Ceramic engineering หรือวิศวกรรมเซรามิกส์ เป็นเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบและผลิตผลิตภัณฑ์เซรามิก อย่างเช่น 3d printer ceramic โดยเซรามิกเป็นวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะซึ่งผ่านการอบที่อุณหภูมิสูง เป็นวัสดุอนินทรีย์ (inorganic) ที่ประกอบด้วยธาตุที่เป็นโลหะและอโลหะ แต่ค่อนข้างไปทางอโลหะมากกว่าโลหะ องค์ประกอบทางเคมีของวัสดุเซรามิกจะแตกต่างกันไปแล้วแต่ชนิด บางชนิดจะมีองค์ประกอบเป็นสารประกอบง่ายๆ แต่บางชนิดจะประกอบด้วยเฟสต่างๆ ที่ซับซ้อน ทำให้สมบัติของเซรามิกจะแตกต่างกันอย่างมาก โดยทั่วไปเซรามิกมีคุณสมบัติที่แข็งและค่อนข้างเปราะ เป็นฉนวนไฟฟ้าและความร้อนที่ดี วัสดุเหล่านี้สามารถนำไปใช้กับงานหลากหลายและความต้องการ สามารถทนต่อความร้อน เช่น โลหะ เซรามิก เป็นต้น อีกทั้งยังเป็นสาขาเฉพาะที่อยู่ในสาขาวิชาวิศวกรรมวัสดุ ซึ่งมีความเกี่ยวข้องกับการพัฒนาวัสดุเซรามิก และวัสดุเซรามิกขั้นสูง เซรามิกนั้นทำมาจากดินเหนียว (เป็นสารที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ) และมักใช้ในงานเครื่องปั้นดินเผาและงานก่ออิฐ วิศวกรรมเซรามิกยังเกี่ยวข้องกับเซรามิกส์ที่ทำจากอนินทรีย์ (ไม่มีชีวิต) รวมถึงสารที่มนุษย์สังเคราะห์และสร้างขึ้น
เซรามิกวิศวกรรมเป็นการเลือกคุณลักษณะของวัตถุดิบ และหลักการกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรมมาใช้ในการผลิต สามารถพัฒนาคุณภาพวัตถุดิบ กระบวนการผลิต ทำให้ได้ผลิตภัณฑ์อย่างมีประสิทธิภาพตรงกับการใช้งาน ยังสามารถพัฒนาเครื่องจักรและอุปกรณ์ที่ใช้ในกระบวนการผลิต การวางแผน ควบคุมพัฒนาประสิทธิภาพ คุณภาพ และมาตรฐาน เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ
ข้อดีของเซรามิกวิศวกรรม
– มีความแข็งสูง
– มีความต้านทานต่อแรงกดได้ดี
– ความต้านทานแรงดึงต่ำ
– มีค่าความยืดหยุ่นและความเหนียวต่ำ
– มีความแข็งแรงสูงทั้งที่อุณหภูมิต่ำและสูง
1. วัสดุเซรามิกธรรมดา
วัสดุที่มีมาแต่เดิม ซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก 3 ชนิด ได้แก่ ดินเหนียว (clay) ซิลิกา (silica) และเฟลสปาร์ (feldspar) ตัวอย่างของวัสดุจำพวกเซรามิกธรรมดา เช่น อิฐ กระเบื้องมุงหลังคา ลูกถ้วยไฟฟ้า เป็นต้น
กระบวนการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ Ceramic ด้วยวิธีการแบบเดิมมีหลากหลายวิธี เช่น การเทเเบบ การใช้เเป้นหมุน การใช้เครื่องขึ้นรูป การอัดเนื้อดินผ่านหัวเเบบ เเละการอัดผงเนื้อดินลงในเเบบ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิด รูปร่าง คุณภาพ เเละสมบัติของผลิตภัณฑ์ ซึ่งวิธีการเหล่านี้มีข้อจำกัดค่อนมาก และใช้เวลานานในการผลิต
2. วัสดุ Ceramic engineering
โดยทั่วไปวัสดุเซรามิกอาจถูกกำหนดให้เป็นวัสดุของแข็งและเฉื่อย วัสดุเซรามิกมีความแข็ง เแต่ปราะง่าย มีความทนต่อแรงอัดได้ดีมาก สามารถทนแรงความเค้นเฉือน (Shear stress) และความเค้นแรงดึง (Tensile stress) ได้น้อย ทนต่อการกัดกร่อนของสารเคมีที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดหรือกัดกร่อน โดยทั่วไปเซรามิกวิศวกรรมสามารถทนต่ออุณหภูมิที่สูงมาก นำไปใช้งานที่อุณหภูมิตั้งแต่ 1,000 °C ถึง 1,600 °C อย่างไร้กังวล ข้อยกเว้นวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่มีออกซิเจน เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ แก้ว เป็นต้น โดยคำจำกัดความไม่ได้เป็นเซรามิกเพราะเป็นของแข็งอสัณฐาน โครงสร้างไม่ใช่ผลึก ( (non-crystalline) อย่างไรก็ตามแก้วเกี่ยวข้องกับหลายขั้นตอนของกระบวนการเซรามิก และคุณสมบัติเชิงกลมีลักษณะคล้ายกับวัสดุเซรามิก จึงถูกจัดให้อยู่ในประเภทของเซรามิก
การประยุกต์ใช้งานของวัสดุจำพวก Ceramic enginerring ที่สำคัญ ดังนี้
1. อะลูมินา (Al2O3)
Al2O3 ถูกเรียกโดยทั่วไปว่าอะลูมินา (alumina) หรือคอรันดัม (corundum) ในรูปแบบผลึกเช่นเดียวกับชื่ออื่น ๆ อีกมากมาย ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงการเกิดขึ้นของอะลูมินาอย่างแพร่หลายในธรรมชาติและอุตสาหกรรม การใช้งานที่สำคัญที่สุดคือในการผลิตเป็นโลหะอลูมิเนียม เนื่องจากความแข็งและเป็นวัสดุทนไฟ เพราะมีจุดหลอมเหลวสูง
Characteristics :
- Good mechanical strength at high temperature
- Good thermal resistance
- High electrical resistivity
- Hard material
- Wear resistance
- Good chemical resistance
เริ่มถูกพัฒนาขึ้นเพื่อใช้ทำท่อทนไฟ และ crucibles ในปัจจุบันอะลูมินาถูกใช้อย่างกว้างขวาง เช่น ใช้เป็นฐานรองรับตัว integrated circuit chip ในอุปกรณ์ thermal conduction module, วัสดุทนไฟ, ท่อหรือปูพื้น, สําหรับงานเคมี, เบ้า, หัวเทียน, ฉนวน
Aapplication
- Insulator
- Element former
- Grinding
- Mechanical components
- Sealing rings
2. ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)
ซิลิกอนคาร์ไบด์ (Silicon Carbide, SiC) เป็นชื่อสามัญที่หลายคนคุ้นชิน เป็นวัสดุที่ผลิตมาได้ด้วยกระบวนการจำนวนมาก ซึ่งส่งผลให้มีโครงสร้างจุลภาคทั้งภายในและภายนอกที่แตกต่างกัน และส่งผลให้มีคุณสมบัติที่หลากหลาย เป็นวัสดุที่แข็ง ทนความร้อน และทนต่อการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงได้ดี ใช้ทำเครื่องยนต์ของกังหันแก๊ส ซึ่งเป็นส่วนประกอบหนึ่งของเครื่องยนต์
Properties
- Low density
- High strength
- Low thermal expansion
- High thermal conductivity
- High hardness
- High elastic modulus
- Excellent thermal shock resistance
- Superior chemical inertness
Typical Uses :
- Fixed and moving turbine components
- Suction box covers
- Seals, bearings
- Ball valve parts
- Hot gas flow liners
- Heat exchangers
- Semiconductor process equipment
3. ซิลิคอนไนไตรด์ (Si3N4)
ในจำนวนเซรามิกวิศวกรรมทั้งหมด ซิลิคอนไนไตรด์ (Silicon nitride) เป็นเซรามิกที่มีสมบัติทางวิศวกรรมที่เป็นประโยชน์มากที่สุด มีสมบัติที่ดีทั้งด้านการทนความร้อน ความแข็ง และความแกร่ง ใช้ทําอุปกรณ์ตัด ลูกกลิ้งแบบลดแรงเสียดทาน บอลแบริ่ง อุปกรณ์หัวจุด และกำลังถูกนำมาใช้ในชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ที่ทันสมัย
Typical Properties :
- High toughness
- High strength, even at high temperatures
- Outstanding thermal shock resistance
- Remarkable resistance to wear
- Low thermal expansion
- Medium thermal conductivity and good resistance to chemicals
Applications
- Bearings
- Metal cutting and shaping tools
- Hot metal handling e.g. spouts and nozzles
- Glow plugs in diesel engines
- Wear components e.g. high precision shafts and axles
- Turbine blades
4. Zirconia (ZrO2)
Zirconia (Zirconium Dioxide, ZrO2) มีความเสถียรที่อุณหภูมิห้องและสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้ ใช้ทำเป็นอุปกรณ์ตัดที่ต้องการการสึกหรอต่ำ การขยายตัวเนื่องจากอุณหภูมิสูงเหมาะสําหรับเคลือบบนผิวโลหะ
Characteristics :
- High fracture toughness
- Thermal expansion similar to cast iron
- Extremely high bending strength and tensile strength
- High resistance to wear and to corrosion
- Low thermal conductivity
- Oxygen ion conductivity
- Very good tribological properties (it is very well suited for slide rings)
Application :
- Crucibles
- Casting nozzles
- Heating elements
- Anti-thermal coating
- Ionic conductors
- Electric insulators
- Valve seats
3D Printer ในงานเซรามิกวิศวกรรม
ข้อดีของการใช้เทคโนโลยี 3D Printer ในงานเซรามิกวิศวกรรม เป็นกระบวนการเพิ่มเติมที่ช่วยให้การผลิตรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนมีความเสถียรและความแม่นยำสูง สำหรับเซรามิกประสิทธิภาพสูงในด้านการบินและอวกาศ, เทคโนโลยีการแพทย์ และงานวิศวกรรมในขนาดเล็กถึงขนาดกลาง ตัวอย่างการใช้งานทั่วไปคือเทคโนโลยีอุณหภูมิสูง วัสดุต้องทนอุณหภูมิสูงกว่า 1,000 ° C โดยไม่เกิดความล้าหรือทำให้บิดงอ (fatigue or warp) โดยทั่วไปวัสดุที่มีสารประกอบเซรามิกจะมีความสามารถในการทนต่อความร้อนได้ดังนี้
3D Printing เป็นการพิมพ์ 3 มิติ สร้างชิ้นส่วนโดยสร้างวัตถุทีละชั้น วิธีนี้มีข้อดีมากมายเหนือกว่าเทคนิคการผลิตแบบดั้งเดิม มีแอพพลิเคชั่นมากมายที่เครื่องพิมพ์ 3D สามารถส่งมอบการออกแบบได้อย่างรวดเร็วด้วยความแม่นยำสูงจากวัสดุที่เราต้องการ
ประโยชน์ของการพิมพ์ 3 มิติ ช่วยให้นักออกแบบตัดสินใจได้ดีขึ้นเมื่อเลือกกระบวนการผลิตและทำให้สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่ดีที่สุดได้ง่ายขึ้น
ข้อได้เปรียบหลักๆของ 3d printer ceramic คือ ความเร็ว ความยืดหยุ่น และต้นทุน สำหรับการผลิตขนาดเล็กนั้นการสร้างต้นแบบจากเครื่อง 3D Printer เป็นวิธีการผลิตที่ดีกว่าการใช้ระบบอุตสาหกรรมอื่น ๆ
อย่างไรก็ตามหากคุณต้องการเริ่มต้นการผลิตสินค้าจำนวนมาก การใช้ 3D Printer เป็นระบบการผลิตที่มีศักยภาพสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ทันสมัยมาก
เครื่อง 3D Printer ที่รองรับงานเซรามิกวิศวกรรม
– CeraFab 8500 3D-Drucker
– CERAMAKER
– Admatec ADMAFLEX 130
– Peopoly Moai 130 หรือ 200
และอื่นๆ
แหล่งที่มา
– แม้น อมรสิทธิ์ และสมชัย อัครทิวา. วัสดุวิศวกรรม
– M. Bengisu. 2013. Engineering ceramics
– Gibson et al., 2014. Additive manufacturing technologies: 3D printer, rapid prototyping,and direct digital manufacturing
– Zhangwei Chen et al., 2018. 3D printer of ceramics: A review
– Ridhish Kumar et al., 2018. 3D Printer in Biomedical Applications
– Qian Yan et al., 2018. A Review of 3D Printer Technology for Medical Applications
– https://www.3dnatives.com/en/ceramic-3d-printer-market-growth
– https://3dfabprint.com/3d-printer-ceramics-how-does-this-technology-work
– https://www.sculpteo.com
– http://3dceram.com/en/materiaux-ceramique-impression-3d/
