Desktop Metal เป็นเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติที่ได้รับการออกแบบและพัฒนามาจากพื้นฐานของระบบ FFF หรือ FDM โดยการติดตั้งและใช้งานที่ง่าย กระบวนการนี้ปลอดภัยต่อผู้ใช้งานมากกว่าระบบผงที่ต้องมีเลเซอร์เข้ามาเกี่ยวข้อง โดยระบบการป้อนวัสดุจะใช้โลหะอัดแท่ง มีลักษณะคล้ายแท่งดินสอผสมผสานกับตัว Binder ทำให้สามารถหลอมเหลว หรือไหลได้ในอุณหภูมิช่วง 200 องศาเซลเซียส จึงทำให้ราคาเครื่องถูกกว่าแบบใช้ระบบเลเซอร์มาก และเหมาะกับภาคอุตสาหกรรมที่ต้องการชิ้นส่วนโลหะที่มีความซับซ้อนไม่มาก หรือต้องการลดต้นทุนจากกระบวนการที่ใช้ในปัจจุบัน เช่น ผลิตจากเครื่อง CNC หรือ Outsource ภายนอกโรงงาน
การทำงาน 4 ขั้นตอนหลักของ Desktop Metal รุ่น Studio
1. Printing
2. Debinding
ในขั้นตอนของ Debinding เป็นการไล่หรือกำจัดวัสดุตัวประสาน สามารถทำได้ 2 วิธีด้วยกัน คือ
- Debind fluid โดยการแช่ชิ้นงานลงในสารละลาย ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวทำละลาย (dissolving) ให้เหลือเพียงโลหะเท่านั้น
- Binder burnout จะใช้ความร้อนในการไล่สารช่วยยึดเกาะต่างๆ หากใช้วิธีนี้สามารถไล่วัสดุประสาน และการเผาผนึก (Sintering) ไปพร้อมกันได้ เนื่องจากเป็นกระบวนการต่อเนื่อง โดยทั่วไปอุณหภูมิที่ใช้ในการไล่วัสดุประสานประมาณ 500-650 องศาเซลเซียส เป็นเวลาประมาณ 3 ชั่วโมง
Studio System ™ ใช้กระบวนการ debinder แบบแช่ชิ้นงานไว้ในของเหลว ซึ่ง debind นี้เป็นกรรมสิทธิ์ของทาง Desktop Metal การละลายสารยึดเกาะนี้จะสร้างช่องว่างหรือความพรุนให้กับชิ้นงาน ทำให้ต้องมีการเผาผนึกโลหะนั่นเอง
3. Sintering
4. Post Processing
ขั้นตอนนี้จะเหมือนกับชิ้นงานโลหะทั่วไป หลังกระบวนการผลิต โดยรวมๆประกอบไปด้วย
- Heat Treatment กระบวนการนี้ในระบบการพิมพ์โลหะ 3 มิติ จะผ่านมาจากการ sintering แล้ว ดังนั้นจึงไม่จำเป็น
- Machining คือการเจาะ (drill) ทำเกลียว (taping) ลบขอบ มุม (chamfer) แกะสลัก (engrave) หรือรายละเอียดอื่นๆ ที่ไม่เกี่ยวกับชิ้นงานหลัก
- Surface Finishing คือการขัดผิวชิ้นงาน ด้วยวิธีการต่างๆ ให้ละเอียดตามที่ต้องการ ในบางกรณีจะมีการกำหนดความละเอียดของผิวตามาตรฐานสากลมาให้ด้วย
วัสดุโลหะที่รองรับเครื่อง Desktop Metal
17-4 Stainless Steel
17-4 PH Stainless Steel เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมที่ถูกเลือกใช้ในงานวิศวกรรมและกลุ่มอุตสาหกรรมการผลิตที่หลากหลาย เพราะโดดเด่นในเรื่องความแข็งแรงและความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีในทุกสภาวะ โดยทั่วไปแล้วจะมีองค์ประกอบหลัก คือ 16% Cr, 4% Ni, 4% Cu และ 0.03% Cb หรือ Nb ที่ทำให้เกิดโครงสร้าง “precipitation hardening” เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย รวมถึงใช้กับเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติอย่าง Desktop Metal ได้อีกด้วย
316L Stainless Steel
Desktop Metal สามารถพิมพ์โลหะ 316L Stainless Steel ได้เช่นกัน ซึ่ง 316L Stainless Steel เป็นโลหะผสมที่อยู่ในโครงสร้างเหล็กออสเทนนิติก (austenitic) ซึ่งประกอบด้วยองค์ประกอบหลัก 3 ชนิด ได้แก่ เหล็ก โครเมียม และนิเกิล โดยจะมี 16-25% Cr, และ 7-20% Ni มีจุดเด่นเรื่องคุณสมบัติความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี และประสิทธิภาพการใช้งานในที่อุณหภูมิสูงและต่ำ เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมแปรปรวน นิยมนำมาใช้ในแอปพลิเคชันที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์ทางการแพทย์, ทางเคมี, สภาพแวดล้อมของน้ำเค็ม, อุปกรณ์ในครัวเรือน และอุตสาหกรรมต่างๆ
(https://www.desktopmetal.com/materials)
H13
H13 Tool Steel เป็นวัสดุโลหะอีกชนิดหนึ่งในเชิงพาณิชย์ที่สามารถพิมพ์กับเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบ Desktop Metal ได้แล้ว ซึ่งมีองค์ประกอบหลักของธาตุโครเมียม โมลิบดินั่ม และวาเนเดียม ทำให้มีสมบัติต่างๆ ที่ดี เช่น ความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนหรืออุณหภูมิได้ดี, ทนต่อการแตกร้าวเนื่องจากความร้อน, คงสภาพความแข็งแรงในอุณหภูมิสูง, บิดตัวน้อย, ความแข็งสม่ำเสมอ, มีความเหนียวสูง, ทนต่อการสึกหรอ เป็นต้น จึงได้รับความนิยมและใช้งานในอุตสาหกรรมกันอย่างแพร่หลาย ได้แก่
- เครื่องมือวัด
- เครื่องมือตัดเหล็ก
- เครื่องมือสำหรับการอัดขึ้นรูป
- Extrusion dies
- Injection molds
- Hot forging dies
- Die casting cores, inserts and cavities
(Studio System heat treated microstructure)
(https://www.desktopmetal.com/materials)
4140 Chromoly Steel
เหล็กกล้าอัลลอยด์บางชนิดจะประกอบด้วยธาตุอัลลอยด์ประมาณ 50% แต่ยังถือว่าเป็นเหล็กกล้าอัลลอยด์ ซึ่งเหล็กกล้า low-alloy มักมีส่วนประกอบของธาตุอัลลอยด์อยู่ประมาณ 1-4% เท่านั้น ทำให้เหล็กกล้าอัลลอยด์ได้รับความนิยมในงานอุตสาหกรรมรถยนต์ ก่อสร้าง และอื่นๆ โดยตามหลักของระบบ AISI-SAE จะมีเลข 4 ตัว ตัวเลข 2 ตัวแรก ใช้แทนธาตุอัลลอยด์หลัก หรือธาตุที่มีปริมาณมากที่สุดในองค์ประกอบ ส่วนเลข 2 ตัวท้าย ใช้แทนปริมาณของคาร์บอนเป็นร้อยละที่มีอยู่ในเหล็กกล้า เช่น 4140 Chromium-molybdenum steel ประกอบด้วย 0.4% คาร์บอน (C), 1.0% โครเมียม (Cr), 0.9% แมงกานีส (Mn) และ 0.2% โมลิบดีนัม (Mo) เป็นต้น
โครโมลี (Chromoly) เป็นโลหะผสมระหว่างเหล็กกับโมลิบดีนัม (Molybdenum) และมีแมงกานีสเพื่อเพิ่มความแข็งแรง จึงทำให้มีน้ำหนักเบากว่าเหล็ก แต่ยังไว้ซึ่งสมบัติเชิงกลที่ดี
ปัจจุบันโครโมลีเป็นวัสดุโลหะชนิดหนึ่งที่ได้รับความนิยมนำมาใช้ในการผลิตของอุตสาหกรรมต่างๆ ใช้ในการทำเฟรมรถจักรยานและโครงรถแข่ง เพราะมีน้ำหนักเบา และทนต่อแรงดึงต่างๆ แต่อาจมีปัญหาบ้างในเรื่องของสนิม เนื่องจากไม่ใช่โลหะผสมแบบอลูมิเนียมที่ไร้สนิม ซึ่งการใช้วัสดุโลหะที่มีคุณสมบัติดีกว่าเหล็กทั่วไปนั้น ย่อมมีราคาค่อนข้างสูง
ตัวอย่าง 4140 Chromoly Steel สำหรับใช้กับเครื่อง Desktop Metal
(https://www.desktopmetal.com/materials)
Alloy 625
Alloy 625 หรือที่รู้จักกันในชื่อ “Superalloy” เป็นวัสดุโลหะที่มีธาตุผสมหลัก คือ นิกเกิล 50-60% และมีธาตุผสมรอง คือ โครเมียม 15-20% และโคบอลต์ 15-20% ซึ่งเป็นโลหะผสมพิเศษพวกนิเกิล (nickel-based superalloys) แบบ wrought ถ้าหากมีการเติมอลูมินั่ม 1-4% และไททาเนียม 2-4% ในปริมาณเล็กน้อย จะช่วยทำให้โลหะผสมชนิดนี้มีความแข็งแรงเพิ่มมากขึ้น จากการเกิด “precipitation strengthening” จะประกอบด้วยเฟสหลักๆ 3 เฟส ทำให้มีความแข็งแรง, ทนต่อสภาวะแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง และมีสารออกซิไดส์จำนวนมาก, ทนต่อการ creep ได้ดี, ทนต่อการสึกหรอ และมีความเสถียรที่อุณหภูมิสูง จึงมีการนำไปใช้งานกันอย่างกว้างขวาง ดังนี้
- Jet engines
- Navy marine applications
- Submarines
- Aerospace
- Extreme environment applications
- Nuclear reactors
- Substitute for tool steel
- Heat treat applications
ปัจจุบัน Alloy 625 กำลังถูกพัฒนาขึ้นเพื่อใช้กับเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติ Desktop Metal
(https://www.desktopmetal.com/products/studio)
Copper
- Consumer and industrial electronics
- Heat exchangers
- Antennas
- Inductors
โลหะผสมทองแดงจะถูกแบ่งแยกตามระบบ โดยมีการกำหนดรหัส C10100 ถึง C79900 ใช้เป็นรหัสแทนโลหะผสมแบบ wrought จะมีปริมาณทองแดงตามที่กำหนดไว้ คือ น้อยกว่า 99.3% แต่มากกว่า 96% โดย High-copper alloys จะมีปริมาณทองน้อยสุดที่ 99.3% ส่วนรหัสตั้งแต่ C80000 ถึง C99900 จะใช้แทนโลหะผสมแบบ casting ซึ่งมีปริมาณทองแดงเกิน 94% และอาจมีการเติมเงิน (silver ; Ag), สังกะสี (zinc ; Zn), ดีบุก (Tin ; Sn), เบริลเลียม (Beryllium ; Be) หรือโคบอลต์ (Cobalt ; Co) เพื่อเพิ่มคุณสมบัติพิเศษ
ปัจจุบัน Copper กำลังถูกพัฒนาขึ้นเพื่อใช้กับเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติ ในอนาคตอันใกล้นี้ Desktop Metal น่าจะมีวัสดุโลหะออกมาสู่เชิงพาณิชย์ได้อย่างแน่นอน
