ข้อบกพร่องในกระบวนการหล่อแบบ Investment Casting หรือการใช้แม่พิมพ์ละลาย (Lost-wax casting) จาก Wax และ Castable Resin
เราจะพิจารณาสาเหตุที่พบได้บ่อยที่สุด ไม่ว่าจะด้วยวิธีการ Lost Wax แบบดั้งเดิม หรือ Castable Resins สมัยใหม่ เนื้อหาฉบับเต็มของบทความนี้สามารถดาวน์โหลดได้จากลิงก์ดังต่อไปนี้ https://www.bluecast.info/download
ต้องย้ำว่าการเตรียม Investment คือ ขั้นตอนที่มักถูกละเลย แนะนำให้ปฏิบัติตามคำแนะนำของผู้ผลิตอย่างเคร่งครัด โดยใช้น้ำกลั่นที่อุณหภูมิไม่เกิน 18 องศาเซลเซียสเสมอ หากใช้เครื่องผสมแบบ Manual ควรใช้งานที่ความเร็วต่ำที่สุด เพื่อหลีกเลี่ยงการรวมตัวของอากาศเข้าไปในส่วนผสม หรือการทำให้เกิดความร้อนเกินขนาด นอกจากนี้ ต้องปล่อยให้ Flask หรือกระบอกพักมีการพักตัวตามระยะเวลาขั้นต่ำ เพื่อไม่ให้ความชื้นที่เหลืออยู่สูงจนเกินไปจนเป็นสาเหตุให้เกิดการระเบิดในระหว่างการ Burnout
การ Feed Model ที่ถูกต้องนั้นมีความสำคัญพอ ๆ กัน ตามหลักการที่ควรจะเป็น ช่อง Sprue ควรมีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับหรือมากกว่าอย่างน้อย 25% ของส่วนตัดขวางที่ใหญ่ที่สุดของชิ้นงาน และมีความยาวระหว่าง 0.5 เซนติเมตร ถึง 2 เซนติเมตร เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาชิ้นงานเสีย
การวิเคราะห์นี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานที่ว่าชิ้นงานได้ผ่านการล้างชิ้นงานและ Post-cured อย่างเหมาะสมแล้ว
ข้อบกพร่องทั่วไปในการหล่อ
จากการ Feeding / Spruering ไม่ถูกต้อง
• ช่องว่างภายในเนื้อวัสดุ
• ตำหนิที่ปรากฏเป็นจุด มักมีความลึกและบางครั้งมีขอบที่คม
• โพรงขนาดใหญ่และการไหลวน (Turbulence)
• การหดตัวของโลหะ
จากการเตรียม Investment ไม่ถูกต้อง
• ส่วนเกินของ Alloy ที่เล็ดลอดออกมาจากแม่พิมพ์
• พื้นผิวขรุขระซึ่งมักกระจายตัวอยู่ทุกส่วนของชิ้นงาน
• ตำหนิจากก๊าซ (ฟองอากาศ)
• การพังของโครงสร้าง Investment
• การระเบิดของกระบอกพัก (Flask)
• ตำหนิที่มีรูปทรงเรขาคณิต บางครั้งมีความลึกมาก
จากความผิดพลาดของอุณหภูมิ
• Iการหล่อไม่สมบูรณ์ในกรณีที่อุณหภูมิต่ำเกินไป
• พื้นผิวลักษณะ "ผิวส้ม" มักเกิดเฉพาะกับชิ้นงานที่มีขนาดใหญ่ที่สุด หรือชิ้นที่ติดตั้งอยู่บริเวณส่วนบนของ Tree
• การเกิดออกซิเดชันที่มากเกินไป
จาก Alloy ที่ถูกใช้ซ้ำ
• ชิ้นงานเกิดการแตกหัก
• ส่วนประกอบขาดหาย
• พื้นผิวที่มีข้อบกพร่องเฉพาะจุด จุดสีที่แตกต่างกัน และการเกิดออกซิเดชันเฉพาะจุด
จากความผิดพลาดในการ Burnout
• รูขนาดเล็ก หรือคราบแข็งสีดำ
• ตำหนิบนพื้นผิวแบบกระจายตัว
แม้ว่าข้อบกพร่องที่เกี่ยวข้องกับการเผาไหม้ไม่สมบูรณ์จะเกิดขึ้นได้บ่อยกว่าเมื่อใช้ Resin แต่สิ่งสำคัญ คือ ต้องย้ำว่าปัญหาที่อธิบายไว้ข้างต้นสามารถเกิดขึ้นได้กับ Wax สำหรับการหล่อแบบดั้งเดิมเช่นกัน มักมีความผิดพลาดในการระบุว่าข้อบกพร่องนั้นมาจาก Resin ทั้งที่ความจริงแล้วสามารถหลีกเลี่ยงได้โดยง่ายด้วยการปฏิบัติตามขั้นตอนที่ถูกต้อง
ข้อบกพร่องที่พบบ่อยที่สุด ลักษณะที่ปรากฏ สาเหตุ และวิธีการแก้ไข
1. การ Feed Model ที่ไม่เหมาะสมและการเชื่อม Sprue ที่ด้อยคุณภาพ
หากจุดต่อระหว่าง Wax Sprue และ Model ไม่มีความโค้งมนที่เหมาะสมและมีขอบที่คม อาจทำให้เกิดความปั่นป่วนของการไหล (Flow turbulence) และอาจเกิดช่องว่าง (Voids) ในบริเวณใกล้เคียง ซึ่งส่งผลให้ชิ้นงานไม่มีความหนาแน่น (Not compact) ปรากฏการณ์นี้ยังสามารถเกิดขึ้นได้หาก Sprue อยู่ใกล้กันจนเกินไปหรืออยู่ในตำแหน่งที่ขัดแย้งกัน
รอยเชื่อมที่เย็นตัวช้าหรือติดไม่สนิท (Cold solder joints) เช่น จุดต่อที่มีรอยร้าว รู หรือส่วนที่หลุดลอก จะเพิ่มความเสี่ยงในระหว่างการฉีดโลหะ โดยชิ้นส่วนของ Investment อาจแตกหักและเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ แม่พิมพ์ ทำให้เกิดรูที่เด่นชัดมากในลักษณะที่สุ่มทั่วชิ้นงาน สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากโลหะอุณหภูมิสูงจำนวนมหาศาลเข้ากระทบส่วนที่บางมากของแม่พิมพ์ภายในเสี้ยววินาทีจนทำให้เกิดการแตกหัก รูที่เกิดจากการเชื่อมต่อนี้อาจมีความลึกมากและมักมีรูปทรงทางเรขาคณิตที่ค่อนข้างชัดเจน
วิธีการแก้ไขที่ง่ายที่สุด คือ การทำจุดต่อทุกจุดอย่างระมัดระวัง และเว้นระยะห่างระหว่างชิ้นงานแต่ละชิ้นอย่างเหมาะสม เพื่อให้สามารถตกแต่งและตรวจสอบได้ก่อนที่จะเริ่มขั้นตอนการทำ Investment จริง ไม่ต้องสับสนระหว่างปัญหานี้กับข้อบกพร่องทั่วไปที่เกิดจากความผิดพลาดของ Investment หรือการ Burnout ที่ไม่สมบูรณ์ เนื่องจากแตกต่างกันโดยสิ้นเชิงและมีแนวทางการแก้ไขไม่เหมือนกัน
2. การผิดพลาดในการ INVESTMENT
การเตรียม Investment ที่เร่งรีบหรือไม่ถูกต้อง เป็นหนึ่งในสาเหตุที่พบบ่อยที่สุด สิ่งสำคัญ คือ ต้องเริ่มด้วยปริมาณน้ำและผงที่ถูกต้องโดยใช้เพียงน้ำกลั่น ระยะเวลาในการผสมก็สำคัญอย่างยิ่ง การใช้ระยะเวลาผสมที่นานเกินไปอาจนำไปสู่ Investment ที่เปราะ หรือมีความหนาแน่นมากเกินไป ส่วนการดำเนินการที่เร็วเกินไปอาจนำไปสู่ส่วนผสมที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (Non-homogeneous) ซึ่งจะส่งผลกระทบแตกต่างกันในแต่ละบริเวณของ Flask หรือกระบอกพัก
นอกจากนี้ การเคลื่อนย้ายหรือการรบกวน Flask ก่อนที่ Investment จะเซ็ตตัวโดยสมบูรณ์นั้นควรหลีกเลี่ยงอย่างเด็ดขาด สามารถระบุได้ว่ามาจากจุดบกพร่องและความผิดพลาดในการเตรียม Investment พื้นผิวที่ขรุขระซึ่งบางครั้งปรากฏเป็นส่วนเกิน การหลุดลอกเป็นแผ่นกระจายตัวเป็นวงกว้าง ซึ่งอาจเกิดร่วมกับหรือไม่เกิดร่วมกับปรากฏการณ์ Flashing และการหลุดออกของบางส่วนของ Investment ซึ่งเมื่อเคลื่อนที่อยู่ภายในแม่พิมพ์ จะทำให้เกิด Inclusions ที่ลึกมาก
เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ต้องปฏิบัติตามคำแนะนำในการปฏิบัติงานของผู้ผลิตอย่างเคร่งครัด ทั้งในส่วนของ Investment และ Castable Resin
3. อุณหภูมิที่ไม่ถูกต้อง
เมื่ออุณหภูมิในการหล่อ (ของโลหะหรือ Flask) สูงจนเกินไป อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องที่เรียกว่า "ผิวส้ม" (Orange peel) พื้นผิวลักษณะนี้จะมีความหนาแน่น มีสีส้มอ่อนหรือสีครีม และปรากฏให้เห็นหลัก ๆ บนส่วนบนของชิ้นงานไม่ว่าจะเป็น Wax หรือ Resin ก็ตาม ขนาดของรูพรุนจะเล็กกว่าตำหนิที่เกิดจากการ Burnout ที่ไม่สมบูรณ์ เนื่องจาก Calcium sulfate ของ Investment เมื่อถูกกระทบด้วย Alloy ที่ร้อนเกินไป จะปลดปล่อยความร้อนออกมา ทำให้โลหะเหลวเกิดอาการ "ทอดตัว" (Fry) อุณหภูมิที่สูงนี้ยังสามารถทำให้แต่ละบริเวณของชิ้นงานที่มีสีแตกต่างกันได้อีกด้วย
ในทางตรงกันข้าม อุณหภูมิที่ต่ำเกินไปจะขัดขวางไม่ให้ Alloy มีความลื่นไหล (Fluid) เพียงพอ ทำให้ไม่สามารถเติมเต็มทุกส่วนของชิ้นงานได้อย่างสมบูรณ์ก่อนที่จะแข็งตัว สามารถจำแนกได้จากลักษณะที่โค้งมนและทู่ของขอบในบริเวณที่หล่อไม่เต็ม ในบางกรณี พื้นผิวของชิ้นงานอาจปรากฏลักษณะราวกับว่ามีการตกผลึก (Crystallized)
วิธีการแก้ไขปัญหาเหล่านี้ทำได้ง่ายมาก เพียงแค่ต้องตรวจสอบความแม่นยำของเครื่องมือที่ใช้ในการตั้งค่าและตรวจสอบอุณหภูมิ ซึ่งการใช้หัวฟู่หลอม (Torch melting) นั้นทำได้ยากกว่ามาก เนื่องจากเราไม่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้อย่างแม่นยำ ผลลัพธ์นั้นจึงขึ้นอยู่กับประสบการณ์ของผู้ใช้งานเป็นหลัก
แม้ว่า Alloy แต่ละชนิดจะมีอุณหภูมิที่เหมาะสมเฉพาะตัว รูปทรงเรขาคณิตของชิ้นงานและขนาดของ Flask มีผลกระทบโดยตรงต่อการปรับเปลี่ยนอุณหภูมิ จึงควรตรวจสอบอุณหภูมิจากผู้จำหน่าย Alloy ร่วมด้วย ความผิดพลาดด้านอุณหภูมิเป็นปัญหาที่เกิดขึ้นซ้ำ ๆ ในการหล่อพลาทินัม (Platinum casting) เนื่องจากโลหะมักถูกทำให้ร้อนเกินขนาดซึ่งส่งผลให้เกิดลักษณะพื้นผิวแบบ "ผิวส้ม" (Orange peel)
4. ข้อบกพร่องที่เกิดขึ้นซ้ำจากการใช้ ALLOY รีไซเคิลในสัดส่วนที่สูงเกินไป
สัดส่วนของโลหะรีไซเคิลที่มากเกินไป หรือโลหะที่ผ่านการรีไซเคิลซ้ำหลายครั้งเกินไป สามารถส่งผลกระทบต่อคุณภาพของชิ้นงานได้ ข้อบกพร่องที่พบบ่อยที่สุด ได้แก่ ชิ้นงานที่ไม่มีความหนาแน่นและเปราะ การเปลี่ยนแปลงของสี หรือการปรากฏของ Inclusions ที่ไม่เป็นรูปทรง โลหะเงิน, ทองคำ, พลาทินัม และพาลาเดียม จัดอยู่ในกลุ่มโลหะ Noble metals และเป็น Alloys ที่รู้จักกันดีที่สุดในการทำอัญมณี เช่น ทอง 18K หรือ เงิน 925 โดยทั่วไปจะมีความไวในการเกิดปฏิกิริยาน้อยกว่าธาตุอื่น ๆ จากความเสถียรของการจัดเรียงอิเล็กตรอน ทำให้มีแนวโน้มที่จะสร้างสารประกอบทางเคมีได้น้อยกว่า ด้วยเหตุนี้ จึงทนทานต่อการกัดกร่อน ออกซิเดชัน และปฏิกิริยาของกรดได้ดี ต่างจากโลหะส่วนใหญ่ชนิดอื่น อย่างไรก็ตาม ดังที่ทราบกันดีว่า Alloys ในเชิงพาณิชย์นั้นรวมเอาโลหะชนิดอื่นจำนวนมากที่สามารถแปรสภาพ กลายเป็นสารเฉื่อย หรือถูกใช้หมดไปหาก Alloys นั้นถูกหลอม และหลอมซ้ำแล้วซ้ำเล่า ในระหว่างรอบการหลอมแต่ละครั้งจะเกิดสิ่งต่อไปนี้
- โลหะที่มีความตระกูลน้อยกว่าภายใน Alloy เช่น สังกะสี, ทองแดง หรือดีบุก มีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันได้ง่ายกว่า และกลายเป็นสแลก (Slag) สิ่งนี้จะลดความเข้มข้นของ Alloy และทำให้ส่วนประกอบทางเคมีดั้งเดิมเปลี่ยนแปลงไป
- โลหะหลอมเหลวสามารถดูดซับก๊าซจากสิ่งแวดล้อมโดยรอบ ทำให้เกิดรูพรุน (Porosity) และความเปราะบางในชิ้นงานหล่อขั้นสุดท้าย
- การสูญเสียส่วนประกอบสำคัญหรือการสะสมของตำหนิ จะเปลี่ยนคุณสมบัติของ Alloy ทำให้เปราะมากขึ้น ความสามารถในการขึ้นรูป (Malleability) ลดลง ความลื่นไหล (Fluidity) ลดลงจนไม่สามารถเติมเต็มแม่พิมพ์ได้อย่างเหมาะสม หรือทำให้สีของวัสดุเปลี่ยนไป
วิธีการแก้ไข (Resolution) คือ ห้ามใช้ Alloy รีไซเคิลเกินกว่า 30% และควรนำโลหะจากชิ้นงานที่สันนิษฐานว่าผ่านการหลอมหรือหลอมซ้ำมาแล้วมากกว่าสองครั้ง ไปผ่านกระบวนการสกัดบริสุทธิ์ (Refining) ก่อน
5. การเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์
เกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ เช่น อุณหภูมิของเตาต่ำเกินไป หรือรอบการทำความร้อน (Heating cycle) ไม่ยาวนานเพียงพอ การระบายอากาศที่ไม่ดีและการขาดออกซิเจนภายในเตา ซึ่งขัดขวางการเผาไหม้ที่สมบูรณ์ของกาก Wax หรือ Resin ฟองอากาศที่ถูกกักไว้และกากคาร์บอนที่เผาไหม้ไม่หมดทำให้เกิดโพรงแยกตัวอิสระ ซึ่งมักมีขอบที่ทู่ กากที่ยังไม่ถูกกำจัดออกจะถูกรวมเข้าไปในโลหะหลอมเหลว ทำให้เกิด Inclusions ที่ปรากฏเป็นจุดคราบแข็งสีเข้มบนพื้นผิวของชิ้นงาน เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ขอแนะนำให้ตรวจสอบเตาโดยการวัดอุณหภูมิด้วย Probe บ่อยครั้งที่อุณหภูมิที่ตั้งไว้ไม่ตรงกับอุณหภูมิที่แท้จริงภายในเตา โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเตาขนาดใหญ่ที่อาจเกิดความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอทั่วถึงกันทุกบริเวณ ซึ่งโดยปกติพื้นที่ส่วนหลังและส่วนบนของเตาจะร้อนกว่าส่วนหน้าบริเวณใกล้ประตู เมื่อตรวจพบความแตกต่างของอุณหภูมิ (ค่า "Delta") แล้ว จะสามารถปรับรอบการ Burnout ที่ผู้ผลิตแนะนำได้ โดยการเพิ่มอุณหภูมิที่ตั้งไว้เพื่อชดเชยช่องว่างนี้ การขาดออกซิเจนสามารถแก้ไขได้เช่นกัน เพียงแค่เปิดประตูหน้าเตาสัก 2-3 ครั้งในช่วงที่อุณหภูมิ Burnout ขึ้นสูงสุด หรือพลิก Flask กลับด้าน (ให้ส่วน Casting cone หงายขึ้น) ในช่วงชั่วโมงสุดท้ายของการ Burnout
ขั้นตอนต่าง ๆ ของการ Burnout ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ Castable Resins
วิธีการแก้ไขที่เป็นไปได้ประการสุดท้าย หากใช้งานกับชิ้นงานที่พิมพ์ด้วยระบบ 3D คือ การใช้ Resins ที่มีส่วนผสมของ Real casting wax ในสัดส่วนที่สูงกว่า
https://www.bluecast.info/blog/the-burnout-cycle-for-castable-resins
