PPI Brief Series -...

PPI Brief SeriesPerhimpunan Pelajar Indonesia se-Dunia

PPI Brief no. 4 / 2019

Aditya Rio Prabowo

Tinjauan Potensi Teknologi Additive Manufacturing

(3D Printing) untuk Material Instrumen Penghasil Energi

PPI Brief

Perhimpunan Pelajar Indonesia se-Dunia

RINGKASAN EKSEKUTIF

Kebutuhan akan sumber daya energi akan terus melonjak dikarenakan terus bertambahnya penduduk dunia dan berkembangnya kualitas hidup. Lebih jauh, kondisi ini memerlukan suatu antisipasi dimana ketergantungan dunia, terutama negara berkembang akan bahan bakar fosil yang tidak terbarukan sebagai sumber daya energi primer.

Aplikasi dan pemanfaatan sumber energi terbarukan menjadi salah satu solusi dalam menga-tasi masalah energi ini.

Namun, beberapa tantangan hadir ketika efisiensi biaya pada investasi dan faktor teknis lain dalam pemanfaatan sumber energi tipe ini perlu dijawab agar penggunaan sumber daya energi primer dapat sepenuhnya digeser dari bahan bakar fosil yang notabene juga punya andil dalam kerusakan lingkungan karena sisa hasil pembakarannya.

Karena kemampuannya memproduksi material hingga tingkat ketelitian mikrometer dan nanometer dengan biaya yang lebih terjangkau dan minim sisa produksi, teknologi additive manufacturing (AM) yang terkenal dengan istilah 3D printing mulai mendapat perhatian dunia secara signifikan satu dekade terakhir ini.

Tulisan ini disajikan untuk menilik potensi dan arah kemajuan teknologi AM dalam pemenu-han kebutuhan material untuk instrumen penghasil energi. Pemanfaatan AM pada bidang riset dan pengembangan teknologi energi didiskusikan, seperti reaktor kimia dan sel surya.

PENDAHULUAN

Riset dan penelitian di bidang energi merupakan suatu hal yang selalu menantang untuk dikembangkan, mengingat kebutuhan energi untuk berbagai aktivitas manusia di berbagai belahan dunia yang diperkirakan oleh Perserikatan Bangsa-Bangsa (PBB) akan menembus angka 9 miliar orang pada tahun 2050.[1] Ketergantungan pada sumber daya tak terbarukan, seperti bahan bakar fosil (minyak), panas bumi, dan gas alam yang mengakibatkan kerusakan lapisan ozon akibat hasil sisa pembakarannya, sudah mulai ditinggalkan.

Amerika Serikat memulai tren massal penggunaan listrik sebagai sumber energi kendaraan bermotor dengan diwakili oleh perusahaan multinasional Tesla yang memproduksi mobil listrik. Di beberapa negara Eropa Barat, telah membangun berbagai infrastruktur penggunaan listrik sebagai sumber energi otomotif. Negara-negara Skandinavia, seperti Norwegia, Denmark dan Finlandia juga sudah berinvestasi jangka panjang untuk pembangunan fasilitas pemanfaatan sumber daya angin dan ombak sebagai penghasil listrik untuk keperluan industri dan rumah tangga. Negara-negara Afrika dan Timur Tengah yang dianugerahi sinar matahari

1

•

•

•

•

•

PPI Brief


meskipun sebagian mereka dianugerahi persediaan minyak mentah berlimpah. Dari berbagai sumber energi di atas, sinar matahari merupakan salah satu yang sumber energi yang hampir selalu tersedia sepanjang tahun di negara-negara di sekitar khatulistiwa, salah satunya adalah Indonesia.

Dalam pemanfaatan berbagai sumber skala kecil, menengah dan besar, biaya investasi merupakan salah satu faktor penting dimana sangat dipengaruhi oleh bahan/material dari instrumen yang digunakan untuk memanen hasil sumber energi. Salah satu usaha peningkatan efisiensi dari biaya produksi tersebut adalah penggunaan material yang yang diproduksi dengan metodologi manufaktur mutakhir, yaitu additive manufacturing (AM) dimana proses ini tidak menghasilkan banyak sisa bahan baku seperti manufaktur konvensional dan bisa membuat produk dengan presisi kerumitan tingkat tinggi.

Tulisan ini ditujukan khususnya kepada akademisi dan peneliti di bidang material dan energi, dan lebih luas kepada pihak peneliti, industri dan pemerintah. Materi disusun untuk memetakan tingkat perkembangan teknologi AM sejak akhir abad ke-20 serta proporsi aplikasinya secara makro di dunia industri internasional terutama pada bidang material untuk penggunaan di industri energi, seperti reaktor kimia, sel surya, dan reaktor fotokatalitik.

2

Perkembangan tekonologi manufaktur dunia terus dikembangkan oleh berbagai pihak untuk meningkatkan mutu dan kualitas produksi dari berbagai bidang industri, terutama militer, otomotif dan teknologi informasi. Untuk mengetahui sejauh mana perkembangan tersebut, studi diarahkan kepada jumlah paten yang tercatat dengan pokok penelitian mengarah pada percepatan laju perkembangan teknologi AM. Berdasarkan data yang tercatat di US Patent and Trademark Office[2,3], terdapat lebih dari 3800 paten yang terkait dengan AM terhitung sejak 1989 hingga 2017. Tren yang disajikan pada Gambar 1 menunjukkan bahwa pada awal abad ke-20, jumlah paten tidak terlalu menonjol dengan masih berkisar 30 paten per dua tahun. Semenjak berkembangnya teknologi AM secara masif diawali pada tahun 2000-an, jumlah paten yang berkaitan dengan AM naik hingga 50% pada tahun 1999 dan 2001, dan terus meningkat hingga mencapai dua kali lipat pada tahun 2003. Stagnant point terjadi antara 2003 hingga 2009 dimana rata-rata jumlah paten berkisar antara 100-120 per tahun. Meningkatnya kebutuhan akan energi terbarukan, membuka tren baru dunia AM dengan fokus pada pengembangan proses produksi materialnya setelah tahun 2010.

PERKEMBANGAN PATEN TEKNOLOGI ADDITIVE MANUFACTURING (AM)

PPI Brief


Pemegang paten seiring dengan berjalannya waktu mengalami pergeseran yang cukup signifikan hingga akhirnya perusahaan swasta menguasai kurang lebih 87% paten teknologi AM di dekade terakhir. Perubahan di Gambar 2 mengindikasikan bahwa di akhir 1990-an, institusi penelitian dan individu memegang jumlah paten hingga lebih dari 35%. Namun, di awal abad ke-20 persentase ini turun drastis hingga 19% dimana jumlah paten perusahaan mengalami kenaikan sebesar 19%. Hal ini menunjukkan geliat perusahaan menjadikan teknologi AM sebagai prioritas dan visi perkembangan masa depan untuk menghasilkan produk secara massal.

3

Gambar 1. Jumlah paten yang berkaitan dengan additive manufacturing (AM).

Gambar 2. Perkembangan pihak pemegang paten dalam rentan waktu 1989-2017.

PPI Brief


Proporsi fokus perkembangan teknologi AM yang ditunjukkan pada Gambar 3 mengindikasi-kan subjek terdepan pada awal perkembangan AM terletak pada teknologi processing-nya dengan persentase sebesar 42%, diikuti oleh peralatan AM dengan nilai 18%, produk akhir AM 15% dan material khusus 12%. Di akhir periode dekade ketiga (2008-2017), jumlah paten menge-nai regulasi proses teknologi AM tercatat meningkat sebagai pertanda bahwa aturan dan keten-tuan mengenai penggunaan AM secara luas sudah menjadi perhatian publik.

Lebih jauh, Gambar 4 mengindikasikan riset untuk aspek proses menjalankan teknologi AM berkembang pesat, dan mengalahkan paten terkait produk akhir dan material khusus. Namun, riset lanjutan di bidang material lebih lanjut dapat menjadi referensi untuk tema penelitian dan pengembangan, mengingat keluaran produk untuk pemanfaatan sumber daya energi terbaru-kan yang akan menggantikan bahan bakar fosil di masa depan.

4

Gambar 3. Proporsi penemuan yang berkaitan dengan bidang additive manufacturing.

Gambar 4. Compound Annual Growth Rate (CAGR) paten Amerika Serikat yang berkaitandengan additive manufacturing dalam satu dekade terakhir.

PPI Brief


Pemegang paten di awal perkembangan AM didominasi oleh negara maju dimana lebih dari 90% dikuasi oleh Amerika Serikat, Jerman, Perancis dan Kanada, dengan pemilik paten terbesar adalah Amerika Serikat (lihat Gambar 5). Perkembangan teknologi AM yang terjadi di perode dekade kedua membuat negara-negara selain Amerika Serikat turut memberikan perhatiannya dan turut andil pada penelitian AM. Hal ini ditandai dengan naiknya persentase negara lain-lain (others) sebesar 9x lipat dibandingkan periode dekade pertama.

5

Gambar 5. Perbandingan negara pemegang paten dengan Amerika Serikat.

• Mengurangi kebutuhan penggunaan dosis katalisKemampuan untuk mengontrol struktur mikro dan bentuk geometri bahan aktif yang dimiliki oleh AM tidak hanya memberikan peningkatan rasio luas permukaan-volume, tetapi dapat mengurangi kebutuhan penggunaan dosis katalis yang secara positif mampu menghasilkan intensifikasi proses dan penghematan biaya. Salah satu pendekatan untuk mengurangi keterbatasan dalam hal reaksi katalitik heterogen adalah menggunakan material berpori terstruktur, dengan jaringan makropori dan mesopori yang teroptimasi.[5]

• Meningkatkan perpindahan massa dan panas pada reaktor mikroAM dapat dengan mudah digunakan untuk membuat struktur dengan fitur berdimensi mikrometer dan yang lebih besar secara keseluruhan, dimana geometri, diameter saluran, dan porositas dapat dikendalikan untuk membuat material pendukung katalis. Hal ini mampu menghasilkan rasio luas permukaan-volume yang tinggi dan meningkatkan

IMPLEMENTASI ADDITIVE MANUFACTURING (AM) DALAM BIDANG ENERGI

PPI Brief


5

perpindahan massa dan panas, yang mengarah kepada reaktor mikro tiga dimensi yang aktif dan stabil.[6] Sebagai contoh, Luo et al. menggunakan inkjet printer untuk membentuk pola-pola katalitik nano-Platina yang digunakan sebagai pemanas berukuran mikro.[7] Tinta cetak disiapkan dengan membuat larutan asam kloroplatinat 0,01 mol/L, kemudiaan ditunggu selama 48 jam dan penyaringan dilakukan kemudian untuk menghindari penyumbatan lubang keluar tinta (nozzle). Dengan cara ini, pemanfaatan tingkat tinggi 34,7 W/mg katalis Pt bisa dicapai. Investigasi lebih lanjut dilakukan untuk menentukan parameter pencetakan yang optimal dan keseragaman untuk menghindari efek cincin kopi.[8]

• Potensi sebagai komponen pelengkap teknologi sel suryaAM menunjukkan potensi yang sangat menjanjikan pada aplikasi teknologi sel surya, seperti yang ditunjukkan oleh produksi massal yang bersifat langsung dengan biaya rendah melalui modifikasi fused deposition modeling (FDM) dan fabrikasi perangkap cahaya internal. Selain itu, AM juga dapat digunakan untuk membentuk bingkai untuk arsitektur panel surya yang tidak memerlukan kebutuhan menangkap cahaya (light trapping). Untuk mengintegrasikan semua perkembangan yang disebutkan di atas dalam satu perangkat teknologi sel surya, beberapa kendala perlu diselesaikan, di antaranya pengembangan dalam bahan aktif yang dapat dicetak untuk memungkinkan fabrikasi multilapis, serta pengembangan AM pada material konduktor yang fleksibel, dan material optik berkualitas tinggi.[6]

• Potensi sebagai teknik fabrikasi reaktor mikro fotokatalitikAM juga terbukti sangat bermanfaat dalam aplikasi fotokatalitik, seperti yang ditunjukkan oleh fabrikasi konfigurasi baru dengan pondasi fotokatalitik, template untuk fabrikasi reaktor mikro fotokatalitik (photocatalytic microreactor), dan fabrikasi langsung struktur semikonduktor ber-pori. Kemajuan besar dalam pengembangan tinta cetak semikonduktor dan strategi baru untuk lebih lanjut menyempurnakan struktur mikro masih diperlukan. Untuk kasus photocatalytic microreactors, kemajuan mutakhir dalam pencetakan 3D polydimethyl siloxane (PDMS) berpo-tensi digunakan untuk fabrikasi langsung photocatalytic microreactor. Kemudian, polimer kon-duktif seperti polypyrrole (PPy) dan polyaniline (PANI) telah menunjukkan perkembangan menjanjikan dalam pemisahan air menjadi hidrogen (H2) dan pengurangan karbon dioksida (CO2) menjadi bahan bakar.[9] Namun, dikarenakan kemampuan memproses polimer konduk-tif yang rendah, aplikasi dan pengembangannya masih terbatas. Diperkirakan bahwa pengem-bangan bahan polimer konduktif 3D printing akan memajukan penerapan AM dalam pem-buatan instrumen energi berbasis sinar matahari.

Aplikasi teknologi AM pada dunia material dan energi telah mencapai tahap lanjut dimana pemanfaatannya dianggap vital untuk menekan jumlah gas sisa pembakaran bahan bakar fosil. Beberapa tantangan untuk pengembangan AM di bidang material dan energi adalah pengenda-lian ukuran dan bentuk pada produksi objek. Bagi negara berkembang seperti Indonesia, poin-poin ini dapat menjadi specific research opportunity yang berpotensi menjadi salah satu bidang unggulan, terutama untuk industri dan manufaktur instrumen penghasil energi di saat persentase penggunaan sumber daya energi terbarukan harus sudah mulai ditingkatkan. Bagaimanapun, investasi awal merupakan faktor penting dalam agenda inovasi jangka panjang terkait pengembangan material khusus dan instrumen penghasil energi. Penggunaan AM diharapkan bisa menekan biaya produksi dan di saat yang bersamaan meningkatkan kapasitas dan efektivitas instrumen produk akhir dalam mewujudkan teknologi penghasil energi terba-rukan di Tanah Air.

REKOMENDASI

PPI Brief


6

Aditya Rio Prabowo adalah Anggota Komisi Energi PPI Dunia dan baru saja meraih gelar Doctor of Engineering dari Pukyong National University, Korea Selatan

TENTANG PENULIS

PPI Brief


7

Tempo.co, 2017. PBB: Jumlah Penduduk Dunia 9,8 Miliar Tahun 2050, Tempo.co, diakses pada 14 November 2018: https://dunia.tempo.co/read/886917/pbb-jumlah-penduduk-dun-ia-98-miliar-tahun-2050.

USPTO, 2018. Additive manufacturing patents, US Patent and Trademark Office, diakses pada 20 Desember 2018: https://www.uspto.gov/.

Mahto, M., Sniderman, B., Cotteleer, M., 2018. 3D Opportunity for Innovation, Trends in addi-tive manufacturing patents, Deloitte Development LLC., diakses pada 19 Desember 2018: h t t p s : / / w w w . d e l o i t t e . c o m / i n s i g h t s / u s / e n / m u l t i m e d i a / i n f o g r a p h -ics/trends-in-additive-manufacturing-patents.html.

Zhakayev, A., Wang, P., Zhang, L., Shu, W., Wang, H., Xuan, J., 2017. Additive manufacturing: Unlocking the evolution of energy materials. Journal of Advanced Science, 4, article no. 1700187.

Coppens, M.O., 2012. A nature-inspired approach to reactor and catalysis engineering. Current Opinion in Chemical Engineering, 1, pp. 281-289.

REFERENSI

PPI Brief adalah analisis bulanan PPI Dunia atas Kondisi nasional dan internasional terkini. Kritik dan saran bisa ditujukan langsung ke [email protected]

Dewan Redaktur: Ahmad Rizky M. Umar, Bening Tirta Muhammad, dan Tim Pusat Kajian & Gerakan PPI Dunia 2018/2019

PPI Brief


8

Ruiz-Morales, J.C., Tarancón, A., Canales-Vázquez, J., Méndez-Ramos, J., Hernández-Afonso, L., Acosta-Mora, P., Marín-Rueda, J.R., Fernández-González, R., 2017. Three dimensional print-ing of components and functional devices for energy and environmental applications. Energy and Environmental Science, 10, pp. 846-859.

Luo, X., Zeng, Z., Wang, X., Xiao, J., Gan, Z., Wu, H., Hu, Z., Power, J., 2014. Preparing two-di-mensional nano-catalytic combustion patterns using direct inkjet printing. Journal of Power Sources, 271, pp. 174-179.

Xiao, J., Wang, X., Luo, X., Hu, Z., 2015. In situ preparation of catalytic combustion films used as micro heat source by inkjet printing method. Applied Surface Science, 327, pp. 400-405.Hursan, D., Kormanyos, A., Rajeshwar, K., Janaky, C., 2016. Chemical Communications, 52, pp. 8858-8861.

PPI Brief Series -...

Documents

Transcript of PPI Brief Series -...