Ultrafuse 316L คืออะไร ?
Ultrafuse 316L สำหรับคนในแวดวงอุตสาหกรรม ได้ทดลองใช้มานานมากกว่า 2 ปี แล้ว โดยเริ่มมีการนำเสนอผลงานวิจัยตั้งแต่เดือนมกราคา 2018 แต่ที่ได้รับการสนใจมากขึ้น เนื่องจากเริ่มวางจำหน่ายให้กับ reseller ดังนั้น คนทั่วไปก็สามารถซื้อหามาใช้ได้ แถมยังปรับสูตรให้กับเครื่องทั่วๆไป ไม่ว่าจะเป็น Ender 3, Cr 10, Wanhao Ultimaker Flashforge ซึ่งกลุ่มนี้บางส่วนปรับปรุงเครื่องเพียงเล็กน้อยก้สามารถใช้งานได้แล้ว !
Metal 3D Printer หรือเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติ เป็นเทคโนโลยีที่ตอบโจทย์การผลิตทางอุตสาหกรรมที่เหมาะสมมากที่สุด ทั้งด้านการออกแบบ ความแข็งแรง วัสดุ และต้นทุนในการผลิต แต่ด้วยข้อจำกัดด้านราคาเครื่องในปัจจุบันที่สูงหลักหลายสิบล้านบาท จึงมีเฉพาะบริษัทขนาดใหญ่ในโลกไม่กี่แห่งที่สามารถลงทุนได้ ดังนั้นจึงมีกระบวนการอื่นๆ ที่ไม่ได้ผลิตชิ้นงานโลหะได้โดยตรง แต่สุดท้ายก็ได้ผลิตภัณฑ์ที่เป็นโลหะเหมือนกัน ดังนั้นปัจจุบันผู้เขียนแบ่งการพิมพ์โลหะ 3 มิติ ออกเป็น 2 แบบหลักๆ
Single Stage Process
เทคโนโลยีกลุ่มนี้สามารถที่จะขึ้นรูปชิ้นงานจากวัสดุที่เป็นโลหะได้โดยตรง ไม่ว่าจะเป็นแบบผง (metal powder) หรือเส้นลวดโลหะ (metal rod) ซึ่งได้ชิ้นงานโดยตรงจากเครื่อง 3D Printer จากนั้นจึงนำเข้าไปสู่กระบวนการ Post Processing ขัด ตกแต่งผิวในลำดับต่อไป
- Selective Laser Melting (SLM)
- Direct Energy Deposition (DED)
Multi Stage Process
เนื่องจากกลุ่มแรกมีต้นทุนด้านเครื่องจักรในการผลิตที่สูงมาก เทคโนโลยีนี้จึงใช้เทคโนโลยีที่ใช้พลังงานงานต่ำกว่าในการผลิตชิ้นงาน Green Part ที่มีโลหะผสมกับ Binder อยู่ จากนั้นจึงนำไปเข้าสู่กระบวนการ Debinding และเผาออกเพื่อให้เหลือส่วนที่เป็นโลหะ 100% ซึ่งมีทั้งเครื่องแบบ Binder Jetting เช่น ของ Ex-one หรือ Metal Jet ของ HP ส่วนที่กำลังเป็นที่นิยมเนื่องจากราคาต่ำลงมากกว่าครึ่งคือใช้เครื่อง FDM 3D Printer พิมพ์วัสดุที่เป็นส่วนผสมของโลหะมากกว่า 80% ใช้ Process ง่ายๆเหมือนพิมพ์ PLA เช่น Desktop Metal
- Binder Jetting
- FDM 3D Printing
อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีแบบ Multi Stage ที่ถูกกว่า Single Stage แล้ว ก็ยังมีราคาที่สูงเกินระดับ SME หรือคนทั่วๆไปจะซื้อได้ ดังนั้นหลายบริษัทจึงพัฒนาเส้น Filament ผสมโลหะขึ้น แล้วขายให้ผู้ใช้โดยตรง ทำให้ไม่จำเป็นต้องซื้อทั้ง System ที่มีราคาสูงกว่าหลายเท่า ปัจจุบันที่หาำด้ตามท้องตลาดจะมีอยู่ 2 ยี่ห้อ คือ The Virtual Foundry ที่ทำมาหลายปีแล้ว และ BASF ที่ได้รับความนิยมสูงในระยะเวลาสั้นๆ เนื่องจากตัวเส้นพัฒนาให้พิมพ์ได้ง่ายขึ้นมาก ปัจจุบันทีทำตลาดจะชื่อ Ultrafuse 316L วันนี้จะมาเจาะลึกเจ้าตัวนี้กัน
ข้อมูล Ultrafuse 316L
ก่อนอื่นทำความเข้าใจก่อนว่า 316L เป็นเกรดของโลหะประเภท สแตนเลสสตีล (Stainless Steel) หรือภาษาไทยว่า เหล็กกล้าไร้สนิม จะมี โครเมียม (Cr) นิเกิล (Ni) ผสมในธาตุเหล็กบางสูตรก็จะมีโมลิบดีนัม (Mo) ผสมไปด้วย จากข้อมูลอย่างเป็นทางการของผู้ผลิต
- มีส่วนผสมของโลหะมากกว่า 80%
- ความหนาแน่น 5g/cm^3 (ปกติ PLA 1.24 และ ABS 1.08) หรือพูดง่ายๆว่า 5 เท่า
- มีเฉพาะเส้น 3 kg
- ความยาวต่อม้วน 250m
- มีทั้งขนาด 1.75mm และ 2.85mm
- ราคา 600-660 USD/1 ม้วน
การตั้งค่าสำหรับเครื่อง FDM 3D Printer
- Nozzle Temperature 230-250C
- Build Chamber Temperature ไม่จำเป็น
- Bed Temperature 90-120C
- Bed material กระจก+กาว/PA เทป/Dimafix
- Nozzle Diameter อย่างน้อย 0.4mm
- Print Speed 15-50 mm/s
จากข้อมูลเห็นได้ว่าสามารถใช้เครื่องที่ปริ้น ABS ทั่วๆไปได้เลย แต่ต้องเปลี่ยนหัวฉีดชนิดทนต่อการเสียดสี (Abrasive resistance) และเพื่อให้การพิมพ์ขึ้นรูปได้ง่ายขนาดหัวฉีดควรมากกว่า 0.6 mm ผู้เขียนแนะนำหัวฉีดจากผู้ผลิตเหล่านี้
ความแข็งแรงของชิ้นงานจาก Ultrafuse 316L
ผลที่นำมาเป็นข้อมูลได้จากการทดลองจริง ไม่ใช่จากผู้ผลิตดังนั้นจึงเชื่อถือได้ว่า หากใช้อุปกรณ์เดียวกับผู้วิจัย ควรได้ผลใกล้เคียงกัน
การตั้งค่า
- เครื่องที่ใช้ FlashForge Dreamer
- ความละเอียดชั้น 0.2 mm (200 ไมครอน)
- ความเร็วปกติ 60 mm/s
- ขึ้นรูปเป็นชิ้นงานทดสอบค่าต้านทานแรงดึง (Tesnile) และชิ้นงานทดสอบความแม่นยำของขนาด (CMM)
- เผาที่อุณหภูมิ 1360 องศาเซลเซลเซียส
เห็นได้ว่าความแข็งแรงไม่ได้แตกต่างจากชิ้นงานโลหะที่ขึ้นรูปด้วยวิธีปกติมากนัก ถ้าเผื่อขนาดความปลอดภัย (Safety Factor) ในการออกแบบเพิ่มขึ้นซัก 20-30% น่าจะเพียงพอกับงานทางวิศวกรรม
ค่าที่ได้ใกล้เคียงกับข้อมูลจากทาง BASF
ส่วนใครที่อยากทราบเรื่องการทดสอบสมบัติวัสดุ ลองอ่านบทความนี้ดูครับ (คลิ๊ก)
ขนาดและความคลาดเคลื่อนหลังเผา (Sintering)
การวัดขนาดการวิจัยได้เลือกการวัดทั้งหทมด 10 จุด โดยวัดจาก Green Part หรือชิ้นงานที่ได้จากการพิมพ์ด้วยเครื่อง 3D Printer และ Metal Part ที่ได้หลังจากการเผา
ขนาดตามระนาบ XY (ระนาบการพิมพ์แนวนอน) มีขนาดความคลาดเคลื่อนลดลงราวๆ 13-18% ในขณะที่แกน Z จะลดลงราวๆ 18-23%
ส่วนข้อมูลจากทางผู้ผลิต BASF เอง ให้ข้อมูลไว้ 19% สำหรับ XY และ 21% สำหรับแกน Z
ดังนั้นสรุปได้ว่าชิ้นงานที่ผลิตจริง คงต้องมีการตกแต่งบางส่วน โดยเฉพาะงาน Fitting ที่ต้องการความแม่นยำสูงในระดับ 0.1 mm เพราะแต่ละส่วนของชิ้นงานทีการหดตัวที่ไม่เท่ากัน
ข้อมูลอื่นๆที่ควรทราบ
- สามารถใช้เครื่อง 3D Printer ทั่วไปได้ แต่ควรเปลี่ยนหัวฉีดให้เหมาะสม
- เตาเผา เป็นอีกเครื่องมือหนึ่ง ที่ต้องซื้อเพิ่มเติมจากปกติ โดยผู้ผลิตแนะนำว่าควรเป็นเตาที่มทีระบบดูดแวคคัม หรือไฮโดรเจน ราคาสูงมากกว่าเครื่อง 3D Printer พอสมควร
- ทำอุณหภูมิได้ไม่ต่ำกว่า 1400 องศาเซลเซียส
- Application หลักๆ คือ Tooling, Jigs and fixtures Functional parts, และ prototypes
- ราคาเส้นไม่ถูก 660USD
เอกสารอ้างอิงของบทความนี้
- BASF Ultrafuse 316L Technical Datasheet (ข้อมูล)
- Ultrafuse 316L Customer Simulation Service
- Material Properties and Shrinkage of 3D Printing Parts using Ultrafuse Stainless Steel 316LX Filament (Conference Jan 2018)
- https://www.desktopmetal.com/
- VDO แนะนำ ทดสอบตามด้านล่าง
