Pencetakan 3D mengubah cara insinyur memikirkan kekuatan. Komponen tidak lagi harus dibuat sebagai blok penuh, karena ruang kosong yang diatur dengan cermat justru dapat membantu bagian menjadi lebih ringan tanpa kehilangan ketahanan yang dibutuhkan.
Perubahan itu membuat manufaktur semakin dekat pada cara alam menyusun materi. Dari tulang ayam sampai sarang lebah, banyak contoh menunjukkan bahwa struktur berongga sering lebih efisien daripada benda padat yang tampak kokoh di luar.
Kekuatan yang lahir dari ruang kosong
Di dalam tulang ayam, bagian dalamnya bukan massa putih solid. Ada jaringan kecil seperti spons yang berisi strut, pilar, dan rongga udara untuk menahan beban dari dalam.
Struktur seperti ini membantu sayap burung tetap cukup ringan untuk terbang, tetapi tetap kuat menghadapi angin kencang. Polanya memperlihatkan bahwa alam hampir tidak pernah membangun dengan balok penuh karena cara itu kurang efisien untuk menyeimbangkan bobot dan kekuatan.
Efisiensi serupa terlihat pada sarang lebah. Lilin dipakai sesedikit mungkin agar madu bisa disimpan sebanyak mungkin, sementara spiral pada cangkang laut membantu menahan tekanan penghancur.
Mengapa industri lama sulit meniru alam
Selama berabad-abad, manufaktur tradisional kesulitan membuat bagian dalam yang menyerupai spons di balik kulit luar yang solid. Proses yang umum dipakai bersifat subtraktif, yaitu memotong material dari blok logam besar, atau formatif, yaitu menuang plastik cair ke dalam cetakan.
Dua pendekatan itu tidak mudah membentuk arsitektur internal yang rumit. Saat komponen perlu dibuat lebih kuat, pilihan yang paling sering diambil adalah menebalkan bagian tersebut, dan bobot pun ikut naik.
Cara itu juga membuat material lebih banyak terbuang. Produk jadi menjadi lebih berat, sehingga energi yang dibutuhkan untuk mengangkutnya juga lebih besar.
Pencetakan 3D membuka jalur baru
Situasinya berubah saat manufaktur aditif berkembang dari alat prototipe menjadi kekuatan industri. Teknologi yang pertama kali dipatenkan pada 1980-an itu melesat dalam satu dekade terakhir ketika mampu menghasilkan komponen jadi untuk sektor kedirgantaraan dan layanan kesehatan.
Berbeda dari proses pemotongan, printer 3D membangun objek lapis demi lapis. Plastik atau serbuk logam hanya ditempatkan di lokasi yang dibutuhkan berdasarkan file digital.
Cara kerja ini membuka bidang baru dalam ilmu material yang menaruh perhatian pada mesostruktur. Mesostruktur adalah arsitektur internal di antara skala atom dan bentuk luar benda, termasuk pola udara dan material yang tersembunyi di dalamnya.
Dari sepatu sampai pelindung kepala
Di ruang desain baru itu, produk bioinspiratif mulai masuk ke penggunaan sehari-hari. Beberapa sepatu lari kelas atas kini memakai struktur kisi seperti anyaman pada sol, bukan busa padat.
Desain cetak itu meniru pegas alami dan distribusi beban pada struktur berpori di alam. Karena itu, performanya dapat diatur lebih tepat dibandingkan busa padat biasa.
Prinsip yang sama juga dipakai pada perlindungan kepala. Pelapis helm sepeda dan helm football mulai mengganti bantalan busa tradisional dengan kisi hasil cetak 3D.
Struktur kecil berulang itu dirancang untuk menekuk lalu memantul kembali. Mekanisme tersebut membantu menyerap energi lebih efisien, serupa dengan tulang berpori di dalam tengkorak yang melindungi otak.
Komputer ikut mencari pola terbaik
Penelitian di bidang ini tidak hanya meniru bentuk alam, tetapi juga mencari aturan yang membuat struktur itu kuat. Pada cangkang laut, susunan seperti tembok bata dengan blok mineral keras dan lapisan tipis perekat lentur membuat retakan sulit menyebar.
Dengan komputer, para peneliti dapat menghancurkan ribuan desain virtual untuk melihat kapan dan bagaimana struktur gagal. Neural network juga digunakan untuk mencari pola terbaik dalam penyerapan energi.
Hasil studi menunjukkan desain bergelombang bisa sangat efektif jika ketebalan garis dan jumlah putarannya diatur dengan tepat. Kombinasi itu memungkinkan produk gagal secara bertahap dan aman, mirip zona crumple di bagian depan mobil.
Pendekatan ini memberi kendali yang lebih presisi kepada insinyur. Dalam satu komponen cetak yang utuh, satu area bisa dibuat kaku sementara area lain tetap fleksibel sesuai kebutuhan fungsi.
Dari sisi lingkungan, metode ini dianggap penting karena mengikuti prinsip hemat yang sudah lama dipakai alam. Dengan mencetak udara ke dalam struktur internal, pabrikan dapat memakai jauh lebih sedikit bahan baku tanpa kehilangan kekuatan yang dibutuhkan.
