เทคโนโลยีการพิมพ์โลหะด้วยเครื่อง SLM 3D Printer
เป็นสิ่งที่ได้รับความสนใจมากในรอบหลายปีที่ผ่านมากับการพิมพ์โลหะ 3 มิติ ซึ่งสามารถที่จะเปลี่ยนแปลงการออกแบบผลิตภัณฑ์ ระยะเวลาการผลิต และต้นทุนได้มหาศาล แต่ทั้งนี้ราคาที่ต้องจ่ายให้กับเครื่อง SLM 3D Printer ก็อยู่ในระดับสูงมาก เหมือนเครื่องจักรราคาแพงเครื่องหนึ่ง ดังนั้นจึงมีแต่อุตสาหกรรมขนาดใหญ่ที่ลงทุนซื้อไว้ใช้งานได้ ในไทยเอง จำนวนเครื่องก็มีจำนวนไม่เยอะ เพราะบ้านเราเน้นผลิต OEM หรือผลิตจำนวนมาก ราคาเฉลี่ยไม่ได้สูงคุ้มค่าการลงทุน อย่างไรก็ตามในอีก 10-20 ปี ข้างหน้า ราคาเครื่องและวัสดุมีแนวโน้มที่จะถูกลงเรื่อยๆ จน SME สามารถที่จะลงทุนได้ หากนักธุรกิจท่านใดจับกระแส คำนวนต้นทุน-กำไร ถึงจุดเหมาะสมได้ก่อน ก็สามารถก้าวนำคู่แข่งไปได้ไม่ยาก ส่วนใครที่ยังไม่แน่ใจว่าตัวเองเหมาะกับเทคโนโลยีใดลองอ่านบทความนี้ครับ “ข้อมูลเทคโนโลยี 3D Printer” หรือใครที่กำลังสนใจงานพิมพ์โลหะลองเริ่มต้นจากบทความนี้ครับ “แนะนำเทคโนโลยีการพิมพ์โลหะ“
หลักการทำงานของเครื่อง SLM 3D Printer หรือ Selective Laser Melting นั้น ใช้แสงเลเซอร์พลังงานสูง ซึ่งมีทั้งแบบ CO2 หรือ Fiber ขึ้นอยู่กับยี่ห้อ (ปัจจุบันมีระบบ Blue Diode ที่ญี่ปุ่นพัฒนาขึ้นด้วย) ยิงไปที่ผงโลหะเพื่อให้เกิดการหลอมละลายติดกัน ซึ่งวัสดุแต่ละชนิดก็มีการตั้งค่าตัวแปรการทำงานที่แตกต่างกัน ทั้งนี้วัสดุหลักของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ แบบโลหะ มีด้วยกัน 5 ชนิดคือ ข้อมูลจาก Grandviewresearch
- ไทเทเนียม (Titanium) วัสดุน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง รองรับงานด้านการแพทย์
- กลุ่มนิกเกิล (Nickel) มักผสมกับโลหะอื่น เช่น นิกเกิล-โครเมียม (Inconel) เป็นโลหะที่ความแข็งแรงและทนความร้อนสูง
- กลุ่มสตีล (Steel) มักผสมกับโลหะอื่นเช่นเดียวกัน เช่น สแตนเลสสตีล 316L, 17PH-4 ซึ่งเป็นที่นิยมใช้
- อลูมิเนียม (Aluminium) น้ำหนักเบา ความแข็งแรงระดับกลางๆ นำไป Machine ต่อด้วย CNC หรือเครื่องจักรอื่นๆได้ง่าย
- โลหะอื่นๆ เช่น โคบอลต์โครเมี่ยม ทองเหลือง ทอง เป็นต้น
ทั้งนี้โลหะผสม หรือที่เรียกกันว่าอัลลอยด์นั้น (Alloy) จะมีราคาของวัสดุที่ค่อนสูง ดังนั้นจึงใช้ในงานที่จำเป็น และต้องการสมบัติที่แตกต่างจากวัสดุเดิม
1. ไทเทเนียม (Titanium)
เป็นวัสดุโลหะยอดนิยมที่มีความแข็งแรงสูง ทั้งการต้านต่อแรงดึง แรงดัด รวมถึงมีความหนาแน่นต่ำ ทำให้เป็นโลหะที่มีความแข็งแรง/น้ำหนักสูง จุดหลอมเหลวสูงถึง 1,600 องศาเซลเซียส จึงมักนิยมนำวัสดุนี้ไปใช้งานด้านอากาศยาน หรืออวกาศเนื่องจากสมบัติดังกล่าว
ในส่วนของด้านการแพทย์ มักใช้ไปผลิตเป็นกระดูกเทียมที่ส่วนต่างๆของร่างกาย ทั้งขา เข่า หลัง หรือกระโหลก ซึ่งสามารถปลูกฝังในตัวคนไข้ได้ โดยไม่มีปฏิกิริยาต่อร่างกาย (อยู่ในร่างกายได้ตลอดไม่ต้องผ่าเอาออก) จึงจัดเป็นวัสดุชีวภาพยอดนิยมชนิดหนึ่ง (Bio Materials) ทั้งนี้ตัวไทเทเนียมจะมีการเติมโลหะหลากหลายชนิดเพื่อเสริมสมบัติต่างๆ เช่น โลหะทั่วไป ในส่วนของงาน 3D Printed เองที่นิยมใช้จะเป็น Titanium 6AI-4V ที่มีส่วนผสมของ Titanium (88-90%) Aluminum (5.50-6.5%) และ Vanadium (3.50-4.50%) (ที่มา: Sculpteo) หรือวัสดุระดับสูงอย่าง Ti Grade 2 สำหรับงานด้านการแพทย์โดยเฉพาะ
สำหรับเครื่อง 3D Printer วัสดุไทเทเนียมนั้น เครื่องส่วนใหญ่เกือบทุกยี่ห้อจะรองรับโลหะชนิดนี้อยู่แล้ว (อีกกลุ่มที่นิยมคือตระกูลนิกเกิล) การเลือกซื้อเครื่องจึงควรมุ่งเน้นไปที่วัสดุที่ผู้ผลิตมีเป็นมาตรฐานไว้ให้ ว่าเหมาะสมกับการนำไปใช้ในระดับไหน หรือต้องมีการปรับสูตร ส่วนผสมเพิ่มเติม ซึ่งจะมีค่าใช้จ่ายในระดับสูงอีกนอกจากตัวเครื่อง
2. กลุ่มนิกเกิล (Nickel)
ที่ใช้คำว่ากลุ่มเนื่องจากปกติจะไม่มีการพิมพ์นิกเกิลเพียงชนิดเดียว แต่มักมีการผสมเข้ากับโลหะอื่นๆ โดยตัวยอดนิยมคือการผสมเข้ากับโครเมียม (Chromium) ในปริมาณ 14-30 % โมลิบดินัม (Molybdenum) ในปริมาณ 8-10 % และเหล็ก (Ferrum) 3-10% กลุ่มนี้เรียกว่า “อินโคเนล (Inconel)” เป็นอีกวัสดุอีกชนิดที่นิยมใช้สำหรับการพิมพ์สามมิติ โดยเฉพาะ Inconel 620 625 718 และ 939 ส่วนใหญ่เครื่องตามท้องตลาดจะรองรับ หรือหากไม่มีก็สามารถปรับแก้พารามิเตอร์ในการพิมพ์เพื่อทดลองใช้ได้
สมบัติหลักๆของอินโคเนล คือการทนการกัดกร่อน และอุณหภูมิในระดับสูง บางเกรดสูงถึง 1400 องศาเซลเซียส โดยที่สมบัติความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งเป็นจุดเด่นเหนือโลหะชนิดอื่นๆ ดังนั้นการใช้งานหลักก็อยู่ในกลุ่มอุตสาหกรรมอากาศยานเป็นหลัก เช่น พวกเทอร์ไบน์ ชิ้นส่วนหลอมเหลวเหลวเผาไหม้ในเครื่องยนต์ หรือชิ้นส่วนในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมที่มีการกัดกร่อนทางเคมีสูง บางกลุ่มก็ไปผลิตเป็นฟิลเตอร์กรองสารเคมีชนิดต่างๆ
3. กลุ่มสตีล (Steel)
หากเป็นผู้ผลิตเครื่องบางครั้งจะจัดอยู่ในหมวด Tool และ Stainless Steel วัสดุหลักที่ใช้งานคือ แสตนเลสสตีล 316L 17P4-H และ H13 กลุ่มนี้ สมบัติโลหะในกลุ่มนี้หลากหลายมากขึ้นอยู่กับว่าไปผสมกับโลหะชนิดใด ยกตัวอย่าง
กลุ่มย่อยแสตนเลสสตีล ที่มีการผสม โครเมียม นิกเกิล และโมลิบดินัมเข้าไป เพื่อให้ทนต่อการกัดกร่อน โดยเฉพาะสารกลุ่มคลอรีน และมีความแข็ง เหนียว เหมาะกับการใช้งานในอุตสาหกรรมเคมี อาหาร หรืออากาศยาน
กลุ่มย่อย Tool จะผสมโลหะเพื่อเสริมด้านความแข็ง ทนต่อแรงอัด และเหนียวให้มากขึ้นเหมาะกับการไปผลิตเป็น Jig&Fixture, อินเสิร์ต ใน Injection Mold ที่ไม่มีการกัดกร่อน สารเคมีในการใช้งาน
4. กลุ่มอลูมิเนียม (Aluminium)
อลูมิเนียมเป็นโลหะที่เน้นการใช้งาน ที่ต้องการความแข็งแรง/น้ำหนักสูง หรือทำเป็นส่วนของครีบระบายอากาศ (Fin) หรือสำหรับคนทั่วไปที่ต้องการใช้ชิ้นงานโลหะจาก 3D Printing ในการผลิตชิ้นส่วนใช้เอง จำหน่ายจำนวนน้อยๆ หรือทดแทนอะไหล่ที่หาไม่ได้แล้ว อลูมิเนียมก็เป็นวัสดุเริ่มต้นที่ดี เนื่องจากมีราคาถูกสุดในท้องตลาดปัจจุบัน สำหรับเกรดที่มีใช้ในปัจจุบันจะมี
- AlSi10Mg สมบัติอยู่ในระดับกลางๆ เป็นที่นิยมใช้
- AlSi7Mg0.6 โดดเด่นด้านการนำความร้อน เหมาะกับการผลิตเป็น Fin หรือครีบระบายอากาศ
- AlSi9Cu3 มีการใส่ทองแดง (Copper) เพิ่มเข้ามา ทำให้การใช้งานที่อุณหภูมิสูงดีขึ้น
5. โลหะอื่นๆ
กลุ่มทองแดง Copper
มีความโดดเด่นด้านการทนทานต่อเกลือดังนั้นจึงมักนำไปใช้ผลิตเป็น Housing หุ้มชิ้นส่วนอื่นในงานทางทะเลอีกต่อหนึ่ง หรืองานด้านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนก็ยังทำงานได้ดี (โดยปกติทองแดงนำความร้อนดีกว่าอลูมิเนียม)
สรุปวัสดุโลหะสำหรับเครื่อง SLM 3D Printer
ในบทความเน้นไปที่วัสดุมาตรฐานที่หลายเครื่องพิมพ์รองรับอยู่แล้ว ในขณะที่ระดับอุตสาหกรรมจริง อาจจะต้องมีการพัฒนาสูตรหรือส่วนผสมโดยเฉพาะ ซึ่งสามารถทดลองได้จากข้อมูลของลวดเชื่อม ซึ่งมีแหล่งที่มาคล้ายผงโลหะของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ เพื่อใช้ทดสอบ ศึกษาสมบัติ ก่อนที่จะขึ้นจริงได้ ข้อมูลในบทความนี้ก็จะอัพเดดมากขึ้นเรื่อยๆ ตามความก้าวหน้าเทคโนโลยี
แหล่งอ้างอิงด้านวัสดุจากผู้ผลิตและจำหน่ายเครื่อง
- Concept Laser
- SLM Solution
- 3D systems
- EOS
- Markforge
- Desktop Metal
นอกจากนี้ยังมีเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติ ที่น่าสนใจอย่าง Desktop Metal และกำลังได้รับความสนใจในหลายกลุ่มอุตสาหกรรม
ต้องการบริการปริ้นโลหะ
ติดต่อบเราเพื่อขอข้อมูลเพิ่มเติม และให้คำแนะนำด้านวัสดุ
