Optimasi Proses Laser Powder Bed Fusion (LPBF) untuk Paduan Magnesium: Dari Kontrol Oksidasi Serbuk hingga Densitas dan Jendela Proses Tahan Api

Pendahuluan: Mengapa Manufaktur Aditif Paduan Magnesium Layak Diperhatikan

Paduan magnesium adalah material struktural dengan densitas terendah di antara logam rekayasa (1,74–1,83 g/cm³), dengan kekuatan spesifik yang mendekati paduan titanium. Material ini memiliki kebutuhan aplikasi yang jelas pada braket dirgantara, kendaraan energi baru, dan implan medis biodegradable. Namun, magnesium memiliki reaktivitas kimia yang sangat tinggi; pada proses peleburan dan pengecoran konvensional, material ini mudah teroksidasi, mudah terbakar, dan menghasilkan struktur produk yang relatif berpori. Laser powder bed fusion (LPBF/SLM) membentuk komponen lapis demi lapis dengan densitas energi tinggi dan pembekuan cepat, sehingga memungkinkan paduan magnesium dibuat menjadi struktur ringan bertopologi kompleks yang sulit dicapai dengan proses tradisional, dengan syarat dua tantangan utama dapat diatasi: oksidasi serbuk dan jendela proses yang sempit.

1. Nilai Aplikasi dan Tantangan Utama

Dengan mengambil contoh grade seperti AZ91D, WE43, dan ZK60, komponen aditif paduan magnesium dapat mencapai pengurangan bobot 30%–50% sambil tetap mempertahankan kekakuan yang memadai. Hambatan utama menuju produksi massal terletak pada dua aspek. Pertama, serbuk magnesium lebih mudah teroksidasi dibandingkan serbuk aluminium maupun titanium; peningkatan kadar oksigen akan langsung menurunkan densitas dan ketahanan korosi. Kedua, magnesium memiliki titik didih rendah (sekitar 1090°C) dan tekanan uap tinggi, sehingga sangat mudah mengalami percikan dan pembakaran di bawah aksi laser. Akibatnya, jendela prosesnya lebih sempit dibandingkan paduan titanium. Ini berarti mesin, atmosfer, dan parameter proses harus dirancang secara terpadu, bukan sekadar mengadopsi proses umum untuk serbuk logam.

2. Oksidasi Serbuk dan Kontrol Atmosfer Pelindung

Oksidasi serbuk magnesium di udara sudah dimulai sejak tahap pembuatan serbuk. Disarankan menggunakan atomisasi gas inert dengan perlindungan Ar untuk memproduksi serbuk, dengan kadar oksigen dikontrol di bawah 800 ppm dan kenaikan oksigen serbuk selama siklus pencetakan dibatasi dalam 200 ppm. Konsentrasi oksigen di ruang pembentukan sebaiknya dipertahankan di bawah 100 ppm, idealnya 50 ppm, dengan titik embun lebih rendah dari −40°C. Serbuk pasokan dan serbuk daur ulang perlu melalui proses pengayakan serta pengeringan vakum untuk mencegah penyerapan kelembapan yang dapat memicu pendidihan eksplosif pada kolam leleh laser. Dalam praktiknya, penurunan konsentrasi oksigen ruang dari 500 ppm menjadi 50 ppm dapat meningkatkan densitas AZ91D dari sekitar 96% menjadi lebih dari 99%.

3. Jendela Proses dan Optimasi Densitas

Paduan magnesium memiliki konduktivitas termal tinggi dan pembuangan panas yang intens, sehingga membutuhkan densitas energi volumetrik yang lebih tinggi dibandingkan serbuk titanium dengan ukuran partikel serupa. Untuk serbuk 30–45 μm dengan ketebalan lapisan 30 μm, densitas energi volumetrik dapat diatur pada 90–140 J/mm³, daya laser 150–250 W, kecepatan pemindaian 600–1000 mm/s, jarak pemindaian 0,08–0,12 mm, serta menggunakan strategi pemindaian zona papan catur atau garis dengan rotasi antar-lapisan 60°–67° untuk mengurangi akumulasi panas. Densitas energi yang terlalu tinggi dapat menyebabkan semburan uap magnesium dan pori gas, sedangkan energi yang terlalu rendah akan menimbulkan kurang lebur. Melalui kalibrasi loop tertutup berbasis morfologi kolam leleh dan CT sinar-X, porositas dapat distabilkan di bawah 0,5%.

4. Proses Tahan Api dan Pengendalian Cacat

Untuk mengurangi risiko percikan dan pembakaran, terdapat tiga pendekatan pengendalian yang dapat digunakan: menambahkan sedikit campuran gas aktif/inert ke dalam gas pelindung, misalnya gas campuran Ar dengan jejak fluor atau SF6, untuk mempasivasi permukaan kolam leleh; menggunakan modulasi laser pulsa pendek dengan duty cycle rendah untuk mengurangi masukan panas pada satu titik; serta menurunkan energi garis dan menerapkan penyangga tipe island pada area dinding tipis dan overhang. Jika terjadi balling, tindakan prioritas adalah meningkatkan kecepatan pemindaian atau menurunkan daya, serta memperketat rasio overlap, bukan menaikkan daya secara membabi buta. Untuk pascaproses, hot isostatic pressing atau HIP pada sekitar 400–450°C dan 100–150 MPa direkomendasikan guna menghilangkan mikropori lebih lanjut dan menstabilkan dimensi.

5. Skenario Aplikasi Umum

Saat ini, penerapan yang relatif matang terkonsentrasi pada tiga kategori: braket ringan dirgantara dan komponen struktur satelit, komponen pengurang bobot pada sistem daya dan sasis kendaraan energi baru, serta implan tulang biodegradable berbasis paduan magnesium tanah jarang seperti WE43. Untuk aplikasi medis, perlu diperhatikan kesesuaian antara laju pelepasan ion magnesium dan sifat mekanis. Biasanya diperlukan modifikasi permukaan, seperti micro-arc oxidation dan pelapisan, untuk mengatur periode degradasi.

Kesimpulan

Esensi manufaktur aditif LPBF untuk paduan magnesium adalah mengubah logam yang sangat reaktif menjadi material struktural yang dapat dikendalikan melalui kombinasi atmosfer sangat bersih, jendela energi yang presisi, dan proses tahan api. Bagi tim rekayasa, jalur paling stabil menuju produksi batch kecil adalah terlebih dahulu membangun pemantauan online oksigen/titik embun serta manajemen siklus serbuk, kemudian melakukan optimasi parameter secara loop tertutup berdasarkan densitas dan porositas.