บทบาทของเทคโนโลยี Metal 3D Printer
ก่อนอื่นต้องปูพื้นก่อนว่าวัสดุในกลุ่มโลหะมีการใช้งานมาก ในอุตสาหกรรมระดับสูง เช่น ยานยนต์ อากาศยาน อิเล็กทรอนิกส์ ปิโตรเลียม การแพทย์ ซึ่งมูลค่าทางการตลาดอยู่ในระดับสูงทั้งนี้ รวมถึงมีเทคโนโลยีสมัยใหม่อยู่ตลอดเวลา ในขณะที่ผู้บริโภคทั่วไปจะคุ้นเคยกับวัสดุในกลุ่มพลาสติกหรือพอลิเมอร์มากกว่า
ในด้านเทคโนโลยีของเครื่อง Metal 3D Printer ก็เช่นเดียวกับเทคโนโลยีอื่นๆ คือมีการคิดค้นและพัฒนามานานแล้ว พอๆกับเครื่อง FDM หรือ SLA (อ่านประวัติ) แต่เป็นที่สนใจและริเริ่มนำมาใช้เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา จากคำว่า “Industrial 4.0” หรือ “Digital Manufacturing” พร้อมกับคำว่า Robot และ AI ที่จะเปลี่ยนแปลงระบบการผลิตทั้งหมดให้รวดเร็วมากขึ้น ใช้คนน้อยลง ดังนั้นศัพท์เทคนิคของฝั่งโรงงานจะไปใช้คำว่า Additive Manufacturing หรือ AM มากกว่าคำที่คนทั่วๆไปคุ้นเคยอย่าง 3D Printing
ข้อได้เปรียบของการผลิตด้วยเทคโนโลยี AM
- ผลิตชิ้นงานได้โดยตรงจากไฟล์ CAD ไม่ต้องมีแม่พิมพ์ ประหยัดเวลาและต้นทุนมหาศาล
- ทำงานที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ โดยมีข้อจำกัดน้อยกว่าการขึ้นรูปโลหะปกติ (เช่น Die Casting, Powder Injection, Compression) ทำให้ลดน้ำหนักจากชิ้นงานปกติ และเนื้อวัสดุที่ใช้
- ใช้พลังงานน้อย สร้างมลพิษน้อยกว่ากระบวนการปกติ ข้อนี้เป็นเรื่องที่เริ่มมีความสำคัญมากขึ้นในประเทศที่พัฒนาแล้วเรื่องของเสีย หรือ Waste จากกระบวนการผลิต ที่ต้องกำจัดทิ้งอย่างเหมาะสม เพื่อไม่ได้กระทบต่อสิ่งแวดล้อม โดยเทคโนโลยี AM มีการขึ้นรูปวัสดุเท่าที่จำเป็น ทำให้ Waste ที่เกิดขึ้นน้อยกว่ากระบวนการปกติมากๆ
- มีแนวโน้มที่จะผลิตชิ้นงานที่ใหญ่มากๆได้ง่ายกว่าปัจจุบัน เช่นการใช้แขนกลขนาดใหญ่ หลายชุดในการช่วยการผลิต (concurrent system) ทำให้อัตราการผลิตเพิ่มขึ้นเป็นเท่าตัว ตัวอย่างจาก Office of Naval Research (ONR) (อ่านข้อมูลเพิ่มเติม)
จากที่กล่าวมาเป็นจุดเริ่มต้นของการเริ่มเอาเทคโนโลยีไปใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ ซึ่งปัจจุบัน (ปี 2019) หลายบริษัทยังอยู่ในจุดเริ่มต้น ไม่ได้ทดแทนการผลิตแบบปกติ ในขณะที่บางอุตสาหกรรม ได้นำไปใช้เป็นกระบวนการผลิตหลักแล้ว เช่น การบิน โรงไฟฟ้า และการแพทย์ ส่วนในไทยต้องบอกว่าอยู่ในช่วงเริ่มต้นอยู่
มูลค่าการตลาดของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติโลหะจะอยู่ 60,000 ล้านบาทในปี 2025 (ที่มา)
ตัวอย่างการนำ Metal 3D Printer การนำไปใช้งาน
1. อากาศยาน (Aerospace)
เป็น 1 ในอุตสาหกรรมที่มีการเอาไปใช้มากที่สุด เนื่องจากเป็นตลาดที่มีมูลค่าสูง สามารถที่จะลงทุนในเทคโนโลยีสมัยใหม่ที่ตอบโจทย์ด้านความแข็งแรงของวัสดุและมีน้ำหนักเบา ดังนั้นเราจึงเห็นบริษัทใหญ่ๆ ในธุรกิจกลุ่มนี้ เช่น Boeing หรือ Airbus มีการถือหุ้นในบริษัทด้านเทคโนโลยี AM ทั้งหมด ชิ้นส่วนที่ผลิตออกมาจะมีการ Redesign จากปกติ ให้มีรูปร่างที่ซับซ้อน น้ำหนักเบา ใช้การประกอบน้อยกว่าปกติ
2. อวกาศ (Space)
งานด้านอวกาศสิ่งที่จำเป็นมากที่สุดคือ น้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง ทนต่อสภาวะหลายๆอย่างทั้งความร้อนและแรงดัน ดังนั้นวัสดุที่นำมาใช้มักเป็นวัสดุผสม (Composite) หรือโลหะผสมที่เราเรียกว่า อัลลอยด์ (Alloy) ซึ่งเหมาะสมที่สุดสำหรับงานด้านอุตสาหกรรมนี้ ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ยังคงคิดหาวิธีเอาเครื่อง 3D Printer ไปผลิตชิ้นส่วนบนยานอวกาศเพื่อการใช้งานระยะยาว ซึ่งปัจจุบันยังได้แค่วัสดุพลาสติก หรือพลาสติกคอมโพสิต ยังไม่สามารถผลิตชิ้นงานโลหะได้ ก็เป็นสิ่งที่ต้องพัฒนากันต่อไป
3. การแพทย์ (Healthcare)
เทคโนโลยี AM โลหะ สามารถตอบโจทย์อุตสาหกรรมนี้ได้อย่างมาก เนื่องจากไม่มีข้อจำกัดด้านรูปร่างที่สามารถผลิตได้ ตามผู้ที่รับการรักษา วัสดุโลหะทางการแพทย์ที่ใช้มากที่สุดก็คือ ไทเทเนียม มีน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง และยังสามารถที่จะฝังเข้าไปอยู่ในตัวคน (implant) เพื่อวัตถุประสงค์ช่วยในการฟื้นฟู รักษา และบรรเทา อาการของคนไข้ได้
4. ปิโตรเคมี (Oil&Gas)
อุตสาหกรรมปิโตรเคมี หรือ Oil&Gas นั้นชิ้นส่วนที่นำมาเป็นส่วนประกอบในอุตสาหกรรมนี้ต้องทนทั้งความร้อน (เกิน 1,000 องศาเซลเซียส) แรงดัน และสารเคมี ที่หลากหลาย ส่วนใหญ่จะไปผลิตเป็นส่วนประกอบของเครื่องจักร เช่น ปั้ม วาล์ว กังหัน ซีลทางกล ระบบหล่อเย็น ซึ่งการเข้ามาของเทคโนโลยี AM ทำให้การออกแบบชิ้นส่วนที่ได้กล่าวมา มีประสิทธิภาพมากขึ้น รวมถึงดีไซน์ จุดประกอบ จัดนึก ที่เพื่อนำไปประกอบหน้างานง่ายขึ้น ขนาดพอดี น้ำหนักเบา (ใครที่อยู่สายซ่อมบำรุงคงทราบดีว่าเปลี่ยนอะไหล่ทีจะวุ่นวายและมีขั้นตอนมาก)
วัสดุที่มีให้เลือกใช้ในปัจจุบัน
วัสดุที่นำมาใช้งานส่วนใหญ่ก็มาจากสายอุตสาหกรรมผลิตลวดเชื่อมทั้งหลาย ดังนั้นจึงมีให้เลือกใช้ตามาตรฐานที่ผู้ใช้ต้องการ อย่างไรก็ตาม ตัวเครื่อง 3D Printer นั้นก็มีข้อจำกัดในการเลือกใช้วัสดุอยู่ ดังนั้นหากมีความจำเป็นต้องลงทุนซื้อเครื่อง ต้องสอบถามก่อนว่ารองรับวัสดุที่ต้องการนำไปใช้งานหรือไม่
ทั้งนี้ปัจจุบันจากข้อมูลด้านการตลาดส่วนใหญ่ การใช้งานเกินครึ่งเป็นไทเทเนียม ที่สามารถนไปใช้ได้ทุกอุตสาหกรรม เนื่องจากสมบัติด้านความเหนียว เบา ใช้ทางการแพทย์ก็ได้ ส่วนใหญ่จะมีการผสมโลหะชนิดอื่นเข้าไปด้วยเพื่อเสริมสมบัติต่างๆ (Alloy) ซึ่งจุดนี้ผู้ผลิตหลายรายมีรายการวัสดุให้เลือกใช้อยู่แล้ว
เทคโนโลยีของเครื่อง Metal 3D Printer
ปัจจุบันสามารถแบ่งออกได้หลายแบบขึ้นอยู่กับ เกณฑ์ที่ตั้งไว้ เช่น แบ่งตามวัสดุ จะมีทั้งแบบ ผง (powder base) เส้นลวด (wire) หรือแบบแผ่น (sheet) แต่ที่นิยมใช้กันคือแบ่งตามกระบวนการทำงาน คือ
1. ผลิตชิ้นงานได้โดยตรง เรียกว่า Direct Manufacturing เช่น การยิงเลเซอร์ไปยังผงโลหะเพื่อขึ้นรูป หรือการหลอมเส้นลวดเพื่อขึ้นเป็นชิ้นงาน ได้ชิ้นงานที่มีความคลาดเคลื่อนของขนาดต่ำ มีหลักการและข้อจำกัดด้านการออกแบบน้อย ตัวเครื่องมีราคาสูงมาก
2. ผลิต Green Body แล้วนำไปเผาต่อ เรียกว่า In-Direct Manufacturing ซึ่งเริ่มได้รับความนิยมมากขึ้น เนื่องจากเครื่องมีราคาถูกลง แต่ขั้นตอนการทำงานก็กินระยะเวลามากขึ้น และมีโอกาสเกิดความผิดพลาดมากกว่า โดยเฉพาะเรื่องขนาดของชิ้นงาน
Direct Manufacturing
- Powder Bed Fusion เช่น เทคโนโลยี SLM DMLS ตามแต่ผู้ผลิตเรียก และแหล่งกำเนิดพลังงานที่ยิงไปยังผงโลหะ ใช้ในการผลิตชิ้นงานใช้จริง หรือต้นแบบก่อนผลิตจำนวนมาก ผิวชิ้นงานสวยงาม อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีนี้ มีขนาดการพิมพ์ที่ค่อนข้างจำกัด
- Direct Energy Deposition ส่วนใหญ่จะเป็นการหลอมเหลวลวดโลหะแล้วฉีดออกมาเหมือนเครื่อง FDM มีอัตราการผลิตหรือป้อนวัสดุสูงมาก มักใช้ในการซ่อมบำรุงพวกชิ้นส่วนขนาดใหญ่ แล้วเก็บงานส่วนที่ผิวไม่สวยงามอีกที มักเห็นการใช้งานร่วมกับเครื่อง CNC หรือแขนกลเ
In-Direct Manufacturing
- FDM+Sintering เป็นเส้นพลาสติก Filament ผสมโลหะและตัว Binder ขึ้นรูปเหมือนเครื่องทั่วๆไปในท้องตลาด แต่ปริ้นเสร็จแล้วต้องไปเข้าเตาเผาอีกที ยี่ห้อที่มีชื่อเสียงในปัจจุบันคือ Desktop Metal (ลิ้ง) หรือปัจจุบันมีผู้ผลิตเส้นผสมโลหะเพื่อใช้กับเครื่องใดๆ ก็ได้เช่น Ultrafil 316L ของ BASF (ดูข้อมูล)
- Binder Jetting วัสดุเป็นผงโลหะ แต่แทนที่จะยิงเลเซอร์เพื่อหลอมโดยตรง แต่พ่นตัว Binder หรือตัวประสานออกมาแทน จากนั้นก็เข้าสู่กระบวนการเผาตามปกติ เทคโนโลยีนี้อัตราความเร็วในการผลิตสูงมาก เช่น ExOne , HP Metal Jet
ปัจจุบันจากข้อมูลของ IDTechEX รายงานว่าในอุตสาหกรรมส่วนใหญเลือกใช้เทคโนโลยี SLM เป็นหลัก ในขณะที่การซ่อมบำรุงชิ้นส่วนโลหะจะใช้เทคโนโลยี Direct Energy Deposition ร่วมกับเครื่อง CNC เช่น อุตสาหกรรมไฟฟ้า อากาศยาน ในขณะที่เทคโนโลยี Indirect ทั้งหลาย น่าจะมีส่วนแบ่งมากขึ้นในปัจจุบัน
