Gambar mikroskopis beberapa lubang tembus pada substrat kaca, (a) tampak atas, (b) tampak penampang, dan (c) tampak 3D dari elektroda pahat multi-ujung setelah pemesinan. (Kredit: Shanu dan Dixit, 2025)
Dengan meluasnya aplikasi, permintaan akan material rapuh seperti produk kaca dan keramik meningkat tajam. Dari barang sehari-hari seperti peralatan makan rumah tangga dan layar ponsel cerdas hingga perangkat medis dan industri yang kompleks, bahan-bahan ini menjadi sangat diperlukan. Namun, kita jarang menghargai rekayasa dan ketelitian dalam pembuatannya. Bayangkan mencoba membuat lubang setipis rambut manusia di kaca tanpa retak. Di balik setiap lubang presisi pada lembaran kaca tipis dan saluran mikroskopis pada keramik, terdapat inovasi material selama bertahun-tahun yang menyempurnakan setiap langkah proses fabrikasi. Ketika perangkat menjadi semakin kecil dan kompleks, lubang yang lebih kecil perlu dibor pada material yang rapuh.
Teknik pengeboran konvensional mulai mengalami kegagalan lebih lanjut pada lubang yang sempit namun dalam, baik materialnya retak, permukaannya menjadi kasar, atau berhenti bekerja ketika puing-puing menumpuk. Teknik yang paling efektif, menurut penelitian terbaru, adalah Pemesinan Pelepasan Elektrokimia Berbantuan Ultrasonik (UA-ECDM), yang menggunakan percikan listrik kecil dan gelombang suara untuk mengebor material. Meskipun eksperimen baru-baru ini menunjukkan bahwa teknik ini sangat efektif dalam mengebor lubang secara presisi pada material rapuh, mekanisme mendasar di balik efisiensi UA-ECDM masih belum jelas hingga saat ini.
A studi baru oleh Anurag Shanu dan Prof Pradeep Dixit dari Institut Teknologi India Bombay (IIT Bombay) kini telah menutup kesenjangan ini.
“Meskipun penelitian sebelumnya berfokus terutama pada hasil eksperimen, seperti kedalaman pemesinan (kedalaman lubang atau alur), penelitian tersebut tidak menjelaskan mekanisme sebenarnya peningkatan kinerja pemesinan melalui getaran ultrasonik. Dengan menganalisis aliran elektrolit dan dinamika serpihan, kami dapat menjelaskan mekanisme dasar dan pengaruh amplitudo getaran dalam meningkatkan efisiensi pembuangan serpihan,” kata Prof. Pradeep Dixit, Profesor Madya, Departemen Teknik Mesin di IIT Bombay, yang memimpin penelitian tersebut.
Pada logam, fitur mikro seperti lubang dapat dibuat menggunakan teknik pemesinan listrik atau pemotongan laser, karena fitur tersebut menghantarkan listrik dan menghilangkan panas secara efisien. Namun jika menyangkut material non-konduktif seperti kaca dan keramik, hal tersebut tidak mungkin dilakukan, karena pemesinan listrik bergantung pada aliran arus yang melalui material tersebut. Demikian pula, pemotongan laser sering kali menyebabkan panas berlebih dan retakan karena sifat rapuh dan rendahnya konduktivitas termal bahan tersebut.
Untuk material non-konduktif, metode yang disukai adalah pemesinan pelepasan elektrokimia (ECDM), yang menggunakan pelepasan listrik dalam larutan garam atau elektrolit untuk menghilangkan material dan membuat lubang atau fitur. ECDM menciptakan sambaran petir kecil dan terkendali yang menguapkan pecahan-pecahan kecil kaca saat mereka terus berinteraksi dengan larutan. Di sini, larutan elektrolit segar harus mengalir ke ujung bor agar proses fabrikasi lebih lancar. Namun saat lubang semakin dalam dan kotoran memenuhi lubang, elektrolit segar tidak dapat masuk dengan mudah.
Untuk mengatasi keterbatasan ini, UA-ECDM memperkenalkan getaran ultrasonik. Gelombang suara yang frekuensinya di atas batas atas pendengaran manusia ini terbukti meningkatkan kinerja ECDM. Dalam penelitian baru mereka, peneliti IIT Bombay menjelaskan mengapa UA-ECDM lebih unggul dan menunjukkan bagaimana mengoptimalkan amplitudo getaran dapat meningkatkan efektivitas secara keseluruhan.
Para peneliti menjelaskan bahwa prinsip dasar di balik keunggulan UA-ECDM adalah seperti membuka sumbatan saluran air dengan alat penyedot. Penelitian baru menunjukkan bahwa frekuensi getaran ultrasonik tertentu membantu mengeluarkan kotoran, sehingga larutan dapat mengalir masuk. Hal ini mirip dengan bagaimana perubahan tekanan berirama dari alat penyedot membantu menghilangkan penyumbatan yang membandel di dalam pipa.
“Bayangkan sebuah gelas kecil digerakkan ke atas dan ke bawah di dalam gelas yang lebih besar yang berisi air dan kristal gula. Saat gelas kecil itu bergerak, air dan kristalnya berpindah tempat dan bersirkulasi. Demikian pula, dalam UA-ECDM, getaran ultrasonik dari alat ini memberikan gaya pada elektrolit pada skala mikroskopis. Gerakan ini menghilangkan serpihan dari celah pemesinan dan mensirkulasikan elektrolit segar. Efisiensi penghilangan lumpur secara keseluruhan meningkat secara drastis setelah menerapkan agitasi ultrasonik. Hal ini menghasilkan tingkat penghilangan material 33% lebih tinggi dibandingkan dengan pendekatan ECDM konvensional,” jelas Prof. Dixit.
Memahami mekanisme proses hanyalah sebagian dari teka-teki. Peneliti juga bermaksud mengoptimalkan amplitudo getaran untuk meningkatkan efisiensi. Pada amplitudo yang rendah, sirkulasi fluida mungkin tidak cukup kuat untuk membersihkan serpihan secara efektif, sedangkan pada amplitudo yang lebih tinggi, pengadukan yang berlebihan dapat merusak perkakas dan benda kerja. Untuk mengatasi hal ini, peneliti melakukan simulasi numerik 3D untuk menganalisis aliran elektrolit dan pergerakan puing-puing pada berbagai amplitudo getaran.
Hasil simulasi, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, menunjukkan bahwa getaran ultrasonik yang lebih kuat menghilangkan puing-puing dengan efisiensi yang bervariasi pada amplitudo yang berbeda. Saat alat bergetar pada amplitudo yang lebih tinggi (sekitar 8–10 mikrometer), hampir semua partikel serpihan dibersihkan dalam beberapa siklus getaran, bahkan dari dalam lubang mikro. Pada amplitudo yang lebih rendah, puing-puing cenderung berlama-lama dan menyumbat celah. Namun, peningkatan yang diperoleh semakin berkurang melebihi kekuatan getaran tertentu, sehingga menunjukkan bahwa terdapat tingkat optimal di mana pembuangan kotoran dapat dimaksimalkan tanpa membuat sistem menjadi terlalu gelisah.
Untuk memverifikasi dan memvalidasi hasil, mereka juga mengkonfirmasi metrik dengan melakukan observasi eksperimental fisik. Pengaturan percobaan mencakup sembilan lubang tembus pada substrat kaca setebal 1,1 milimeter menggunakan alat multi-tip. Alat logam diguncang naik turun pada kecepatan 20 kHz (lebih dari 20.000 kali per detik) dengan gerakan 5–10 μm. Getaran ultrasonik mengagetkan elektrolit di dalam lubang mikroskopis, sehingga menghasilkan peningkatan substansial dalam sirkulasi cairan ke ujung alat.
Secara keseluruhan, proses ini meningkatkan pembuangan puing hingga 50%. Proses tersebut ditangkap menggunakan kamera berkecepatan tinggi dan spektroskopi dispersif energi (EDS), yaitu mikroskop khusus yang dapat mendeteksi komposisi unsur suatu bahan. Temuan ini, yang diterbitkan dalam Journal of the Electrochemical Society, mengungkapkan dengan tepat bagaimana getaran ultrasonik, dan pada amplitudo berapa, memaksimalkan efisiensi pembuangan kotoran di zona pemotongan. Lubang yang dihasilkan memiliki rasio aspek (rasio kedalaman terhadap diameter) sebesar 2,5, yang berarti kedalaman lubang tersebut 2,5 kali lipat dari lebarnya. Hasilnya, lubang menjadi lebih dalam sekitar 33% dan memiliki rasio aspek 16% lebih tinggi dibandingkan ECDM konvensional.
“UA-ECDM berguna dimanapun fitur mikro yang dalam dan presisi seperti blind/through-hole/channel, dan lain-lain, diperlukan pada material nonkonduktor seperti sodalime, kaca borosilikat, silika leburan, komposit berbasis polimer, dan alumina. Aplikasi spesifik mencakup perangkat pasif terintegrasi yang tertanam seperti induktor, kemasan 3D berbasis through-glass vias (TGVs) pada sensor MEMS, perangkat mikrofluida, dan aplikasi lab-on-chip,” kata Prof. Dixit.
Penelitian ini mengatasi beberapa tantangan manufaktur yang penting dengan memungkinkan pengeboran beberapa lubang yang lebih dalam secara bersamaan sekaligus mengurangi keausan alat. Namun, para peneliti mencatat bahwa dimensi ujung alat masih menjadi batasan utama dalam mengurangi ukuran bukaan lubang lebih lanjut. Tip alat terkecil yang dapat dicapai dalam penelitian mereka adalah 150 mikrometer, dan kendala ini muncul dari proses fabrikasi alat itu sendiri. Perkakas tersebut saat ini diproduksi menggunakan pemesinan pelepasan listrik kawat (wire-EDM), yang memiliki keterbatasan dalam menciptakan fitur ultra-halus.
Oleh karena itu, meskipun UA-ECDM yang dioptimalkan memungkinkan fitur yang lebih halus lagi, ukuran lubang minimum mungkin tetap bergantung pada ukuran ujung pahat. Ke depan, tim peneliti memperluas penelitian mereka ke keramik alumina, yang menggabungkan isolasi listrik dengan konduktivitas termal yang baik tetapi jauh lebih sulit untuk dikerjakan dibandingkan kaca. Ketika rekayasa material terus mendorong batas-batas miniaturisasi, kemajuan terbesar datang dari hal-hal terkecil, terkadang dengan jumlah getaran yang tepat.
