DED ช่วยลดระยะเวลาการพัฒนาวัสดุโลหะได้อย่างไร?

วิธีที่ DED ช่วยลดระยะเวลาในการพัฒนาวัสดุโลหะ

ทีมนักวิจัยที่กำลังพัฒนาโลหะผสมอลูมิเนียมชนิดใหม่สำหรับการใช้งานโครงสร้างในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ จำเป็นต้องประเมินตัวแปรองค์ประกอบจำนวน 18 แบบ — ซึ่งแต่ละแบบต้องผ่านขั้นตอนการหล่อแท่งวัตถุดิบ (cast billets), การอัดรีด (extrusion), การอบความร้อน (heat treatment), การกลึงให้เป็นตัวอย่างสำหรับทดสอบ (machining into test specimens) และการทดสอบเชิงกล (mechanical testing) วิธีการแบบดั้งเดิมจะใช้เวลา 14–18 เดือน แต่เมื่อใช้ กรุงเทพ (การสะสมพลังงานแบบทิศทาง) ด้วยวัสดุป้อนแบบลวดและซอฟต์แวร์วางแผนเส้นทางเฉพาะสำหรับ CAM ทีมงานพิมพ์ตัวอย่างทดสอบสำหรับตัวแปรทั้ง 18 แบบภายในแปดสัปดาห์ ซอฟต์แวร์สร้างเส้นทางการสะสมที่เหมาะสมที่สุดโดยอัตโนมัติสำหรับแต่ละองค์ประกอบ โดยปรับพารามิเตอร์ให้สอดคล้องกับลักษณะการหลอมละลายเฉพาะของแต่ละตัวแปร ตัวเลือกที่ให้ผลลัพธ์เร็วที่สุดถูกส่งต่อไปยังขั้นตอนการรับรองอย่างสมบูรณ์ล่วงหน้ากว่ากำหนดเวลาแบบดั้งเดิมถึงหกเดือน

กรุงเทพ กำจัดอุปสรรคด้านแม่พิมพ์ซึ่งเป็นเหตุให้การพัฒนาโลหะผสมแบบดั้งเดิมดำเนินไปอย่างช้า ใช้ต้นทุนสูง และมีความระมัดระวังมากเกินไป — องค์กรจึงทดลององค์ประกอบจำนวนน้อยลง เนื่องจากแต่ละองค์ประกอบมีต้นทุนสูงและใช้เวลานานเกินไป

จุดติดขัดแบบดั้งเดิมในการพัฒนาวัสดุ

การพัฒนาโลหะผสมชนิดใหม่สำหรับการใช้งานด้านโครงสร้างนั้นดำเนินตามแนวทางที่อุตสาหกรรมวัสดุได้ใช้มาเป็นเวลาหลายทศวรรษ ได้แก่ การกำหนดองค์ประกอบของวัสดุ จากนั้นหลอมและหล่อเป็นแท่งโลหะขนาดเล็ก แล้วขึ้นรูปแท่งโลหะด้วยการตีขึ้นรูปหรือรีดให้เป็นแผ่นหรือแท่ง ตัดชิ้นตัวอย่างเพื่อทดสอบ ทำการทดสอบสมบัติเชิงกล วิเคราะห์ผลที่ได้ ปรับองค์ประกอบของโลหะผสม และทำซ้ำกระบวนการดังกล่าว แต่ละรอบของการพัฒนาจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ช่วยในการผลิต เช่น แม่พิมพ์สำหรับการหล่อ แม่พิมพ์สำหรับการตีขึ้นรูป หรือแม่พิมพ์สำหรับการอัดขึ้นรูป ซึ่งมีต้นทุนอยู่ที่ 5,000–50,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อชุด และใช้เวลาในการผลิต 4–8 สัปดาห์ ดังนั้น โครงการพัฒนาที่ทดสอบโลหะผสมต้นแบบ 3 ชนิด โดยแต่ละชนิดทดลอง 5 รอบ จะต้องใช้ทั้งสิ้น 15 รอบ ใช้จ่ายกับอุปกรณ์ช่วยในการผลิต 150,000–750,000 ดอลลาร์สหรัฐ และใช้เวลาราว 18–24 เดือน ก่อนที่จะสั่งผลิตวัสดุในปริมาณที่ใช้ได้จริงในระดับโรงงานเป็นครั้งแรก

ผลทางการเงินคือ การพัฒนาวัสดุกลายเป็นแนวทางที่หลีกเลี่ยงความเสี่ยง ทีมงานทำการทดสอบช่วงองค์ประกอบที่แคบรอบโลหะผสมที่รู้จักกันดี เนื่องจากต้นทุนในการสำรวจเคมีใหม่ๆ อย่างแท้จริง — ซึ่งหมายถึงองค์ประกอบที่ห่างไกลจากเกรดที่มีอยู่เดิม — มีราคาสูงเกินไป ดังนั้น ความก้าวหน้าทางโลหะวิทยาที่อาจนำไปสู่การปรับปรุงประสิทธิภาพอย่างก้าวกระโดดในด้านความแข็งแรง ความต้านทานการกัดกร่อน หรือสมรรถนะที่อุณหภูมิสูงจึงยังไม่ได้รับการสำรวจ เนื่องจากระบบเศรษฐศาสตร์ของการทำซ้ำไม่สนับสนุนการทดลองเชิงสำรวจ

วิธีที่ DED ลดระยะเวลาการทำซ้ำ

การขึ้นรูปแบบขั้นตอนเดียว

กรุงเทพ ผลิตตัวอย่างทดสอบโดยตรงจากผงโลหะหรือลวดโลหะในขั้นตอนเดียว ไม่มีแม่พิมพ์ ไม่มีดาย (die) และไม่มีเครื่องมือสำหรับการอัดรีด (extrusion tooling) กระบวนการนี้จะวางวัสดุทีละชั้นลงบนแผ่นฐาน (build plate) ตามเส้นทางการเคลื่อนที่ของหัวพิมพ์ (toolpath) ซึ่งสร้างขึ้นโดยซอฟต์แวร์ CAM สำหรับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) ชิ้นงานฐานรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าเรียบง่าย ซึ่งจะถูกนำไปกลึงเป็นแท่งดึง (tensile bars) ตัวอย่างทดสอบความเหนื่อยล้า (fatigue specimens) และตัวอย่างทดสอบการกัดกร่อน (corrosion coupons) สามารถพิมพ์เสร็จได้ภายในไม่กี่ชั่วโมง รูปร่างเรขาคณิตของตัวอย่าง ซึ่งในวิธีการแบบดั้งเดิมอาจต้องผลิตขึ้นจากแท่งโลหะที่ผ่านการตีขึ้นรูป (forged billet) นั้น จะเกิดขึ้นโดยตรงจากกระบวนการ DED ในรูปแบบ preform ที่ใกล้เคียงกับรูปร่างสุดท้าย (near-net-shape) ซึ่งต้องการการกลึงตกแต่งเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

การลดระยะเวลาของรอบการผลิตนั้นน่าประทับใจมาก ซึ่งการปรับเปลี่ยนองค์ประกอบเพียงครั้งเดียว กรุงเทพ — ตั้งแต่การเลือกพารามิเตอร์ไปจนถึงการสร้างตัวอย่างทดสอบที่สมบูรณ์ — ใช้เวลาสามถึงสิบวัน ขึ้นอยู่กับจำนวนและระดับความซับซ้อนของตัวอย่าง เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีแบบดั้งเดิมที่ต้องผ่านกระบวนการหล่อ ตีขึ้นรูป และกลึง ซึ่งใช้เวลาแปดถึงสิบสองสัปดาห์ การปรับปรุงองค์ประกอบวัสดุแปดแบบ ซึ่งในวิธีแบบดั้งเดิมจะใช้เวลาหนึ่งปี สามารถทำเสร็จได้ภายในสองถึงสามเดือน ต้นทุนต่อรอบการปรับปรุงลดลงจาก 10,000–50,000 เป็น 500–2,000 สำหรับวัสดุและเวลาเครื่องจักร

ซอฟต์แวร์มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อความเร่งนี้ แพลตฟอร์ม CAM แบบเฉพาะสำหรับเทคโนโลยี DED สร้างเส้นทางเครื่องมือ (toolpaths) ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแหล่งความร้อน วัสดุ และรูปทรงเรขาคณิตเฉพาะแต่ละชนิด อัลกอริทึมการวางแผนเส้นทางควบคุมลำดับการเริ่มต้นและสิ้นสุดของอาร์ค การควบคุมอุณหภูมิระหว่างชั้น และความเร็วในการสะสมวัสดุ — ปัจจัยเหล่านี้ หากปล่อยให้เขียนโปรแกรมด้วยตนเอง จะต้องอาศัยการทดลองและปรับปรุงซ้ำแล้วซ้ำเล่าอย่างกว้างขวางสำหรับวัสดุแต่ละชนิด การสร้างเส้นทางโดยอัตโนมัติพร้อมการจำลองเพื่อยืนยันผล ช่วยลดเวลาการเขียนโปรแกรมสำหรับองค์ประกอบใหม่แต่ละแบบจากหลายวันเหลือเพียงไม่กี่ชั่วโมง

การพิมพ์วัสดุแบบเกรเดียนต์

กรุงเทพ ยังช่วยให้สามารถทดสอบวัสดุแบบเกรเดียนต์ได้ — ซึ่งเป็นความสามารถที่กระบวนการทั่วไปไม่สามารถทำได้ โดยการปรับอัตราส่วนของวัตถุดิบผงสองชนิดหรือมากกว่า หรือเปลี่ยนองค์ประกอบของลวดระหว่างการสร้างชิ้นงานเพียงครั้งเดียว ระบบ DED สามารถผลิตตัวอย่างทดสอบชิ้นเดียวที่มีองค์ประกอบแบบต่อเนื่องเปลี่ยนแปลงไป เช่น จากโครเมียม 0% ถึง 10% บนความยาว 100 มิลลิเมตร ตัวอย่างสำหรับการดึงที่ตัดออกมาทุกๆ 10 มิลลิเมตรตามแนวเกรเดียนต์จะให้ข้อมูลสมบัติเชิงกลสำหรับจุดองค์ประกอบจำนวนสิบจุดจากกระบวนการสร้างเพียงครั้งเดียว — ซึ่งข้อมูลดังกล่าวจะต้องใช้การหล่อและการตีขึ้นรูปแยกต่างหากถึงสิบครั้งตามวิธีการทั่วไป

การวิจัยร่วมระหว่าง Enigma-NOVA กับมหาวิทยาลัยลิสบอนเกี่ยวกับ Inconel 625 แสดงให้เห็นถึงผลกระทบของ กรุงเทพ บนพื้นฐานความเข้าใจวัสดุ โดยการปรับเปลี่ยนทิศทางเส้นทางการพิมพ์อย่างเป็นระบบ ขณะยังคงองค์ประกอบของวัสดุเหมือนเดิม ทีมวิจัยพบว่า การสลับทิศทางเส้นทางการพิมพ์ระหว่างชั้นที่มุม 90° ส่งผลให้เกิดโครงสร้างเม็ดผลึกแบบเกือบสมมาตร (near-equiaxed grain structures) ซึ่งมีความต้านแรงดึงที่จุดหยุดไหล (yield strength) เท่ากับ 401 เมกะพาสคาล และความสามารถในการยืดตัว (elongation) ร้อยละ 57 — ซึ่งเป็นค่ารวมของความแข็งแรงและความเหนียวที่เหนือกว่าวัสดุอินโคเนล 625 ที่ผ่านกระบวนการรีดร้อนแบบดั้งเดิม การค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างกระบวนการผลิตกับคุณสมบัติของวัสดุในลักษณะนี้ ซึ่งสามารถนำไปใช้กำหนดข้อกำหนดในการผลิตได้โดยตรง จะมีต้นทุนสูงมากจนไม่สามารถดำเนินการวิจัยได้ด้วยวิธีการโลหะวิทยาแบบดั้งเดิม

จากห้องปฏิบัติการสู่การผลิตจริง

เช่นเดียวกัน กรุงเทพ อุปกรณ์ที่ใช้ในการพัฒนาวัสดุสามารถทำหน้าที่เป็นระบบการผลิตได้ทันทีหลังจากที่โลหะผสมและกระบวนการผ่านการรับรองแล้ว พารามิเตอร์กระบวนการที่ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องบนตัวอย่างทดสอบจะถูกนำไปใช้กับชิ้นส่วนการผลิตโดยตรง เนื่องจากประวัติความร้อน — อัตราการเย็นตัว อุณหภูมิระหว่างชั้น และรูปร่างของชั้นวัสดุที่สะสม — ควบคุมด้วยซอฟต์แวร์และฮาร์ดแวร์เดียวกัน สิ่งนี้จึงช่วยขจัดช่องว่างในการขยายขนาด (scale-up gap) ระหว่างการทดลองหล่อในห้องปฏิบัติการกับการผลิตจริงในโรงหล่อ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วเคยเพิ่มระยะเวลาในการแนะนำโลหะผสมใหม่ให้ยาวนานขึ้น 6–12 เดือน

คำถามที่พบบ่อย

DED ช่วยลดระยะเวลาในการพัฒนาวัสดุเมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิมได้อย่างไร

DED กำจัดความจำเป็นในการผลิตแม่พิมพ์สำหรับแต่ละรอบการพัฒนาองค์ประกอบวัสดุ — เช่น แม่พิมพ์หล่อ แม่พิมพ์ขึ้นรูปด้วยแรงดัน และแม่พิมพ์อัดรีด — และสามารถผลิตตัวอย่างทดสอบได้โดยตรงภายในไม่กี่ชั่วโมง แทนที่จะใช้เวลาหลายสัปดาห์ ดังนั้นหนึ่งรอบการพัฒนาจะเสร็จสิ้นภายใน 3–10 วัน เมื่อเทียบกับวิธีแบบดั้งเดิมที่ใช้เวลา 8–12 สัปดาห์ สำหรับโครงการพัฒนาที่ต้องดำเนินการ 8 รอบ ซึ่งโดยปกติจะใช้เวลา 12–18 เดือน ก็สามารถเสร็จสิ้นได้ภายใน 2–3 เดือนด้วยเทคโนโลยี DED

การพิมพ์วัสดุแบบเกรเดียนต์ (gradient material printing) ในระบบ DED คืออะไร

การพิมพ์แบบเกรเดียนต์ (Gradient printing) ปรับเปลี่ยนองค์ประกอบของวัสดุอย่างต่อเนื่องในระหว่างการสร้างชิ้นส่วนด้วยกระบวนการ DED เพียงครั้งเดียว โดยการปรับอัตราส่วนของวัสดุป้อนเข้าสองชนิดขึ้นไป ตัวอย่างชิ้นทดสอบหนึ่งชิ้นจะมีสเปกตรัมขององค์ประกอบ เช่น ปริมาณโครเมียมที่เปลี่ยนแปลงจาก 0% ถึง 10% ตามความยาวของชิ้นงาน ซึ่งช่วยให้สามารถประเมินสมบัติเชิงกลของจุดองค์ประกอบหลายจุดได้จากการสร้างเพียงครั้งเดียว โดยไม่จำเป็นต้องทดลองแยกต่างหากสำหรับแต่ละองค์ประกอบ

ซอฟต์แวร์ DED ช่วยเร่งการพัฒนากระบวนการได้อย่างไร

ซอฟต์แวร์ CAM ที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับ DED สามารถสร้างเส้นทางเครื่องมือ (toolpaths) ที่เหมาะสมที่สุดโดยอัตโนมัติ สำหรับแหล่งความร้อน วัสดุ และเรขาคณิตเฉพาะเจาะจง อัลกอริธึมการปรับแต่งเส้นทางจะควบคุมลำดับการเริ่มต้นและหยุดการอาร์ค อุณหภูมิระหว่างชั้น และความเร็วในการสะสมวัสดุ การจำลองด้วยภาพเคลื่อนไหวแบบไดนามิก 360° ช่วยตรวจสอบความเป็นไปได้ในการเข้าถึงและประเมินความเสี่ยงของการชนกันก่อนเริ่มการสร้างจริง ทำให้ลดระยะเวลาการเขียนโปรแกรมแบบลองผิดลองถูกจากหลายวันเหลือเพียงไม่กี่ชั่วโมงต่อวัสดุใหม่แต่ละชนิด

วัสดุที่พัฒนาด้วยกระบวนการ DED สามารถผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้หรือไม่

ใช่ ระบบ DED เดียวกันที่ใช้ในการพัฒนาวัสดุสามารถนำมาใช้เป็นระบบการผลิตได้ทันทีหลังจากที่โลหะผสมและกระบวนการผ่านการรับรองแล้ว พารามิเตอร์กระบวนการที่ได้รับการตรวจสอบความถูกต้องบนตัวอย่างทดสอบสามารถนำไปใช้กับชิ้นส่วนการผลิตได้โดยตรง เนื่องจากประวัติความร้อน — อัตราการเย็นตัว อุณหภูมิระหว่างชั้น และเรขาคณิตของชั้นวัสดุที่สะสม — ควบคุมได้เหมือนกันทุกประการ สิ่งนี้จึงช่วยขจัดช่องว่างระหว่างการพัฒนาในห้องปฏิบัติการกับการผลิตจริง ซึ่งมักเกิดขึ้นในกระบวนการพัฒนาโลหะวิทยาแบบดั้งเดิม

สามารถวิเคราะห์ข้อมูลโลหะวิทยาใดได้บ้างจากตัวอย่างทดสอบ DED

การทดสอบเชิงกลมาตรฐาน — เช่น การดึง (แรงดึงที่ทำให้เกิดการไหล แรงดึงสูงสุด และการยืดตัว), การล้าตัว (ทั้งแบบความถี่สูงและแบบความถี่ต่ำ), ความต้านทานการแตกร้าว, ความแข็ง, และความต้านทานการกัดกร่อน — ดำเนินการกับตัวอย่างที่ตัดแต่งจากชิ้นงานที่สร้างด้วยเทคนิค DED นอกจากนี้ยังมีการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคด้วย SEM, EBSD และ TEM เพื่อให้ได้ข้อมูลเกี่ยวกับขนาดเกรน การกระจายตัวของเฟส และลักษณะการจัดเรียงตัวของเกรน ซึ่งการแข็งตัวอย่างรวดเร็วที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในกระบวนการ DED จะก่อให้เกิดโครงสร้างเกรนละเอียดที่มักเทียบเคียงหรือเหนือกว่าคุณสมบัติของวัสดุที่ผ่านกระบวนการแบบดั้งเดิม

DED สามารถทดสอบตัวแปรองค์ประกอบได้กี่แบบในโครงการพัฒนาหนึ่งโครงการ

ด้วยรอบการพัฒนาที่ใช้เวลา 3–10 วัน ระบบ DED หนึ่งชุดสามารถทดสอบตัวแปรองค์ประกอบได้ 15–30 แบบภายในโครงการพัฒนาที่ใช้เวลา 3–4 เดือน ซึ่งมีอัตราการผลิตสูงกว่าเทคนิคแบบเดิมประมาณสามถึงห้าเท่า และมีต้นทุนต่อตัวแปรเพียงหนึ่งในสิบของแบบเดิม การพิมพ์แบบเกรเดียนต์ (gradient printing) ยังเพิ่มอัตราการผลิตให้สูงขึ้นอีกด้วย โดยสามารถทดสอบองค์ประกอบหลายแบบในงานพิมพ์ชิ้นเดียว ทำให้ได้กราฟความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบกับสมบัติ (composition-property curves) แทนที่จะเป็นเพียงจุดข้อมูลเดี่ยวๆ