Mengebor lubang mikroskopis pada bahan rapuh seperti kaca dan keramik, yang penting untuk ponsel cerdas, perangkat medis, dan chip mikrofluida, telah lama menjadi tantangan bagi produsen. Metode konvensional sering kali membuat material retak atau gagal ketika serpihan menyumbat lubang yang sempit dan dalam. Para peneliti di Institut Teknologi India (IIT) Bombay telah menunjukkan bagaimana pemesinan pelepasan elektrokimia berbantuan ultrasonik (UA-ECDM) dapat mengatasi rintangan ini, menawarkan terobosan dalam fabrikasi presisi.
Penelitian yang dipimpin oleh Profesor Pradeep Dixit dan Anurag Shanu dari Departemen Teknik Mesin IIT Bombay menjelaskan mekanisme di balik kinerja unggul UA-ECDM. Tidak seperti pemesinan pelepasan elektrokimia (ECDM) tradisional, yang mengandalkan pelepasan listrik dalam larutan elektrolit, UA-ECDM memperkenalkan getaran ultrasonik, gelombang suara yang melampaui pendengaran manusia, untuk meningkatkan pembuangan kotoran dan sirkulasi elektrolit.
Dixit mengatakan, “Meskipun penelitian sebelumnya hanya berfokus pada hasil eksperimen, seperti kedalaman pemesinan (kedalaman lubang atau alur), penelitian tersebut tidak menjelaskan mekanisme sebenarnya untuk meningkatkan kinerja pemesinan melalui getaran ultrasonik. Dengan menganalisis aliran elektrolit dan dinamika serpihan, kami dapat menjelaskan mekanisme dasar dan pengaruh amplitudo getaran dalam meningkatkan efisiensi penghilangan serpihan.”
Tim mengibaratkan proses membuka sumbatan saluran air dengan alat penyedot. “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 Mr. Dixit.
Para peneliti menemukan lubang dengan rasio aspek 2,5 (kedalaman terhadap diameter), yang berarti kedalamannya 2,5 kali lipat dari lebarnya. Dibandingkan dengan ECDM konvensional, UA-ECDM menghasilkan lubang yang 33% lebih dalam dan memiliki rasio aspek 16% lebih tinggi.
Pengaturan eksperimental mencakup sembilan lubang tembus dalam substrat kaca setebal 1,1 mm menggunakan alat multi-tip. Alat tersebut bergetar pada 20 kHz (20.000 kali per detik) dengan gerakan 5–10 μm, mengagitasi elektrolit di dalam lubang mikroskopis. Hal ini meningkatkan sirkulasi cairan dan meningkatkan pembuangan kotoran hingga 50%.
Validasi dilakukan menggunakan kamera berkecepatan tinggi dan spektroskopi dispersif energi (EDS) untuk mengamati proses dan menganalisis komposisi unsur.
Simulasi numerik mengungkapkan bahwa pada amplitudo yang lebih tinggi (sekitar 8–10 μm), hampir semua partikel puing dibersihkan dalam beberapa siklus getaran, bahkan dari dalam lubang mikro. Pada amplitudo yang lebih rendah, serpihan akan tertinggal dan menyumbat celah, sedangkan pengadukan yang berlebihan pada amplitudo yang sangat tinggi berisiko merusak perkakas dan benda kerja. Studi ini mengidentifikasi amplitudo getaran optimal untuk efisiensi maksimum.
“UA-ECDM berguna dimanapun fitur mikro yang dalam dan presisi seperti blind/through-hole/channel, dan lain-lain, dibutuhkan pada bahan nonkonduktor seperti sodalime, kaca borosilikat, silika leburan, komposit berbasis polimer, dan alumina. Aplikasi khusus mencakup perangkat pasif terintegrasi yang tertanam seperti induktor, kemasan 3D sensor MEMS berbasis through-glass vias (TGVs), perangkat mikrofluida, dan aplikasi lab-on-chip,” kata Mr. Dixit.
Namun, ujung alat terkecil yang dapat dicapai dalam penelitian ini adalah 150 μm, karena keterbatasan dalam pemesinan pelepasan listrik kawat (wire-EDM), yang menghambat miniaturisasi lebih lanjut.
Tim berencana memperluas penelitiannya ke keramik alumina, yang menggabungkan insulasi listrik dengan konduktivitas termal yang baik namun jauh lebih sulit untuk dikerjakan dibandingkan kaca. Ketika rekayasa material mendorong batas-batas miniaturisasi, “Kemajuan terbesar datang dari prestasi terkecil, terkadang dengan jumlah getaran yang tepat,” tambah Mr. Dixit.
Temuan ini telah dipublikasikan di Journal of the Electrochemical Society.
Diterbitkan – 17 November 2025 03:17 WIB
