Teknologi 3D printing telah menjadi solusi revolusioner dalam dunia desain, manufaktur, dan rekayasa. Dengan kemampuan mencetak objek kompleks secara cepat dan ekonomis, banyak pelaku industri dan hobiis memanfaatkan teknologi ini untuk membuat prototipe hingga produk siap pakai.
Salah satu jenis teknologi 3D printing yang paling umum digunakan adalah FDM (Fused Deposition Modeling). Metode ini menggunakan filamen termoplastik yang dilelehkan dan disusun lapis demi lapis untuk membentuk objek. Meski terjangkau dan mudah digunakan, FDM memiliki tantangan tersendiri, khususnya dalam hal kekuatan mekanik—terutama karena sifat pencetakan berbasis lapisan yang tidak menyatu sekuat material padat.
Kelemahan Lapisan dalam Filamen
Dalam proses FDM, tiap lapisan material ditumpuk di atas lapisan sebelumnya. Ikatan antar-lapisan ini terbentuk karena fusi termal, bukan karena ikatan molekul yang sempurna. Akibatnya, struktur yang tercipta bersifat anisotropik—artinya, kekuatannya berbeda tergantung arah beban.
Kelemahan ini paling terasa pada arah sumbu Z (vertikal), karena gaya tarik atau geser yang bekerja tegak lurus terhadap lapisan dapat menyebabkan delaminasi atau patah. Hal ini sangat penting saat mencetak komponen fungsional yang harus menahan beban nyata, seperti baut, bracket, engsel, dan sebagainya.
Sebagai catatan, kelemahan ini tidak separah pada teknologi SLA (Stereolithography) atau DLP (Digital Light Processing), yang menggunakan resin cair yang mengeras secara kimiawi dengan cahaya UV. Lapisan-lapisan pada SLA lebih menyatu secara molekuler, sehingga kekuatan antar-lapisannya lebih baik. Namun, karena FDM masih menjadi pilihan utama untuk banyak aplikasi karena kemudahannya, efisiensinya, dan ketersediaan materialnya, topik ini tetap sangat relevan.
Bagaimana Mengatasinya?
Sumber Kelemahan Antar-Lapisan
Dalam FDM, lapisan termoplastik yang dilelehkan akan cepat mendingin. Jika pendinginan terlalu cepat, atau suhu nozzle tidak optimal, maka ikatan antar lapisan menjadi lemah. Permukaan kontak antar-lapisan tidak sepenuhnya menyatu, sehingga menciptakan potensi titik patah saat menerima beban.
Orientasi sebagai Strategi Penguatan
Mengatur orientasi objek saat pencetakan menjadi salah satu strategi paling efektif untuk mengatasi masalah ini. Dengan menyelaraskan arah lapisan terhadap arah beban utama, kekuatan objek dapat ditingkatkan secara signifikan.
Manfaat orientasi yang tepat:
- Meminimalisir gaya tegak lurus antar-lapisan.
- Mengurangi kebutuhan support.
- Mengoptimalkan hasil permukaan dan detail penting.
Contoh Kasus: Praktik Langsung di Mesin FDM
1. Mencetak Baut
Dalam desain dan fungsi tertentu, dibutuhkan ukuran dan bentuk spesifik dari baut. Namun, baut adalah komponen mekanis yang harus menahan gaya putar dan tarik secara langsung. Maka dari itu, terdapat beberapa cara untuk mencetak baut agar dapat menahan gaya dan berfungsi dengan baik.
a. Dicetak Vertikal
Dalam orientasi ini, baut ditempatkan tegak lurus terhadap alas printer, dengan kepala baut di bawah dan ulir menghadap ke atas. Ini adalah orientasi yang paling umum digunakan karena ulir dapat dicetak dengan detail presisi tinggi, tanpa support tambahan.
Namun, terdapat satu masalah besar, arah gaya putar baut saat digunakan akan tegak lurus terhadap lapisan. Karena lapisan di FDM tidak menyatu sekuat material padat, baut bisa patah di antara lapisan saat menerima torsi—terutama pada ulir bagian pangkal yang menahan beban terbesar.
b. Dicetak Datar (Horizontal)
Dalam orientasi ini, baut dibaringkan menyamping di atas meja cetak. Lapisan akan menyusun ulir sejajar dengan arah beban torsi, yang berarti baut akan jauh lebih kuat secara mekanis saat digunakan.
Namun, karena bentuk spiral ulir menyentuh alas, bagian bawah ulir akan memerlukan support material, yang sulit dibersihkan karena bentuk ulir yang spiral. Ini menyebabkan presisi ulir menurun dan baut jadi susah diputar, bahkan bisa macet.
c. Dicetak Terpisah
Langkah solutif dan paling optimal adalah membagi desain baut menjadi dua bagian datar. Kedua bagian kemudian dicetak 3D dalam orientasi horizontal, lalu disatukan dengan pengeleman atau mekanisme pengunci setelah pencetakan. Dengan cara ini, seluruh ulir dapat dicetak tanpa support, kekuatan tetap tinggi karena beban searah lapisan, dan kualitas ulir tetap terjaga.
2. Mencetak Bracket L
Bracket berbentuk L adalah komponen yang sering digunakan untuk menopang barang tertentu. Bracket yang akan dicetak dengan 3D printer harus cukup kuat untuk menahan beban yang ditarik dari dua arah berbeda.
a. Dicetak Berdiri
Dalam orientasi ini, salah satu sisi bracket diletakkan sebagai alas datar, dan sisi lainnya disusun secara vertikal selama pencetakan. Ini adalah pendekatan yang paling mudah dan hemat support.
Namun, bagian vertikal dari bracket sekarang terbentuk dari lapisan tipis yang tersusun ke atas. Ketika beban diterapkan secara lateral (misalnya bracket menahan rak), gaya akan menarik sisi ini tegak lurus terhadap arah lapisan, membuatnya sangat rentan patah atau delaminasi.
b. Dicetak Menyamping
Dalam orientasi ini, bentuk L dari bracket dirotasi sehingga bagian L menghadap ke samping, sejajar dengan meja cetak. Sekarang, lapisan menyelimuti keseluruhan bentuk, membentuk jalur yang menguatkan kedua sisi secara simultan.
Meskipun diperlukan lebih banyak support (terutama di bagian atas lengkungan L), hasil akhirnya adalah peningkatan kekuatan struktural yang signifikan, karena gaya tarik dan tekan akan menyebar sepanjang lapisan, bukan melawan arah lapisan.
Kesimpulan
Dalam pencetakan 3D berbasis FDM, orientasi pencetakan sangat memengaruhi kekuatan akhir objek. Karena kelemahan alami antar-lapisan pada teknologi ini, penting untuk:
- Menyusun lapisan sejajar dengan arah beban utama.
- Menghindari orientasi yang membuat bagian penting berada tegak lurus terhadap lapisan.
- Memodifikasi desain (misal: pecah bagian) agar bisa dicetak dalam posisi optimal.
Meski teknologi lain seperti SLA atau SLS menawarkan kekuatan antar-lapisan yang lebih baik, FDM tetap menjadi pilihan utama bagi banyak pengguna. Maka dari itu, memahami dan mengoptimalkan orientasi cetak adalah kunci mencetak objek fungsional yang kuat, presisi, dan tahan lama.
