การพิมพ์แบบใช้ลวดช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการพิมพ์โลหะสามมิติได้อย่างไร

การพิมพ์ด้วยลวดช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการพิมพ์ 3 มิติวัสดุโลหะอย่างไร

ผู้ผลิตในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศที่ผลิตโครงยึดไทเทเนียมแบบโครงสร้าง ได้เปรียบเทียบวิธีการผลิตแบบเพิ่มวัสดุสองแบบสำหรับชิ้นส่วนไทเทเนียม-6 อลูมิเนียม-4 วาเนเดียม (Ti-6Al-4V) น้ำหนัก 45 กิโลกรัม ระบบเลเซอร์ DED แบบใช้ผงสามารถสะสมวัสดุได้ที่อัตรา 0.6 กิโลกรัมต่อชั่วโมง โดยใช้วัสดุได้ 60% — ซึ่งหมายความว่าต้องใช้ผงโลหะประมาณ 75 กิโลกรัม เพื่อผลิตชิ้นส่วนน้ำหนัก 45 กิโลกรัม โดยมีผงโลหะที่ไม่หลอมละลายจำนวน 30 กิโลกรัม ซึ่งจำเป็นต้องผ่านกระบวนการแยกสิ่งสกปรกและนำกลับมาใช้ใหม่ การพิมพ์ลวด ระบบ DED สร้างชิ้นส่วนที่มีรูปทรงเรขาคณิตเดียวกันด้วยอัตราการสะสมวัสดุ 1.0 กิโลกรัมต่อชั่วโมง โดยใช้วัสดุเกือบ 100% — ลวดจำนวน 45.5 กิโลกรัม ผลิตชิ้นส่วนสำเร็จรูปหนัก 45 กิโลกรัม วิธีการใช้ลวดสามารถผลิตชิ้นส่วนได้ภายใน 45 ชั่วโมง เทียบกับ 75 ชั่วโมงในวิธีอื่น และต้นทุนวัตถุดิบต่อกิโลกรัมของวัสดุที่สะสมมีค่าต่ำกว่า 40%

การพิมพ์ลวด ในการผลิตชิ้นส่วนโลหะแบบเพิ่มวัสดุ — ไม่ว่าจะเป็นแบบอาร์ค (WAAM) แบบเลเซอร์ หรือแบบพลาสม่า — จะเปลี่ยนแปลงหลักเศรษฐศาสตร์พื้นฐานของกระบวนการโดยสิ้นเชิง ความแตกต่างระหว่างลวดกับผงนั้นมีมากกว่าเพียงแค่รูปแบบทางกายภาพของวัตถุดิบเท่านั้น

ลวดเทียบกับผง — ช่องว่างด้านประสิทธิภาพ

อัตราการสะสมวัสดุ

ความแตกต่างของอัตราการสะสมระหว่างลวดกับผงมีรากฐานมาจากหลักฟิสิกส์ การสะสมด้วยผง การพิมพ์ลวด วิธีทางเลือกต้องใช้กระแสก๊าซพัดพาอนุภาคผงเข้าสู่แอ่งหลอมละลาย โดยอนุภาคที่ชนกับผิวของแอ่งหลอมละลายเท่านั้นที่จะยึดติดอยู่ ส่วนที่เหลือจะถูกพัดออกไปโดยกระแสก๊าซ หรือกระเด้งออกจากวัสดุแข็งที่ล้อมรอบแอ่งหลอมละลาย ประสิทธิภาพการสะสมของระบบที่ป้อนผงโดยทั่วไปอยู่ในช่วงร้อยละ 50–70 หมายความว่าผงที่ซื้อมาประมาณร้อยละ 30–50 จะกลายเป็นฝุ่นละอองเกิน (overspray) ซึ่งจำเป็นต้องเก็บรวบรวม แยกขนาดผ่านตะแกรง และอาจนำกลับมาใช้ใหม่

ระบบที่ป้อนลวดจะป้อนเส้นลวดแข็งแบบต่อเนื่องโดยตรงเข้าสู่แอ่งหลอมละลาย โดยทุกมิลลิเมตรของลวดจะถูกสะสมเป็นโลหะที่ตกผลึก ประสิทธิภาพการสะสมใกล้เคียงร้อยละ 100 — มีเพียงส่วนเล็กน้อยของลวดระหว่างหัวจ่ายและแอ่งหลอมละลายเท่านั้นที่อาจสูญเสียไป และระบบลวดสมัยใหม่ที่มีการควบคุมการป้อนแบบประสานงานกันสามารถลดการสูญเสียนั้นให้ต่ำจนไม่สำคัญ การพิมพ์ลวด ระบบที่มีการควบคุมการป้อนแบบประสานงานกันสามารถลดการสูญเสียนั้นให้ต่ำจนไม่สำคัญ

อัตราการสะสมวัสดุมีความแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ระบบป้อนลวดด้วยเลเซอร์สามารถบรรลุอัตราการสะสมได้ ≥1.0 กิโลกรัม/ชั่วโมง ภายใต้สภาวะกำลังเลเซอร์ที่เท่ากัน ซึ่งระบบที่ใช้ผงจะให้อัตราการสะสมประมาณ 0.6 กิโลกรัม/ชั่วโมง — คิดเป็นข้อได้เปรียบด้านผลิตภาพถึง 40% สำหรับระบบป้อนลวดแบบอาร์คที่ใช้เทคโนโลยี Cold Metal Transfer (CMT) จะสามารถบรรลุอัตราการสะสมได้ 2–5 กิโลกรัม/ชั่วโมง สำหรับเหล็กและโลหะผสมนิกเกิล และสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 10 กิโลกรัม/ชั่วโมง สำหรับการจัดวางแบบอัตราการสะสมสูงเป็นพิเศษบนชิ้นส่วนขนาดใหญ่ ส่วนระบบฟิวชันแบบพิมพ์ผง (powder bed fusion) ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดนั้น กลับทำงานที่อัตราเพียง 0.01–0.1 กิโลกรัม/ชั่วโมง

การใช้วัสดุอย่างคุ้มค่า

ช่องว่างด้านการใช้ประโยชน์จากวัสดุนั้นมีความชัดเจนยิ่งกว่าช่องว่างของอัตราการสะสมเสียอีก ระบบแบบใช้ผงโดยทั่วไปจะมีอัตราการใช้ประโยชน์จากวัสดุอยู่ที่ 60% — กล่าวคือ ผงที่ซื้อมา 100 กิโลกรัม จะให้วัสดุที่สะสมได้จริง 60 กิโลกรัม ส่วนที่เหลืออีก 40 กิโลกรัม ประกอบด้วยผงที่กระจายออกนอกเป้าหมาย (overspray) ซึ่งสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ผ่านกระบวนการแยกตะแกรง แต่คุณภาพลดลงเนื่องจากการหลอมละลายบางส่วนและการเกิดออกซิเดชัน ฝอยโลหะที่กระเด็น (spatter) ซึ่งไม่สามารถกู้คืนกลับมาใช้ได้ และคราบตกค้าง (condensate) ที่เกาะอยู่ตามผนังห้องประมวลผล

การพิมพ์ลวด บรรลุการใช้วัสดุอย่างมีประสิทธิภาพเกือบ 100% ลวดที่ใช้เป็นวัตถุดิบสำเร็จรูปในอุตสาหกรรม ซึ่งผ่านกระบวนการดึงให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางตามความแม่นยำที่กำหนด (±0.01 มม.) พร้อมควบคุมองค์ประกอบทางเคมี ความสะอาดของพื้นผิว และข้อกำหนดด้านโครงสร้างของลวด (cast) และรูปแบบเกลียว (helix) เพื่อให้มั่นใจในการป้อนลวดอย่างสม่ำเสมอ ต้นทุนลวดต่อกิโลกรัมโดยทั่วไปต่ำกว่าผงโลหะที่เทียบเคียงกัน 40–60% เนื่องจากการทำให้โลหะกลายเป็นผงทรงกลมที่มีการกระจายขนาดอนุภาคอย่างเข้มงวด เป็นกระบวนการที่ใช้พลังงานสูง ซึ่งเพิ่มต้นทุนวัตถุดิบขึ้นอีก 15–50 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม เมื่อเทียบกับกระบวนการดึงลวด

เหตุใดลวดจึงช่วยให้สามารถสร้างชิ้นส่วนขนาดใหญ่ขึ้นและสร้างได้รวดเร็วยิ่งขึ้น

หลักฟิสิกส์ของการป้อนผงทำให้เกิดข้อจำกัดด้านขนาดที่ใช้งานได้จริงสำหรับการผลิตแบบเพิ่มวัสดุที่ใช้ผงเป็นวัตถุดิบ เมื่อพื้นที่ของแอ่งหลอมละลายเพิ่มขึ้นเพื่อรองรับอัตราการสะสมวัสดุที่สูงขึ้น ลำแสงผงจะต้องกระจายครอบคลุมพื้นที่ที่กว้างขึ้นอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งทำให้การควบคุมพลวัตของกระแสก๊าซยากขึ้นเรื่อยๆ — อนุภาคผงที่เข้ามาถึงขอบของแอ่งหลอมละลายอาจไม่ละลายอย่างสมบูรณ์ ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องจากการไม่เชื่อมติดกัน (lack-of-fusion) การป้อนลวดแก้ปัญหานี้ได้ เนื่องจากลวดจะเข้าสู่แอ่งหลอมละลายที่จุดเดียวโดยไม่ขึ้นกับขนาดของแอ่ง และพลวัตของแอ่งหลอมละลายจะช่วยกระจายวัสดุให้ทั่วถึง

นี่คือเหตุผลที่การผลิตแบบเพิ่มวัสดุในขนาดใหญ่ — ชิ้นส่วนที่มีมิติใดมิติหนึ่งเกินหนึ่งเมตร — ใช้กระบวนการที่อาศัยลวดเป็นหลัก โดยใบพัดเรืออะลูมิเนียมที่มีความยาวหกเมตรซึ่งพิมพ์ด้วยเทคโนโลยี การพิมพ์ลวด WAAM มีความเหมาะสมสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ ในขณะที่ชิ้นส่วนเดียวกันนี้หากใช้ระบบแบบผงบนฐาน (powder bed) หรือระบบการสะสมวัสดุแบบผง (powder DED) จะต้องใช้ระบบขนาดใหญ่และมีราคาแพงจนเกินเหตุ รวมทั้งใช้เวลานานหลายสัปดาห์แทนที่จะเป็นเพียงไม่กี่วัน

ต้นทุนต่อกิโลกรัม

ผลรวมของอัตราการสะสมที่สูงขึ้น การใช้วัสดุที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น และต้นทุนวัตถุดิบที่ต่ำลง ส่งผลให้เกิดข้อได้เปรียบด้านต้นทุนต่อกิโลกรัมสำหรับ การพิมพ์ลวด ซึ่งทำให้ชิ้นส่วนโลหะแบบเพิ่มเนื้อขนาดใหญ่สามารถผลิตได้ในเชิงเศรษฐกิจ สำหรับโลหะผสมไทเทเนียม ต้นทุนการสะสมแบบใช้ลวดอยู่ที่ 150–300 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัมของชิ้นส่วนสำเร็จรูป เมื่อเทียบกับ 400–800 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัมสำหรับการสะสมแบบใช้เลเซอร์กับผง (laser DED) และ 800–2,000 ดอลลาร์สหรัฐขึ้นไปต่อกิโลกรัมสำหรับกระบวนการฟิวชันแบบผงบนถาด (powder bed fusion) ส่วนสำหรับเหล็กและโลหะผสมนิกเกิล อัตราส่วนดังกล่าวคล้ายกัน แม้ต้นทุนโดยรวมจะต่ำกว่า

คำถามที่พบบ่อย

การพิมพ์แบบใช้ลวดเร็วกว่าการพิมพ์สามมิติโลหะแบบใช้ผงมากเพียงใด

การสะสมด้วยเลเซอร์แบบป้อนลวดมีอัตรา ≥1.0 กิโลกรัมต่อชั่วโมง เทียบกับ 0.6 กิโลกรัมต่อชั่วโมงสำหรับการป้อนผงด้วยเลเซอร์แบบเทียบเคียงกัน ซึ่งหมายถึงข้อได้เปรียบด้านผลผลิต 40% ระบบสะสมแบบใช้ลวดที่ขับเคลื่อนด้วยอาร์ก (WAAM) สามารถบรรลุอัตรา 2–5 กิโลกรัมต่อชั่วโมงสำหรับเหล็กและโลหะผสมนิกเกิล และสูงสุดถึง 10 กิโลกรัมต่อชั่วโมงในระบบที่ออกแบบมาเพื่อการสะสมปริมาณสูงสุด ขณะที่ระบบฟิวชันแบบผงบนถาด (powder bed fusion) ที่เร็วที่สุดทำงานที่อัตรา 0.01–0.1 กิโลกรัมต่อชั่วโมง ทำให้การพิมพ์แบบใช้ลวดเร็วกว่า 10–500 เท่า ขึ้นอยู่กับการเปรียบเทียบ

เหตุใดการพิมพ์ด้วยลวดจึงสามารถใช้วัสดุได้อย่างคุ้มค่า 100%

ลวดถูกป้อนเข้าไปในบริเวณที่หลอมละลายเป็นเส้นใยแข็งแบบต่อเนื่องโดยตรง ทุกมิลลิเมตรของลวดจะถูกเปลี่ยนเป็นโลหะที่ถูกสะสมไว้ ขณะที่ระบบป้อนผงจะสูญเสียวัตถุดิบ 30–50% ไปในรูปของผงที่กระจายออกนอกบริเวณที่หลอมละลาย (overspray) ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่ตกกระทบลงบนบริเวณที่หลอมละลายและถูกพัดออกไปด้วยกระแสก๊าซ ประสิทธิภาพในการถ่ายโอนวัสดุที่ใกล้สมบูรณ์แบบของลวดจึงช่วยขจัดการสูญเสียวัสดุซึ่งมีอยู่โดยธรรมชาติในกระบวนการที่ใช้ผงเป็นวัตถุดิบ

โลหะที่พิมพ์ด้วยลวดมีความแข็งแรงเทียบเท่าโลหะที่พิมพ์ด้วยผงหรือโลหะที่ผลิตด้วยวิธีแบบดั้งเดิมหรือไม่

ใช่ การพิมพ์ด้วยลวดให้ผลผลิตที่มีความหนาแน่นเต็มที่ และคุณสมบัติเชิงกลสอดคล้องหรือเหนือกว่ามาตรฐานวัสดุที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยแรงกล (wrought material) สำหรับอินโคเนล 625 ชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี Wire-DED มีค่าความต้านแรงดึงที่จุดเริ่มไหล (yield strength) อยู่ที่ 401 เมกะพาสคาล ความต้านแรงดึงสูงสุด (tensile strength) ที่ 724 เมกะพาสคาล และความสามารถในการยืดตัว (elongation) ที่ร้อยละ 57 กระบวนการ DED ที่มีอัตราการแข็งตัวอย่างรวดเร็วทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่มีเกรนละเอียด ซึ่งมักมีคุณภาพดีกว่าวัสดุที่ผ่านการหล่อ และเทียบเคียงได้กับวัสดุที่ผ่านการตีขึ้นรูป

สามารถใช้โลหะชนิดใดบ้างในการพิมพ์ด้วยลวด

โลหะผสมไทเทเนียม (Ti-6Al-4V), โลหะผสมซูเปอร์อัลลอยนิกเกิล (Inconel 625, 718), เหล็กกล้าไร้สนิม (316L, 17-4PH), โลหะผสมอลูมิเนียม (2319, 4043, 5356), เหล็กคาร์บอน และโลหะผสมโคบอลต์-โครเมียม มีจำหน่ายเชิงพาณิชย์ในรูปแบบลวดที่ใช้ได้กับกระบวนการ DED ผู้ผลิตลวดเริ่มนำเสนอองค์ประกอบโลหะผสมที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับวัฏจักรความร้อนของการผลิตแบบเพิ่มขึ้น (additive manufacturing) มากกว่าการใช้งานด้านการเชื่อม

ข้อจำกัดด้านพื้นผิวของกระบวนการพิมพ์ด้วยลวดคืออะไร

พื้นผิวที่ได้โดยตรงจากการพิมพ์ด้วยลวดมีลักษณะเป็นรอยเลเยอร์ที่มองเห็นได้ชัดเจน โดยมีค่าความหยาบของพื้นผิวโดยทั่วไปอยู่ที่ Ra 10–25 ไมครอน ซึ่งหยาบกว่ากระบวนการฟิวชันแบบเบดผง (Ra 5–15 ไมครอน) แต่ใกล้เคียงกับการหล่อแบบทราย พื้นผิวที่ใช้งานจริง (เช่น ผิวของแบริ่ง ผิวของซีล หรือผิวที่สัมผัสกัน) จะผ่านการขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC เพื่อให้ได้ความคลาดเคลื่อนและคุณสมบัติพื้นผิวตามที่กำหนด ระบบไฮบริดที่รวมการผลิตแบบเพิ่มขึ้นและการตัดแต่งเข้าด้วยกันสามารถดำเนินการทั้งการสะสมวัสดุและการขึ้นรูปในหนึ่งการตั้งค่าเดียว จึงไม่จำเป็นต้องจัดวางชิ้นงานใหม่

กระบวนการพิมพ์ด้วยลวดจัดการกับโลหะที่มีปฏิกิริยาสูง เช่น ไทเทเนียม อย่างไร

การพิมพ์ลวดไทเทเนียมต้องใช้บรรยากาศเฉื่อยในการป้องกัน — โดยทั่วไปคืออาร์กอนความบริสุทธิ์สูง — ภายในห้องปิดหรือผ่านระบบจ่ายก๊าซป้องกันแบบเฉพาะจุด วัตถุดิบลวดไม่มีคุณสมบัติไวไฟเหมือนผงไทเทเนียม ซึ่งมีความเสี่ยงต่อการเกิดเพลิงไหม้และระเบิด ข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยนี้ ร่วมกับอัตราการใช้วัสดุที่สูงกว่า ทำให้ลวดเป็นวัตถุดิบที่เหมาะที่สุดสำหรับการผลิตชิ้นส่วนไทเทเนียมด้วยเทคโนโลยีการเพิ่มวัสดุในระดับอุตสาหกรรม