Studi Terungkap Bagaimana Tinggi Lapisan Filament Berpengaruh Warna 3D Printed PLA

Bayangkan menggunakan printer 3D yang sama dengan bahan PLA yang identik, namun menghasilkan bagian dengan karakteristik kinerja yang sangat berbeda hanya dengan mengubah tinggi lapisan atau mengganti warna filamen. Fenomena yang membingungkan ini tidak jarang terjadi dalam aplikasi Fused Deposition Modeling (FDM). Artikel ini mengkaji bagaimana faktor-faktor yang tampaknya kecil ini—tinggi lapisan dan warna filamen—dapat secara signifikan memengaruhi sifat mekanik dan akurasi dimensi dari cetakan polylactic acid (PLA), memberikan wawasan untuk mengoptimalkan parameter pencetakan 3D.

Manufaktur Aditif (AM), yang umumnya dikenal sebagai pencetakan 3D, dengan cepat mengubah produksi industri. Dijuluki sebagai teknologi perbatasan dari "Revolusi Industri Keempat," prinsip utamanya melibatkan pembangunan objek tiga dimensi melalui deposisi material berturut-turut. Dibandingkan dengan metode manufaktur konvensional seperti permesinan atau pengecoran, pencetakan 3D menawarkan keunggulan yang berbeda:

• Efisiensi biaya dan waktu: Menghilangkan kebutuhan akan perkakas memungkinkan produksi bagian langsung dari model CAD, secara signifikan mengurangi biaya dan waktu tunggu.
• Kompleksitas geometris: Memfasilitasi fabrikasi desain rumit yang tidak dapat dicapai melalui metode tradisional.
• Pembuatan prototipe cepat ke produksi: Berpindah dengan mulus dari validasi konsep ke manufaktur produk akhir.
• Konservasi material: Membangun komponen lapis demi lapis, meminimalkan limbah material.

Manfaat ini telah mendorong adopsi luas di berbagai sektor industri, pendidikan, medis, dan konsumen, dengan proyeksi pasar yang menunjukkan pertumbuhan berkelanjutan.

Di antara berbagai teknik pencetakan 3D, FDM menonjol karena keterjangkauan dan kesederhanaan operasionalnya. Proses ini memasukkan filamen termoplastik melalui nosel yang dipanaskan, mengendapkan material cair dalam lapisan yang tepat untuk membentuk objek tiga dimensi. PLA tetap menjadi bahan FDM yang paling umum karena titik lelehnya yang rendah, kemudahan pencetakan, toksisitas minimal, dan asal-usul yang dapat diperbarui. Tersedia dalam berbagai warna, PLA melayani berbagai aplikasi.

Saat pencetakan 3D beralih dari pembuatan prototipe ke manufaktur, optimasi parameter menjadi sangat penting. Kualitas produk akhir—yang mencakup akurasi dimensi, deformasi, penyimpangan massa, porositas, dan tekstur permukaan—bergantung pada banyak variabel proses yang saling terkait. Tidak seperti manufaktur konvensional, kekuatan bagian FDM ditentukan oleh struktur internal daripada sifat material massal.

Para peneliti telah menyelidiki berbagai parameter termasuk suhu cetak, suhu pelat bangunan, ketebalan lapisan, kecepatan cetak, orientasi, sudut raster, pola/kepadatan isian, kondisi penyimpanan, pasca-pemrosesan, dan penuaan. Namun, spesifikasi material (warna, diameter, produsen) dan variabel peralatan (lingkungan bangunan terbuka/tertutup) seringkali menerima perhatian yang tidak memadai dalam penelitian.

Tinggi lapisan—biasanya dibatasi hingga setengah diameter nosel—mewakili salah satu parameter FDM yang paling banyak dipelajari. Sementara peningkatan tinggi lapisan mengurangi waktu cetak, hal itu mengorbankan resolusi bagian. Pertukaran antara efisiensi produksi dan reproduksi detail ini memerlukan pertimbangan yang cermat.

Konsensus akademis mengenai pengaruh tinggi lapisan pada sifat mekanik tetap terbagi. Beberapa penelitian melaporkan efek minimal pada kekuatan bagian PLA, sementara yang lain mengidentifikasi tinggi lapisan sebagai faktor utama yang memengaruhi kekuatan tarik tertinggi (UTS). Temuan yang kontradiktif ada mengenai tren—sebagian besar peneliti mengamati peningkatan UTS dengan pengurangan tinggi lapisan, meskipun beberapa melaporkan hubungan terbalik atau rentang menengah yang optimal.

Perbedaan ini kemungkinan besar berasal dari variasi dalam kombinasi parameter yang menciptakan kondisi termal yang berbeda, diperparah oleh rentang tinggi lapisan yang luas (0,06mm hingga 0,6mm) di seluruh penelitian.

Penelitian yang mengkaji pengaruh warna pada sifat mekanik PLA di berbagai tinggi lapisan masih langka. Banyak penelitian yang menghilangkan warna spesimen sepenuhnya, yang mencerminkan asumsi konvensional tentang ketidakpentingannya. Produsen biasanya memberikan data material yang identik untuk semua warna PLA, namun aditif pigmen dapat mengubah perilaku termal—mempengaruhi adhesi antar lapisan dan pada akhirnya kinerja mekanik.

Bukti yang muncul menunjukkan variasi UTS hingga 31% antara sampel PLA berwarna yang dicetak secara identik. Namun, tidak ada penelitian yang ada yang secara komprehensif menganalisis interaksi warna dan tinggi lapisan pada UTS.

Penelitian ekstensif mengkonfirmasi dampak signifikan tinggi lapisan pada presisi bagian PLA. Dalam rentang 0,05mm hingga 0,5mm, sebagian besar penelitian menunjukkan akurasi dimensi yang unggul dengan tinggi lapisan yang berkurang, meskipun penyimpangan bervariasi di sepanjang sumbu X, Y, dan Z tergantung pada orientasi bangunan.

Satu penyelidikan penting mengkorelasikan kecepatan cetak (50-70mm/s) dan tinggi lapisan (0,10-0,20mm) dengan akurasi dimensi untuk bagian uji yang ditampilkan. Temuan menekankan interdependensi parameter-geometri, meskipun rentang tinggi lapisan yang sempit (0,10-0,20mm) mewakili tolok ukur presisi PLA yang khas.

Hanya dua penelitian yang secara eksplisit mengidentifikasi warna PLA yang memengaruhi akurasi dimensi, tidak satu pun yang mengkaji interaksi warna-tinggi lapisan. Satu menetapkan kombinasi warna-orientasi yang optimal (putih/abu-abu/hitam) untuk presisi, sementara yang lain (menggunakan sampel merah muda/abu-abu/hijau/transparan pada lapisan 0,5mm) mempelajari efek pigmen pada berbagai suhu. Sebagian besar penelitian tidak memiliki spesifikasi material lengkap ketika warna bukan variabel yang dikontrol.

Penelitian ini mengevaluasi bagaimana warna PLA memengaruhi hubungan antara tinggi lapisan dan kekuatan mekanik/akurasi dimensi dalam pencetakan FDM. Dengan mengisolasi warna (alami, hitam, merah, abu-abu) dan tinggi lapisan (0,05mm, 0,10mm, 0,15mm, 0,20mm) sebagai satu-satunya variabel sambil mempertahankan parameter pencetakan yang konsisten, penelitian ini bertujuan untuk mengklarifikasi interaksi kritis ini.