ชิ้นส่วนโลหะสามารถพิมพ์ด้วยเลเซอร์ได้หรือไม่? เปิดเผยเทคโนโลยีขั้นสูงของการพิมพ์ 3 มิติด้วย SLM!

เมื่อพูดถึงการพิมพ์ 3 มิติ สิ่งแรกที่อาจนึกถึงคือของเล่นพลาสติกและโมเดลเรซิน แต่คุณรู้หรือไม่ว่ามีเทคโนโลยีชนิดหนึ่ง laser 3d printing ที่สามารถ "พิมพ์" ชิ้นส่วนโลหะ เช่น โลหะผสมไทเทเนียม และสแตนเลสสตีล รวมถึงชิ้นส่วนรับน้ำหนักที่ซับซ้อนสำหรับภาคสนามการบินและอวกาศได้โดยตรง? นี่คือเทคโนโลยี Selective Laser Melting (SLM) การพิมพ์ 3 มิติ เทคโนโลยี สิ่งใดที่ทำให้เทคโนโลยีนี้สามารถก้าวข้ามอุปสรรคในการแปรรูปโลหะได้? และเหตุใดจึงกลายเป็น "เครื่องมือใหม่" สำหรับการผลิตขั้นสูง? วันนี้เราจะมาเจาะลึกถึงรายละเอียดทางเทคนิคเบื้องหลังกัน

การพิมพ์ 3 มิติด้วยการหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือก (Selective Laser Melting - SLM): การสร้างชิ้นส่วนโลหะผ่านกระบวนการ "หลอมผงด้วยเลเซอร์"

ต่างจากเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ Fused Deposition Modeling (FDM) ทั่วไป การพิมพ์ 3 มิติด้วย SLM ใช้ผงโลหะเป็นวัตถุดิบ โดยลำแสงเลเซอร์พลังงานสูงจะทำการหลอมผงโลหะทีละชั้นตามเส้นทางที่กำหนดไว้ล่วงหน้า จากนั้นผงที่หลอมแล้วจะเย็นตัวและซ้อนทับกันเป็นชิ้นส่วนสามมิติ กระบวนการทั้งหมดคล้ายกับการ "วาด" บนผงโลหะด้วยเลเซอร์—เมื่อเสร็จสิ้นหนึ่งชั้น ก็จะมีการโรยผงชั้นใหม่แล้วซ้อนทับกันไปเรื่อยๆ จนได้ผลิตภัณฑ์สุดท้าย กระบวนการนี้ช่วยให้สามารถขึ้นรูปโครงสร้างที่ซับซ้อนได้ในชิ้นเดียวโดยไม่ต้องใช้แม่พิมพ์ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนที่มีรูปร่างพิเศษหรือชิ้นส่วนกลวง ซึ่งยากต่อการประมวลผลด้วยวิธีการตัดแต่งแบบดั้งเดิม

เปิดเผย "หัวใจ" ของอุปกรณ์: โครงสร้างหลักที่กำหนดความแม่นยำในการพิมพ์

เพื่อให้ได้การพิมพ์ชิ้นส่วนโลหะที่มีความแม่นยำสูง โครงสร้างหลักของอุปกรณ์ถือเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง ตามการวิจัยของทีมที่นำโดยจู เทียนกว่าง จากมหาวิทยาลัยเซินหยาง ลี่กง การพิมพ์ 3D แบบ SLM สำหรับโลหะนั้นขึ้นอยู่กับสาม "องค์ประกอบสำคัญ" หลักในการรับประกันประสิทธิภาพ:

• กลไกยกแกน Z แบบความแม่นยำสูง: "ลิฟต์ความแม่นยำ" สำหรับการ "เติบโต" ของชิ้นส่วน

ชิ้นส่วนโลหะถูกสร้างขึ้นทีละชั้นแบบ "การเติบโต" หลังจากพิมพ์แต่ละชั้นแล้ว แท่นทำงานจะต้องเคลื่อนตัวลงอย่างแม่นยำตามความหนาของหนึ่งชั้น (โดยทั่วไป 0.02–0.1 มม.) ซึ่งจำเป็นต้องใช้กลไกยกแกน Z ที่มีความแม่นยำสูงในการควบคุม การวิจัยนี้ใช้การออกแบบแบบรวมกันของ "มอเตอร์เซอร์โว + สกรูบอล + รางเลื่อนเชิงเส้น" โดยมอเตอร์เป็นรุ่น Delta ECMA-CA06 สกรูมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 16 มม. และรางเลื่อนเป็นประเภท SSR20XV การออกแบบนี้สามารถทำให้เกิดความแม่นยำในการจัดตำแหน่งซ้ำได้ ±0.001 มม. เทียบเท่ากับ 1/60 ของเส้นผ่านศูนย์กลางเส้นผมมนุษย์ ทำให้มั่นใจได้ว่าข้อผิดพลาดในการซ้อนชั้นจะน้อยที่สุด และป้องกันการเกิด "เส้นขั้นบันได" บนชิ้นส่วน

• ห้องป้องกันด้วยก๊าซเฉื่อย: ป้องกันการ "ออกซิเดชันและเสื่อมสภาพ" ของโลหะ

ผงโลหะมีแนวโน้มที่จะเกิดการออกซิเดชันจากออกซิเจนในอากาศเมื่อหลอมที่อุณหภูมิสูง ซึ่งทำให้เกิดรูพรุนและรอยแตกในชิ้นส่วน อุปกรณ์ห้องป้องกันด้วยก๊าซเฉื่อยจะทำการสูญญากาศภายในห้อง (จนระดับความสุญญากาศต่ำกว่า 100Pa) จากนั้นจึงเติมก๊าซเฉื่อย เช่น อาร์กอน เข้าไป โดยผ่านระบบฟอกอากาศแบบหมุนเวียน ควบคุมปริมาณออกซิเจนให้อยู่ภายใน 100ppm (เทียบเท่ากับออกซิเจนเพียง 0.1 ลิตรในอากาศ 1 ลูกบาศก์เมตร) เพื่อให้มั่นใจว่าโลหะจะไม่เกิดการออกซิเดชันระหว่างการหลอม และช่วยเพิ่มความแข็งแรงทางกลของชิ้นส่วน

• ระบบแกเลวาโนมิเตอร์ออพติคอล: "ผู้นำทางอันแม่นยำ" สำหรับเลเซอร์

ลำแสงเลเซอร์ขึ้นอยู่กับระบบกาลวานอมิเตอร์แบบออปติคัลในการควบคุมเส้นทางเพื่อหลอมผงวัสดุ ระบบดังกล่าวประกอบด้วยกาลวานอมิเตอร์สแกนความเร็วสูงสองตัว (แกน X/Y) มอเตอร์จะขับเคลื่อนกระจกสะท้อนให้เบี่ยงเบนอย่างรวดเร็ว ทำให้ลำแสงเลเซอร์สามารถเคลื่อนที่บนพื้นผิวผงได้เหมือนกับ "แปรง" ที่ความเร็วการสแกนหลายเมตรต่อวินาที โดยติดตั้งเลเซอร์ไฟเบอร์ (ซึ่งมีความหนาแน่นพลังงานสูงและการระบายความร้อนที่ดี) สามารถควบคุมขนาดจุดโฟกัสได้อย่างแม่นยำ (เล็กสุดถึง 0.1 มม.) ทำให้สามารถพิมพ์โครงสร้างละเอียด เช่น ฟันเฟือง และช่องไหลของใบพัดเทอร์ไบน์ ได้อย่างง่ายดาย

จากห้องปฏิบัติการสู่โรงงาน: เทคโนโลยี SLM ถูกนำไปใช้งานจริงอย่างแพร่หลายเพียงใด?

ในปัจจุบันเทคโนโลยีการพิมพ์ 3D แบบ SLM ได้ก้าวพ้นจากห้องปฏิบัติการเข้าสู่กระบวนการผลิตจริง และถูกนำไปประยุกต์ใช้ในหลายสาขาที่มีความทันสมัยสูง:

ด้านการบินและอวกาศ: มหาวิทยาลัยโพลีเทคนิคตะวันตกเฉียงเหนือใช้เทคโนโลยี SLM ในการผลิตชิ้นส่วนปีกกลางของเครื่องบินขนาดใหญ่ที่ผลิตในประเทศจีนรุ่น C919 ซึ่งช่วยลดน้ำหนักชิ้นส่วนลง 30% ในขณะที่เพิ่มความแข็งแรงขึ้น 15% มหาวิทยาลัยเป่ยหาง (มหาวิทยาลัยการบินและอวกาศปักกิ่ง) ยังได้นำเทคโนโลยีนี้มาใช้พิมพ์ชิ้นส่วนโลหะผสมไทเทเนียมขนาดใหญ่ที่ทำหน้าที่รับน้ำหนักหลักของเครื่องบิน ซึ่งประสบความสำเร็จในการทำลายการผูกขาดเทคโนโลยีจากต่างประเทศ

ด้านการแพทย์: การปลูกถ่ายฟันเทียมและข้อต่อเทียมสามารถ "พิมพ์ตามคำสั่ง" โดยใช้เทคโนโลยี SLM ได้ ทำให้สามารถปรับรูปทรงให้พอดีกับโครงสร้างกระดูกของผู้ป่วย และลดความเสี่ยงจากการผ่าตัด แผ่นโลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้ในการผ่าตัดกระดูกสามารถออกแบบให้มีโครงสร้างกลวงได้ผ่านกระบวนการ SLM ซึ่งช่วยลดภาระทางกายภาพแก่ผู้ป่วย

ด้านการผลิตรถยนต์: ทีมจากมหาวิทยาลัยเซี่ยงไฮ้เจียวทงได้นำเทคโนโลยี SLM มาประยุกต์ใช้ในการวิจัยและพัฒนาชิ้นส่วนรถยนต์ เช่น ช่องทางไหลของระบบระบายความร้อนในหัวสูบเครื่องยนต์ ซึ่งกระบวนการแบบดั้งเดิมไม่สามารถสร้างโครงสร้างภายในที่ซับซ้อนได้ แต่ SLM สามารถขึ้นรูปได้ในครั้งเดียว ทำให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นกว่า 20%

อนาคตที่น่าจับตามอง: เทคโนโลยี SLM จะสามารถก้าวข้ามข้อจำกัดใดได้อีกในอนาคต?

ด้วยความก้าวหน้าของอุตสาหกรรม 4.0 เทคโนโลยี SLM จะผสานรวมกับปัญญาประดิษฐ์ (AI) และดิจิทัลทวิน (digital twins) ตัวอย่างเช่น AI สามารถใช้ในการปรับปรุงเส้นทางการสแกนด้วยเลเซอร์ เพื่อลดแรงดึงภายในชิ้นส่วน ส่วนเทคโนโลยีดิจิทัลทวินสามารถจำลองกระบวนการพิมพ์ล่วงหน้าและตรวจจับข้อบกพร่องได้แต่เนิ่นๆ ในอนาคต เราอาจเห็น "ชิ้นส่วนโลหะแบบเฉพาะตัว" เข้ามาในชีวิตประจำวันมากขึ้น—แม้แต่ผ้าเบรกของรถยนต์หรือก๊อกน้ำในบ้านคุณ ก็อาจจะถูกผลิตด้วยวิธี "พิมพ์ด้วยเลเซอร์"!