dll.
Dampak gangguan proses pada kinerja keseluruhan komponen pencetakan 3D
Untuk sebagian besar proses pencetakan 3D logam, gangguan proses muncul dengan warna yang terlihat pada sambungan, yang disebut "tanda proses". Di area yang terganggu dari sampel yang dipelajari, ada perubahan warna karena efek termal dan cacat pada bagian tersebut. Cacat yang terlihat dapat bertahan di sepanjang jalur gangguan proses dan diperkirakan berdampak negatif pada sifat mekanik sampel. Untuk memeriksa lebih lanjut sampel dan sampel irisan, eksperimen NDT dilakukan untuk mengevaluasi lebih lanjut potensi perubahan dalam struktur material dan sifat mekanik sebelum dan sesudah gangguan proses.
Para peneliti dari University of Jordan telah menyelidiki gangguan proses selama pembuatan aditif kawat busur. Mereka mengambil bagian 130x17x150mm sebagai objek penelitian dan menggunakan Ti-6Al-4V untuk pencetakan. Setelah 8 jam dan pencetakan, tinggi mencapai 120mm, pencetakan terhenti, dan proses pencetakan dilanjutkan setelah waktu mati berlangsung selama 6 jam. Selama waktu ini, bagian yang dicetak mendingin hingga suhu kamar.
Sampel yang dicetak oleh peneliti dapat dipotong untuk dianalisis
Variasi dalam sejarah termal bagian mungkin telah mempengaruhi pembentukan struktur butir. Perbedaan utama antara struktur mikro di daerah proses manufaktur normal dan terputus adalah ukuran butir. Sementara ukuran butir sampel cukup seragam dalam kondisi proses normal, sampel dari daerah di mana proses terganggu memiliki ukuran butir yang tidak seragam. Perbedaan tekstur dan ukuran butir dalam proses normal dan daerah proses terputus merupakan temuan utama dari evaluasi mikroskopis. Selain itu, karena interaksi kondisi lapisan yang diendapkan sebelumnya dan interaksi proses pengendapan baru, kondisi pemadatan (seperti bentuk kolam las dan laju pertumbuhan), gradien termal, dan laju pendinginan mungkin telah berubah, dan mekanisme generasi cacat juga akan terpengaruh.
Cacat yang terlihat pada jalur interupsi proses
Pengujian dengan spektroskopi ultrasonik resonansi mengungkapkan perubahan penting dalam integritas bagian; pengujian sifat nanomekanik menemukan pengurangan modulus Young dan nilai kekerasan di daerah di mana proses terganggu; Computed tomography sinar-X mengungkapkan jumlah cacat yang terdapat di daerah yang terganggu lebih banyak dan lebih besar ukurannya daripada daerah lain; redaman sinyal yang signifikan dan backscatter ditampilkan dalam sinyal ultrasound.
Gambar CT area di mana prosesnya terganggu
Pengujian sifat material menyimpulkan bahwa gangguan proses memiliki dampak signifikan pada material utama dan sifat mekanik bagian tersebut. Struktur butir, tekstur, dan tingkat cacat sampel yang dibuat pada atau setelah area yang terputus memang tampak berbeda dari sampel yang tidak mengalami gangguan proses atau dicetak sebelumnya. Secara khusus, kekuatan dan integritas bagian lebih rendah di wilayah yang terputus; dan ukuran dan distribusi cacat di wilayah yang terputus jauh lebih tinggi.
Gangguan proses menginspirasi pembuatan ulang dan perbaikan pencetakan 3D
Karena ukuran dan distribusi cacat seperti retakan dan porositas telah terbukti secara signifikan mengubah integritas struktural dan sifat material dari suku cadang yang diproduksi secara aditif, area gangguan dapat menjadi area kritis yang mempengaruhi keselamatan struktur secara keseluruhan. Ini sangat penting ketika mempertimbangkan beberapa jenis gangguan proses, terutama proses remanufaktur atau perbaikan menggunakan manufaktur aditif.
Untuk alasan ini, ketika komponen ini digunakan sebagai komponen penting dalam aplikasi kedirgantaraan, medis dan transportasi, proses jaminan kualitas komponen ini dapat dikenakan pengujian kualitas yang lebih ketat dan pengujian non-destruktif. Keparahan dan distribusi cacat di daerah interupsi proses dapat dikurangi dengan beberapa proses pra dan pasca fabrikasi. Memanaskan bagian ke suhu produksi sebelum memulai kembali proses setelah gangguan mengurangi efek kejutan termal dan stres, dan mengurangi perkembangan cacat dan retak. Dalam hal pasca-pemrosesan, beberapa solusi seperti proses perlakuan panas atau hot isostatic pressing (HIP) dapat membantu meningkatkan integritas dan kinerja bagian. Pertimbangan yang diusulkan ini harus diselidiki dalam studi masa depan untuk menentukan kesesuaian yang tepat dan dampak pada kualitas perakitan akhir.