Pelajaran 8.4MembentukBab 8 · Manufaktur aditif

Laser powder bed fusion (logam, SLM/DMLS)

Laser melelehkan lapisan tipis serbuk logam (powder bed fusion)

Laser powder bed fusion (LPBF) melelehkan serbuk logam halus dengan laser, satu lapisan tipis pada satu waktu, untuk membangun komponen logam yang benar-benar padat. Pembuat mesin menyebutnya SLM (selective laser melting) atau DMLS (direct metal laser sintering). Teknik ini penting karena membuat bentuk logam yang tidak bisa dibuat perkakas potong atau cetakan, seperti komponen mesin roket dengan saluran pendingin di dalamnya.

Foto: Matti Blume, CC BY-SA 4.0, melalui Wikimedia Commons

Ruang metal powder bed fusion dalam penampang: aliran argon, laser, bilah, penyangga, dan pelat cetakAngka dalam lingkaran sesuai dengan langkah-langkah di bawah; langkah 3 sampai 5 berulang ribuan kali.

Cara kerjanya

Iris dan tambahkan penyangga. Perangkat lunak mengiris model menjadi lapisan sangat tipis dan menambahkan penyangga (batang logam tipis). Penyangga menjangkar overhang ke pelat cetak dan menarik panas agar komponen tidak melengkung.
Isi dengan argon. Ruang disegel dan dibilas dengan argon atau nitrogen, gas inert yang mencegah logam panas teroksidasi. Aliran gas stabil menyapu asap dan spatter (tetesan panas kecil) dari jalur laser.
Sebarkan satu lapisan. Piston suplai naik, dan bilah recoater menyebarkan serbuk logam di atas pelat cetak, biasanya setebal 0,02–0,06 mm.
Lelehkan irisan. Laser serat, biasanya 200–1.000 W, menelusuri irisan. Laser melelehkan serbuk menjadi kolam lelehan kecil yang membeku hampir seketika, menyatu dengan lapisan di bawahnya.
Turunkan dan ulangi. Pelat cetak turun satu lapisan dan siklus berulang, sering ribuan kali selama satu hari atau lebih.
Selesaikan komponen. Saat masih di pelat, komponen mendapat perlakuan panas pelepas tegangan (pemanasan lambat yang melonggarkan tegangan terkunci). Lalu dipotong lepas, penyangga dibuang, dan banyak yang lanjut ke HIP (hot isostatic pressing, pelajaran 9.3) dan permesinan.

Fakta kunci

Material: Paduan titanium (Ti-6Al-4V), baja tahan karat dan baja perkakas, superalloy nikel (Inconel), aluminium (AlSi10Mg), kobalt-krom, paduan tembaga
Komponen khas: Injektor mesin roket, komponen turbin dan sistem bahan bakar, implan medis, mahkota gigi, cetakan dengan saluran pendingin, penukar panas
Ukuran komponen: Biasanya 25–40 cm per sisi; mesin terbesar melampaui 1 m
Presisi: Sekitar ±0,1 mm saat dicetak; permukaan kritis dimesin setelahnya
Hasil permukaan: Doff dan sedikit kasar, seperti amplas halus; lebih kasar pada permukaan menghadap bawah; sering diblasting, dipoles, atau dimesin
Ukuran batch yang cocok: 1 hingga beberapa ribu komponen per tahun; terbaik jika setiap komponen rumit dan berharga
Biaya perkakas dan mesin: Tanpa perkakas; mesin berharga beberapa ratus ribu hingga beberapa juta dolar
Kecepatan: Lambat: pencetakan sering butuh satu hingga beberapa hari

Kekuatan dan batasan

Kekuatan

Bentuk yang mustahil dimesin atau dicor: saluran dalam, kisi, bentuk organik
Logam yang benar-benar padat, sebanding dengan logam cor atau tempa setelah perlakuan panas
Beberapa komponen digabung menjadi satu, menghemat perakitan dan bobot
Desain ringan dari topology optimization (perangkat lunak yang membuang material yang tidak perlu)

Batasan

Mesin, serbuk, dan pasca-pemrosesan yang sangat mahal
Butuh penyangga, yang harus dipotong atau dimesin lepas
Tegangan panas yang terkunci bisa melengkungkan komponen atau meretakkannya dari pelat
Lambat, dengan permukaan kasar yang sering butuh permesinan

Di mana dipakai

AntariksaInjektor mesin roket, ruang bakar, komponen turbopump
DirgantaraNosel bahan bakar mesin jet, braket, penukar panas
MedisCangkir pinggul dan implan tulang belakang dengan permukaan berpori, implan khusus
GigiMahkota, jembatan, dan rangka gigi tiruan dari kobalt-krom
PerkakasCetakan injeksi dengan pendinginan konformal (saluran yang mengikuti bentuk komponen)
MotorsportBraket ringan, upright, komponen knalpot dan hidrolik

Cara mengenalinya

Permukaan logam abu-abu doff dan agak berbutir, sering dengan garis lapisan samar.
Bekas kecil atau bagian kasar pada permukaan menghadap bawah, tempat penyangga dibuang.
Alas datar, sering dimesin, tempat komponen dipotong dari pelat cetak.
Bentuk organik, kisi, atau saluran dalam yang tidak bisa dibuat bor atau cetakan.

Bandingkan dengan

Selective laser sintering8.3gagasan powder-bed yang sama dengan nilon; tanpa penyangga, tetapi hanya komponen plastik.Binder jetting8.5merekatkan serbuk logam, bukan melelehkannya, lalu menyinternya di tungku; lebih murah per komponen, tetapi komponen menyusut.Directed energy deposition8.7mengumpankan serbuk atau kawat ke kolam lelehan laser; membangun atau memperbaiki komponen lebih besar, dengan detail lebih kasar.

Tonton

RAPID DIRECT · Alur kerja SLM lengkap, dijelaskan untuk pemula

Billy Wu · Rekaman close-up komponen sedang dibangun

3D Distributed · Mesin bekerja: laser, percikan, dan recoater

NASA's Marshall Space Flight Center · Komponen mesin roket cetak di NASA

Lihat foto asli

Wikipedia: Selective laser melting — skema proses dan foto komponen logam cetak
Pencarian foto Wikimedia Commons

Ingat

LPBF melelehkan serbuk logam dengan laser dalam gas inert, membangun komponen benar-benar padat lapis demi lapis.
Membuat komponen logam ringan dan rumit yang tidak bisa dibuat proses lain, tetapi lambat dan berbiaya tinggi.
Penyangga, perlakuan panas, pemotongan dari pelat, dan sering permesinan adalah bagian dari setiap pekerjaan.