RAPID PROTOTYPING (TEKNOLOGI PEMBUATAN MODEL PRODUK)

B. Nasrullah

Daftar Isi 1. Gambaran Umum Rapid Prototyping 2. Dasar-dasar Proses Rapid Prototyping 3. Jenis-jenis Rapid Prototyping a. Stereo Lithography (SLA) b. Laminated Object Manufacture (LOM) c. Selective Laser Sintering (SLS) d. Fused Deposition Modeling (FDM) e. Solid Ground Curing (SGC) f. 3-D Ink Jet Printing 4. Aplikasi Rapid Prototyping 5. Keuntungan penggunaan Rapid Prototyping 6. Contoh Mesin-mesin Rapid Prototyping dan spesifikasinya.

1. Gambaran UmumIstilah rapid prototyping (RP) mengacu pada salah satu teknologi yang dapat membuat model fisik secara otomatis dari data computer (CAD). "three dimensional printers" inilah yang digunakan perancang untuk mebuat dengan cepat prototype yang nyata dan terukur dari rancangan mereka yang tentu saja lebih baik dari gambar dua dimensi saja. Seperti model-model yang bayak dugunakan, perancang mebuat alat batu visualisi untuk mengkomunikasikan ide mereka dengan pembuat dan pelanggan. Dan prototipr juga bisa digunakan sebagai alat uji rancangan seperti yang banayak digunakan dalam bidang penerbangan. Rapid prototyping (RP) dapat juga dugunakan onutk membuat peralatan (mengacu pada istilah rapid tooling) dan juga komponen-komponen produksi (rapid manufacturing). Untuk produksi dalam jumlah kecil dan objek yang kompleks, rapid prototypingselalu merupakan pilhan yang terbaik. Istilah rapid (cepat) sebenarnya relative, kerena untuk sebagian besar prototype yang dubuat membutuhkan waktu sekitar 3 sampai 72 jam tergantung dari ukuran dan kompleksitas model. Hal ini kelihatannya lambat tetapi ini sudah jauh lebih cepat jika dibandingkan dengan metode konvensional yang menggunakan seperti pemesinan yang membutuhkan waktu berminggu-minggunbahkan bulanan. Pengehematan waktu yang sangat besar tentu saja sangat menguntungkan dan menurut Pratt & Whitney, dia dapat saving waktunya sekitar 70 sampai 90 % dalam pembuatan prototype dari produk tuangan mereka. Paling tidak ada 6 teknik dalam rapid prototyping (RP) yang tersedia dalam pasar saat ini yang masing masing meliki kelebihan. Karena teknologi rapid prototypingberkembang juga dalam aplikasi non-rapid prototyping , teknik-teknik ini seringkali juga disebut sebagai solid free-form fabrication, computer automated manufacturing, or layered manufacturing. Tentu saja rapid prototyping tidak sempurna. Volume komponen biasanya terbatas sampai 0,125m3 atau kurang, tergantung dari mesin rapid prototyping-nya. Prototipe logam baiasnya sulit dibuat sehingga masih sering dugunakan metode pembuatan konvensional. Terlepas dari keterbatasan ini, rapid prototyping merupakan teknkology yang luar biasa dan revolusioner dalam bidang proses produksi(manufaktur).

Gambar 1. The first working stereolithography system, invented by Chuck Hull. Photo by 3D Systems, circa 1986.

2. Dasar-dasar ProsesMeskipun beberapa teknik prototype telah ada, secara umum proses prototype terdiri dari 5 urutan proses yang sama yaitu: 1. Membuat moden dalam CAD 2. Mengubah model CAD kedalam model dengan format STL 3. Memotong (slice) file STL kedalam thin cross-sectional layers 4. Membuat model satu lapisan-lipsian puncak satu sama lain(one layer atop another) 5. Membersihkan dan menyelesaikan model. Membuat Model Dalam CAD Pertama-tama objek dibuat sebagai model dalam computer (CAD). Solid Modeler seperti CATIA, Pro/ENGINEER cenderung merepresentasikan model 3D dengan akurat dibandingkan dengan wire-frame modeler. Mengubah kedalam Format STL Beberapa jenis program CAD menggunakan alogaritma yang berbeda untuk merepresentasikan objek solid. Sehingga untuk membuat konsisten maka format STL (stereolithography, teknik pertama rapid prototyping) harus diadopsi kedalam standar industry rapid prototyping. Pemotongan (slice) file STL Dalam STL file, program mengidenstisikasi objek perlayer dalam sumbu Z. tetapi biasanya prototipe kurang akurasi dalam arah sumbu Z dibandingkan dengan arah dalam bidanh X dan Y, sehingga file dalam bentuk layer bisa dipotong(slice) sebagian sehingga dapat mengurangi waktu proses. Program dalalm file STl dapat diubah bentuk layernya dari 0,01 mm menjadi 0,7mm, tergantung dari teknik pembuatannya. Masing-masing produsen mesin rapid prototyping menyediakan software-softawre pemrosesnya.

Pembuatan dengan lapisan (layer) Tahap selanjutnya adalah pembuatan komponen (prototype) dengan lapisanlapisan (layer by layer) dari bahan polimer, kertas atau serbuk logam. Sebagian besar mesin bekerja secara otomatis.

Gambar 2: Contoh proses pembuatan dengan lapisan demi lapisan (layer by layer)

Pembersihan dan finishing Pada tahan akhir ini prototype dikeluarkan dari mesin aatu melepaskan dari komponen-komponen pendukungnya. Setelah itu biasanya diperlukan photosensitive agar produk bisa dugunakan dengan aman. Prototipe juga terkadang masih membutuhkan perbersihan dan perlakuan permukaan seperti Sanding, sealing and/or painting untuk memberikan tampilan yang baik dan ketahanan yang tinggi.

Gambar 3: Proses pengembangan produk dengan cara tradisonal dan Rapid Prototyping.

3 Teknik-teknik Rapid PrototypingBerikut ini adalah teknik-teknik dalam pembuatan prototype yang sudah bayak dikenal saat ini. 3.1 Stereolithography Dipatenkan pada tahun 1986. Stereolithography memulai revolusi dalam rapid prototyping. Teknik ini membuat model tiga dimensi dari polimer photosensitive cair (liquid photosensitive polymers) yang membeku ketika disinari ultraviolet. Berikut ini gambar skematik dari proses stereolithography.

Gambar 4: Schematic diagram of stereolithography. Mesin Stereolithography Apparatus (SLA) telah dibuat sejak tahun 1988 oleh 3D system of Valencia, CA. Saat ini 3D System sebagai industry leader, mereka menjual mesin-mesin RP ke banyak perusahaan. Stereolitography menjadi benchmark karena merupakan teknik pertama dalam rapid prototyping.

3.2 Laminated Object Manufacturing Teknik ini dikembangkan oleh Helisiys of Torrance, CA. Prototipe dibuat dari lapisan material lembaran yang berifat adhesive yang sudah dilapisi (adhesive-coated sheet material) yang digabungkan atau diikat bersama. Material aslinya terdiri dari kertas yang dilapisi dengan lem aktif (heat-activated glue) dan disusun perlapisan/lembaran. Kontur luarnya dibentuk oleh laser cutting.

Gambar 5: Schematic diagram of laminated object manufacturing 3.3 Selective Laser Sintering Selective Laser Sintering dikembangkan oleh Carl Deckard untuk Tesis Masternya di University of Texas. Depatenkan pada tahun 1989. Teknik ini seperti pada gambar dibawah, menggunakan sebuah laser beam untuk melebur/menyatukan serbuk material secara selektif, seperti nylon, elastomer dan logam menjadi objek solid. Komponen dibangun pada sebuah landasan dimana diatasnya diletakkan kotak penyimpanan serbuk (heat fusable powder). Sebuah sinar laser mengikuti/menciplak bentuk dari lapisan pertama, mensiternya menjadi satu. Landasan lebih rendah dari ketinggian lapisan selanjutnya. Proses ini berlajut hingga komponen selesai.

Gambar 6: Schematic diagram of selective laser sintering.

Gambar 7: Proses SLS rapid prototyping

3.4 Fused Deposition Modeling Dalam teknik ini, filament thermoplastic panas di ekstrusi dari sebuah tip atau nosel yang bergerak pada bidang x-y. Material membentuk lapisan tipis yang terkontrol dan tersusun pada landasan. Temperatur landasan dikontrol dan selalu lebih rendah dari material yang diekstrusi sehingga thermopalstik cepat mengeras. Selanjutnya dibuat lapisan berikutnya pada lapisan sebelumnya sehingga memebnetuk suatu komponen yang dinginkan dan tentu saja ini dikontrol dengan computer. Material yang banyak digunakan adalah ABS , elastomer (96 durometer), polycarbonate, polyphenolsulfone dan casting wax.

Gambar 8: Schematic diagram of fused deposition modeling.

Gambar 9: Mesin Rapid Prototyping jenis FDM 3.4 Solid Ground Curing Dikembangkan oleh Cubital, teknik ini mirip dengan stereolithography (SLA) dimana keduanya menggunakan sinar ultraviolet untuk mengeraskan polimer dengan selektif. Pertam-tama resin disemprotkan kelandasan (platform), selanjutnya dibentuk lapisan photomask (seperti stensil) .

Photomask ini dicetak pada pelat kaca diatas landasan yang dibuat dengan menggunakan proses elektrostatik yang mirip pada mesin fotocopy. Selanjutnya mask ini dirahkan pada sinar UV, yang hanya lewat melalui daerah yang transparan dari mask tadi yang kemudian mengeraskan bentuk dari lapisan.

Gambar 10: Schematic diagram of solid ground curing. 3.6 3-D Ink-Jet Printing 3-D Ink-Jet Printing adalah salah satu technology yang telah banyak disebarluaskan dan digunakan dalam berbagai bidang marking product. 3-D Ink-Jet Printing adalah salah satu jalan yang sangat menarik untuk pembuatan bentuk bebas keramik (free form fabrication of ceramics). Proses ini mulai dengan penyimpanan sebuah lapisan serbuk material objek pada chamber. Untuk mnyelesaikannya, serbuk dengan jumlah yang terukur pertama-tama dibagikan/disebarkan dari supply chamber dengan gerakan sebuah piston keatas. Roller kemudian mendistribusikan dan menekan serbuk pada fabrication chamber. Sesudah itu jetting-head menyimpan cairan adhesive dalam bentuk dua dimensi ke lapisan serbuk yang menyatu pada area dimana tersimpan adhesive, untuk membentuk lapisan dari objek. Terbentuklah satu lapisan, fabrication piston bergerak kebawah sebesar ketebalan lapisan dan proses ini berulang sampai objek terbentuk.

Gambar 11: Schematic diagrams of ink-jet techniques.

Gambar 12: Mesin 3D Printing

4 . Apikasi Rapid PrototypingRapid protitipe banyak sekali digunakan dalam bidang otomotif, industry plastic (mainan anak-anka), penerbangan,kedokteran dan industry-industri manufaktur lainnya.

Contoh-contoh Produk dari Rapid Prototyping:

Gambar 13: Produk mouse Apple dengan Rapid Prototyping

Gambar 14. Produk-produk yang dihasilkan dengan Rapid prototyping.

Gambar 15: Prototipe Audi RSQ yang dibuat oleh industri Robot KUKA.

Gambar 16: Komponen otomotif dengan RP.

Gambar 17: Aplikasi RP pada industri kesehatan

Beberapa keuntungan-keuntungan dari Rapid prototyping: Mempersingkat waktu proses desing suatu produk. Dengan membuat prototype secara otomatis lebih menghemat uang daripada dengan konvensional(by hand). Meningkatkan kualitas produk. Prototipe lebih komunikatif dibading dengan gambar 3D sekalipun. Feed back yang cepat dapat diterima oleh designer jika ada kesalahan desain. Fleksibilitas dan kemudahan dalam perubahan desain maupun dimensi suatu produk Prototipe juga dapat difinishing dan di cat menyerupai produk akhir,

Contoh Mesin-Mesin Rapid Prototyping dan spesifikasinya:

Rapid Prototyping MachinesStereolithography (SLA)

SLA-7000

ProtoCAM's stereolithography machines: 20" x 20" x 23". SLA-7000 Machine Specifications Smallest Feature Size 0.012 in. Minimum Layer Thickness 0.001 in. Typical Layer Thickness 0.006 in. Accuracy SLA Tolerances Platen Size 20 x 20 x 23 in. Material Accura 60

Viper si2

Viper si2 Machine Specifications Smallest Feature Size 0.005 in. Minimum Layer Thickness 0.0025 in. Accuracy SLA Tolerances Build Envelope 10 x 10 x 10 in. Material WaterClear Ultra 10122

SLA-3500SLA-3500 Machine Specifications Smallest Feature Size 0.012 in. Minimum Layer Thickness 0.004 in. Typical Layer Thickness 0.006 in. Accuracy SLA Tolerances Platen Size 13.8 x 13.8 x 15.7 in. Material Accura 25, ProtoGen 18420

Maximum Model Size X (length): 11.75 in Y (width): 7.3 in Z (height): 8.2 in

Desktop Factory 125ci 3D printer

Features Build Speed: 2-3 layers per minute (1 - 2 vertical inches per hour on average) Build Volume: 10" x 8" x 8" (254 x 203 x 203 mm) Layer Thickness: User-selectable at time of printing. 0.0035"0.010"(.076-.254 mm) Resolution: 300 X 450 DPI Color: RGB Full Color Equipment Dimensions: 48" x 31" x 55" (121 X 79 X 138 cm) Equipment Weight: 425 lbs. (200 kg) System Software: Z Corporation's proprietary System Software accepts solid models in STL, 3ds,ZCP, VRML and PLY formats as input. System Software runs on Microsoft Windows 2000,XP & Vista

iPro SLA Center Spesification:

REFERENCES 1. www.protocam.com 2. www.stereolitography.com 3. http://en.wikipedia.org 4. www.rapidprototypinghomepage.com 5. www.stratasys.com 6. http://www.lawrence-najjar.com/papers/Rapid_prototyping.html 7. www.geminiprototyping.co.uk 8. www.efunda.com 9. www.3dsystem.com 10. http://www.ems-usa.com/zprinter_450.shtml