กระบวนการผลิตผงโลหะสำหรับการพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรม

ผงโลหะถือเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในอุตสาหกรรม การผลิตแบบเติมเนื้อสาร (Additive Manufacturing) (AM) อุตสาหกรรม ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับชิ้นส่วนโลหะที่ผลิตด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ในการประชุมอุตสาหกรรมเทคโนโลยีเครื่องพิมพ์ 3 มิติโลกปี 2013 ผู้เชี่ยวชาญได้ให้คำนิยามว่า การพิมพ์สามมิติ ผงโลหะ เป็นอนุภาคโลหะที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 1 มม. ซึ่งรวมถึงโลหะบริสุทธิ์ โลหะผสม และสารประกอบทนความร้อนที่มีคุณสมบัติเป็นโลหะ

ผงโลหะที่มีอยู่ในปัจจุบันสำหรับ การพิมพ์สามมิติ รวมถึงโลหะผสมโคบอลต์-โครเมียม โลหะสเตนเลส เหล็กกล้าสำหรับทำแม่พิมพ์ โลหะผสมบรอนซ์ โลหะไทเทเนียมผสม และโลหะผสมนิกเกิล-อะลูมิเนียม เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดที่เข้มงวดของกระบวนการ AM ผงโลหะจะต้องมีคุณสมบัติดังต่อไปนี้

• ขนาดอนุภาคละเอียด

• การกระจายขนาดแคบ

• ทรงกลมสูง

• ความสามารถไหลได้ดีเยี่ยม

• ความหนาแน่นเมื่อเติมและรวมตัวสูง

วิธีการผลิตผงโลหะ

ขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ตั้งใจไว้และกระบวนการแปรรูปขั้นต่อไป วิธีการผลิตผงโลหะที่ใช้จะแตกต่างกันไป ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทหลัก:

• วิธีการทางกายภาพเคมี

• วิธีทางกล

ในอุตสาหกรรมโลหะผง การแยกด้วยไฟฟ้า , การลดลง , และ การละลาย เป็นวิธีการที่พบได้ทั่วไป แม้ว่าจะไม่ใช่วิธีทั้งหมดที่เหมาะสำหรับการผลิตผงโลหะผสม ก็ตาม ในอุตสาหกรรมการผลิตแบบเติมเสริม (AM) ให้ความสำคัญหลักกับ โลหะผสมไทเทเนียม , ซูเปอร์แอลลอย , โคบอลต์-โครเมียม , เหล็กความแข็งสูง , และ เหล็กกล้าสำหรับทำแม่พิมพ์ เพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานด้านสมรรถนะ ผงโลหะต้องมีคุณสมบัติที่คงที่ดังต่อไปนี้

• ปริมาณออกซิเจนและไนโตรเจนต่ำ

• ทรงกลมสูง

• ช่วงขนาดอนุภาคแคบ

• ความหนาแน่นรวมสูง

ปัจจุบันมีอยู่ 4 วิธีที่เด่นชัดที่สุดสำหรับการผลิตผงโลหะทรงกลมสำหรับการผลิตแบบเติมเสริม (AM) ได้แก่

1. กระบวนการอิเล็กโทรดหมุนแบบพลาสมา (PREP)

2. การอะตอมมิซแบบพลาสมา (PA)

3. การอะตอมมิซด้วยก๊าซ (GA)

4. การสร้างอนุภาคกลมด้วยพลาสมา (PS)

1. กระบวนการอิเล็กโทรดหมุนแบบพลาสมา (PREP)

หลักการ:
แท่งโลหะ (อิเล็กโทรด) จะถูกหมุนด้วยความเร็วสูงในขณะที่ปลายถูกความร้อนจากพลาสมาอาร์คหลอมละลาย วัสดุที่หลอมละลายจะถูกเหวี่ยงออกด้วยแรงเหวี่ยง จนเกิดเป็นหยดน้ำขนาดเล็กที่แข็งตัวเป็นผงที่เกือบกลมสมบูรณ์ภายใต้สภาพแวดล้อมของก๊าซเฉื่อย

คุณสมบัติหลัก:

• ผลิตผงที่สะอาดและมีลักษณะกลมสูง

• การไหลได้ดีและคุณภาพพื้นผิวสูง

• การกระจายขนาดอนุภาคแคบ

ข้อจำกัด:

• ผลผลิตของผงละเอียดต่ำกว่า (<45 μm)

• ต้องใช้อุปกรณ์ที่มีข้อกำหนดสูง (ความเร็วรอบและการควบคุม)

• ต้นทุนสูงสำหรับผงละเอียด

การนำไปใช้:
เหมาะที่สุดสำหรับการผลิตผงโลหะผสมทรงกลม เช่น ผงไทเทเนียมและผงโลหะผสมทนความร้อนสูง โดยขนาดอนุภาคที่ใหญ่กว่ามักใช้ในกระบวนการ Laser Engineered Net Shaping (LENS) หรือ Directed Energy Deposition (DED)

2. การทำให้เป็นอะตอมด้วยพลาสมา (Plasma Atomization (PA))

หลักการ:
ลวดโลหะถูกป้อนเข้าไปในเขตพลาสมาอุณหภูมิสูง ซึ่งจะทำให้ลวดหลอมละลายหรือกลายเป็นไอ และแตกตัวเป็นหยดน้ำขนาดเล็กจากพลังงานจลน์ของพลาสมา หยดน้ำเหล่านี้จะเย็นตัวและแข็งตัวกลายเป็นผงละเอียดขณะตกลงมาในห้องที่บรรจุก๊าซเฉื่อย

คุณสมบัติหลัก:

• ให้ผลผลิตผงขนาดละเอียดสูง (<45 ไมครอน)

• เกิดอนุภาคกลวงหรืออากาศปิดกั้นต่ำมาก

• เหมาะมากสำหรับโลหะผสมที่มีจุดหลอมเหลวสูง

ข้อจำกัด:

• ต้องใช้ลวดโลหะเป็นวัตถุดิบ ทำให้ข้อจำกัดในการปรับเปลี่ยนสูตรโลหะผสม

• ต้นทุนการผลิตสูงขึ้นเนื่องจากกระบวนการแปรรูปลวด

• มีผงย่อย (satellite powder) ปนอยู่บ้าง

การนำไปใช้:
เหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้ในการผลิตแบบเพิ่มเนื้อผสาน (additive manufacturing) ที่ต้องการผงโลหะละเอียดบริสุทธิ์สูง เหมาะสมเป็นพิเศษสำหรับโลหะผสมไทเทเนียมที่ใช้ในกระบวนการหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรร (SLM) และการหลอมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (EBM)

3. การทำให้เป็นอนุภาคโดยก๊าซ (Gas Atomization: GA)

ประเภท:

• VIGA (Vacuum Induction Gas Atomization)
  ใช้เตาหลอมเพื่อหลอมโลหะภายใต้สภาพสุญญากาศ จากนั้นใช้ลำก๊าซเฉื่อยความดันสูงพ่นใส่เนื้อโลหะหลอมเหลวเพื่อทำให้แตกตัวเป็นหยดน้ำโลหะ

• EIGA (Electrode Induction-melting Inert Gas Atomization)
  หลอมอิเล็กโทรดโลหะที่กำลังหมุนด้วยขดลวดเหนี่ยวนำ ซึ่งช่วยกำจัดความจำเป็นในการใช้เตาหลอมและลดความเสี่ยงการปนเปื้อน

คุณสมบัติหลัก:

• ประสิทธิภาพสูงและคุ้มค่าต้นทุน

• เข้ากันได้กับโลหะผสมหลากหลายชนิด (เหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ อะลูมิเนียม ทองแดง)

• ควบคุมขนาดอนุภาคได้

ข้อจำกัด:

• รูปร่างทรงกลมต่ำกว่าวิธีที่ใช้พลาสมา

• มีปริมาณอนุภาคย่อย (satellite) และผงโลหะกลวงสูงกว่า

• การปิดกั้นอากาศทำให้วัสดุนี้เหมาะน้อยลงสำหรับการใช้งานในกระบวนการ EBM หรือ Hot Isostatic Pressing (HIP)

การนำไปใช้:
ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตผงสำหรับกระบวนการ SLM และ DED การปรับปรุงที่ต่อเนื่อง เช่น การทำให้ผงโลหะเป็นอนุภาคด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง และการพ่นด้วยก๊าซที่มีการไหลแบบเป็นชั้น ได้ช่วยเพิ่มคุณภาพของผงสำหรับงาน Additive Manufacturing (AM)

4. การทำให้เป็นทรงกลมด้วยพลาสมา (PS)

หลักการ:
ผงโลหะที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอจะถูกป้อนเข้าไปในหัวพ่นพลาสมาที่ใช้คลื่นความถี่วิทยุ (RF) อนุภาคจะถูกให้ความร้อนจนถึงจุดหลอมเหลวหรือสูงกว่าจุดหลอมเหลว จากนั้นจึงเย็นตัวอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดอนุภาคทรงกลมจากแรงตึงผิว

คุณสมบัติหลัก:

• มีความกลมสมบูรณ์และพื้นผิวเรียบเนียน

• ไหลได้ดี

• เหมาะสำหรับโลหะทนความร้อน (แทนทาลัม ทังสเตน ไนโอเบียม โมลิบดีนัม)

ข้อจำกัด:

• ใช้เวลาในการให้ความร้อนนาน

• ออกซิเจนเพิ่มขึ้นเนื่องจากพื้นที่ผิวที่มากขึ้น

• สูญเสียธาตุโลหะผสมที่ระเหยได้ในระหว่างการหลอม

การนำไปใช้:
ใช้หลักในการแปรรูปผงที่ไม่ใช่ทรงกลมให้กลายเป็นทรงกลม รวมถึงมีคุณค่าในการนำผงที่ใช้แล้วหรือผงรีไซเคิลกลับมาใช้ใหม่

การเปรียบเทียบวิธีการ

สรุป

ทั่วโลก เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเสริม (Additive Manufacturing) กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วในด้านวัสดุ อุปกรณ์ และการประยุกต์ใช้ แม้ว่าปัจจุบันมักให้ความสำคัญกับกระบวนการพิมพ์เองเป็นหลัก แต่การพัฒนาผงโลหะในขั้นต้น โดยเฉพาะการออกแบบโลหะผสม อุปกรณ์การผลิต และเทคโนโลยีการทำให้เป็นทรงกลมที่มีต้นทุนต่ำ ยังคงเป็นพื้นที่สำคัญที่ยังไม่ได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่

เพื่อสนับสนุนระบบนิเวศ AM ที่แข็งแกร่งและมีอิสระ จำเป็นต้องให้ความสนใจมากขึ้นต่อโครงสร้างพื้นฐานการผลิตผง นวัตกรรมกระบวนการ และการวิจัยวัสดุ การสร้างศักยภาพในด้านเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการขับเคลื่อนโซลูชันการพิมพ์ 3 มิติของโลหะที่มีสมรรถนะสูง คุ้มค่า และสามารถขยายขนาดได้