การใช้เทคโนโลยีเลเซอร์ DED ช่วยให้สามารถซ่อมแซมและฟื้นฟูชิ้นส่วนโลหะที่มีมูลค่าสูงได้

โรงงานปิโตรเคมีแห่งหนึ่งในตะวันออกกลางเผชิญภาวะต้องหยุดการผลิตภายในกำหนดเวลา เนื่องจากแกนหมุนกังหันทำจากวัสดุอินโคเนล 625 เกิดความเสียหาย — ซึ่งเป็นชิ้นส่วนหนัก 1.2 ตัน ที่มีระยะเวลาจัดหาใหม่ถึงหกเดือน และมีราคาแทนที่สูงถึง 180,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ ผู้ให้บริการ **laser DED** ได้ทำการสแกนบริเวณส่วนแบริ่งที่สึกหรอ จากนั้นสร้างเส้นทางการเคลื่อนที่ของหัวฉีด (toolpath) เพื่อเติมวัสดุที่ขาดหายไป และนำวัสดุอินโคเนล 625 มาฉาบเป็นชั้นๆ ลงบนผิวด้านนอกของแกนหมุน จากนั้นจึงขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรกลจนได้ขนาดตามแบบแปลนที่กำหนดไว้ หลังจากนั้น แกนหมุนถูกติดตั้งกลับเข้าระบบภายใน 11 วันหลังถอดออก ด้วยต้นทุนการซ่อมทั้งหมดเพียง 38,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ หรือคิดเป็นเพียง 21% ของราคาชิ้นส่วนใหม่ และเสร็จสมบูรณ์เร็วกว่ากำหนดส่งมอบชิ้นส่วนใหม่ถึงห้าเดือน

เลเซอร์ ded (การสะสมพลังงานแบบมุ่งเป้า) ทำให้ต้นทุนในการซ่อมแซมชิ้นส่วนที่มีมูลค่าสูงเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง เมื่อใบพัดหมุน (impeller) ราคา 50,000 ดอลลาร์สหรัฐ หรือจานหมุนกังหัน (turbine disk) ราคา 200,000 ดอลลาร์สหรัฐ เกิดการสึกหรอเฉพาะจุด ทางเลือกไม่ได้จำกัดเพียงสองทางอีกต่อไป คือ แทนที่ใหม่หรือทิ้งทั้งหมด แต่ตอนนี้มีทางเลือกที่สาม คือ การฉีดวัสดุที่สูญเสียไปลงไปอย่างแม่นยำ ณ ตำแหน่งที่สูญเสียไป โดยการยึดเกาะเชิงโลหะวิทยาที่เทียบเคียงหรือเหนือกว่าการหล่อเดิม

เหตุใดเลเซอร์แบบ DED จึงเปลี่ยนสมการการซ่อมแซม

ตัวเลือกการซ่อมแบบทั่วไปสำหรับชิ้นส่วนโลหะที่สึกหรอมีข้อจำกัดและแต่ละวิธีล้วนมีข้อเสียเปรียบ วิธีเชื่อมทับซ้อน (Welding overlay) — ไม่ว่าจะใช้กระบวนการ TIG หรือ MIG — จะทำให้เกิดความร้อนสูงมาก ส่งผลให้ชิ้นส่วนบิดเบี้ยว เกิดโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (Heat-Affected Zone: HAZ) ซึ่งแผ่เข้าไปในวัสดุพื้นฐานลึก 5–15 มิลลิเมตร และมักจำเป็นต้องผ่านการอบร้อนหลังการเชื่อม (Post-weld heat treatment) ซึ่งจะเปลี่ยนคุณสมบัติเดิมของชิ้นส่วนที่ผ่านการชุบแข็งแบบผ่านทั้งชิ้น (through-hardened properties) ขณะที่การเคลือบด้วยเทคนิคพ่นความร้อน (Thermal spray coatings) ให้ความต้านทานการสึกหรอ แต่ยึดติดกับพื้นผิวด้วยแรงยึดเกาะเชิงกล (mechanical bond) จึงอาจลอกออก (delaminate) ภายใต้แรงกระแทกหรือแรงโหลดแบบเป็นจังหวะ (cyclic loading) ส่วนการเปลี่ยนชิ้นส่วนใหม่ หมายถึงต้องจ่ายค่าใช้จ่ายเต็มจำนวนสำหรับชิ้นส่วนใหม่รวมทั้งค่าจัดส่งแบบเร่งด่วน ซึ่งมักมีระยะเวลาการรอคอย (lead time) เกิน 20 สัปดาห์สำหรับชิ้นส่วนที่ผลิตจากโลหะผสมพิเศษ

เลเซอร์ ded ทำงานบนหลักการที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง ลำแสงเลเซอร์สร้างแอ่งหลอมละลายที่แม่นยำบนพื้นผิวที่ได้รับความเสียหาย ในขณะที่ผงโลหะหรือลวดโลหะถูกฉีดเข้าไปในแอ่งหลอมละลายนั้น ผลลัพธ์ที่ได้คือชั้นสะสมที่มีความหนาแน่นสมบูรณ์แบบและผสานกันทางโลหะวิทยาอย่างแน่นหนา โดยโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) มักมีขนาดไม่เกิน 2 มิลลิเมตร ซึ่งเท่ากับหนึ่งในสี่ถึงหนึ่งในแปดของ HAZ ที่เกิดจากการเชื่อมแบบดั้งเดิม การให้ความร้อนเฉพาะจุดนี้หมายความว่าส่วนใหญ่ของชิ้นส่วนจะไม่ร้อนเกิน 100–150°C จึงรักษาการอบอุณหภูมิเริ่มต้น การจัดเรียงโครงสร้างเกรน และคุณสมบัติเชิงกลของบริเวณที่ไม่ได้รับความเสียหายไว้ได้อย่างสมบูรณ์

ประสิทธิภาพในการใช้วัสดุของ เลเซอร์ ded การซ่อมแซมมีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับโลหะผสมที่ใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ชิ้นส่วนเทอร์ไบน์ทำจากอินโคเนล 718 ชิ้นส่วนโครงสร้างที่ทำจากไทเทเนียม Ti-6Al-4V และพื้นผิวที่ทนต่อการสึกหรอที่ทำจากโคบอลต์-โครเมียม — ทั้งหมดนี้สามารถฉาบด้วยวัสดุที่มีองค์ประกอบทางเคมีตรงกับข้อกำหนดของวัสดุฐานได้ โดยต่างจากการใช้ชิ้นส่วนทดแทนที่ผลิตด้วยการหล่อแล้วนำมาขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรจากวัตถุดิบที่มีขนาดใหญ่เกินความจำเป็น (ซึ่งมักจะมีวัสดุที่ซื้อมาถึง 80–90% ถูกตัดทิ้งกลายเป็นเศษชิ้นงาน) ในขณะที่กระบวนการ DED จะฉาบวัสดุเฉพาะบริเวณที่ต้องการเท่านั้น ทำให้อัตราการใช้วัสดุมีค่าสูงกว่า 90%

เลเซอร์ DED ฟื้นฟูโลหะที่เสียหายได้อย่างไร

โลหะวิทยาของ เลเซอร์ ded การเคลือบซ่อมแซมมีความแตกต่างโดยพื้นฐานจากวิธีการเชื่อมแบบเคลือบผิว การอัดตัวแข็งตัวอย่างรวดเร็ว — ที่อัตรา 10³ ถึง 10⁵ องศาเซลเซียสต่อวินาทีสำหรับกระบวนการเลเซอร์ เมื่อเปรียบเทียบกับ 10¹ ถึง 10² องศาเซลเซียสต่อวินาทีสำหรับการเชื่อมแบบอาร์ค — ส่งผลให้เกิดโครงสร้างจุลภาคที่มีเกรนละเอียดและมีสมบัติเชิงกลเหนือกว่า สำหรับโลหะผสมซูเปอร์อัลลอยที่มีส่วนประกอบหลักเป็นนิกเกิล โครงสร้างเกรนละเอียดนี้สามารถต้านทานการไหลช้า (creep) และการเริ่มต้นของรอยแตกร้าวจากแรงกระทำซ้ำ (fatigue crack initiation) ได้ดีกว่าโครงสร้างหล่อเดิมที่มีเกรนหยาบกว่า การทดสอบอิสระของชิ้นส่วน Inconel 625 ที่ซ่อมแซมด้วยเทคโนโลยี DED แสดงให้เห็นว่ามีค่าความต้านแรงดึงที่จุดเยื้อง (yield strength) อยู่ที่ 401 MPa ความต้านแรงดึงสูงสุด (tensile strength) อยู่ที่ 724 MPa และความสามารถในการยืดตัว (elongation) อยู่ที่ 57% — ซึ่งค่าทั้งหมดนี้สอดคล้องหรือดีกว่าข้อกำหนดสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ผ่านกระบวนการขึ้นรูปด้วยแรงกล

การทดสอบความทนทานต่อแรงกระทำซ้ำบน เลเซอร์ ded ส่วนประกอบด้านการบินและอวกาศที่ได้รับการซ่อมแซมแล้วแสดงให้เห็นว่า การซ่อมแซมที่ดำเนินการอย่างเหมาะสมสามารถฟื้นฟูอายุการใช้งานภายใต้แรงกระทำซ้ำ (fatigue life) ได้ถึงร้อยละ 90–100 ของอายุการใช้งานเดิมของชิ้นส่วนนั้น ปัจจัยสำคัญคือความสมบูรณ์ของบริเวณรอยต่อ (interface integrity) — ซึ่งหมายถึงรอยต่อระหว่างวัสดุที่ใช้ซ่อมแซมกับวัสดุพื้นฐานต้องปราศจากข้อบกพร่อง เช่น การไม่เชื่อมติดกันอย่างสมบูรณ์ (lack-of-fusion), รูพรุน (porosity) และสารสิ่งสกปรกประเภทออกไซด์ (oxide inclusions) ระบบตรวจสอบกระบวนการแบบเรียลไทม์ที่ใช้กล้องจับภาพแอ่งหลอมเหลว (melt pool cameras) และการถ่ายภาพความร้อน (thermal imaging) จะให้ข้อมูลคุณภาพแบบทันทีระหว่างขั้นตอนการสะสมวัสดุ ทำให้สามารถปรับแต่งพารามิเตอร์การประมวลผลได้ก่อนที่ข้อบกพร่องจะฝังตัวเข้าไปในส่วนที่ซ่อมแซม

คำถามที่พบบ่อย

เลเซอร์ DED สามารถซ่อมแซมความเสียหายประเภทใดได้บ้าง

การซ่อมแซมด้วยเลเซอร์ DED สามารถแก้ไขความเสียหายจากการสึกหรอ (เช่น ผิวเพลาที่รองรับแบริ่ง หรือผิวที่ใช้กับซีล) ความเสียหายจากสนิมเป็นหลุม (corrosion pitting) ความเสียหายจากการกระแทก ข้อผิดพลาดในการกลึง และรอยแตกจากแรงกระทำซ้ำ (fatigue cracks) หลังจากนำรอยแตกออกและเตรียมพื้นผิวให้พร้อมสำหรับการซ่อมแซมแล้ว เทคโนโลยีนี้สามารถจัดการกับความลึกของความเสียหายได้ตั้งแต่ 0.5 มิลลิเมตร ไปจนถึงมากกว่า 25 มิลลิเมตร และขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่เพลาขนาดเล็กไปจนถึงโครงสร้างปลอกเทอร์ไบน์ขนาดใหญ่ โดยใช้ระบบขับเคลื่อนแบบหลายแกน (multi-axis) ทั้งหุ่นยนต์หรือเครื่องจักรควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ (CNC) ซึ่งสามารถซ่อมแซมพื้นผิวโค้งที่มีรูปทรงซับซ้อนได้

ต้นทุนการซ่อมแซมด้วยเลเซอร์ DED เทียบกับการเปลี่ยนชิ้นส่วนใหม่เป็นอย่างไร

ต้นทุนการซ่อมมักอยู่ในช่วงร้อยละ 15–40 ของต้นทุนชิ้นส่วนใหม่ โดยสามารถประหยัดได้มากที่สุดสำหรับชิ้นส่วนโลหะผสมขนาดใหญ่และซับซ้อนที่มีระยะเวลาจัดหาค่อนข้างยาว ตัวอย่างเช่น การซ่อมเพลาเทอร์ไบน์ด้วยเทคนิคเลเซอร์ DED ราคา 38,000 บาท เทียบกับการเปลี่ยนชิ้นส่วนใหม่ราคา 180,000 บาท ซึ่งเป็นอัตราส่วนที่พบได้ทั่วไปในอุตสาหกรรมการบินและพลังงาน ส่วนชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีต้นทุนการเปลี่ยนใหม่ต่ำกว่า 5,000 ดอลลาร์สหรัฐฯ ความคุ้มค่าของการซ่อมจะขึ้นอยู่กับระดับความเสียหายและระดับความยากง่ายในการเข้าถึงบริเวณที่ต้องซ่อม

การซ่อมด้วยเลเซอร์ DED ทำให้วัสดุชิ้นเดิมอ่อนแอลงหรือไม่

การซ่อมด้วยเลเซอร์ DED ที่ดำเนินการอย่างเหมาะสมจะเกิดการเชื่อมผสานทางโลหะวิทยากับวัสดุพื้นฐาน และให้สมบัติเชิงกลที่เทียบเท่าหรือเหนือกว่าวัสดุหล่อเดิม โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (HAZ) มักมีความกว้างไม่เกิน 2 มม. ซึ่งแคบกว่าการเชื่อมแบบอาร์คอย่างมาก จึงช่วยรักษาการอบร้อนดั้งเดิมของชิ้นส่วนส่วนใหญ่ไว้ได้ ผลการทดสอบความเหนื่อยล้าแสดงว่าชิ้นส่วนที่ผ่านกระบวนการซ่อมที่ได้รับการรับรองแล้วสามารถใช้งานได้ยาวนานถึงร้อยละ 90–100 ของอายุการใช้งานเดิม

วัสดุชนิดใดบ้างที่สามารถซ่อมด้วยเลเซอร์ DED

โลหะผสมซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบ (Inconel 625, 718), โลหะผสมไทเทเนียม (Ti-6Al-4V), โลหะผสมโคบอลต์-โครเมียม, เหล็กกล้าไร้สนิม (316L, 17-4PH), เหล็กกล้าสำหรับเครื่องมือ และโลหะผสมอลูมิเนียม สามารถซ่อมแซมได้เป็นประจำ กระบวนการนี้รองรับทั้งการซ่อมแบบใช้วัสดุชนิดเดียวกันกับวัสดุพื้นฐาน (like-on-like repair) และการปรับปรุงคุณสมบัติเชิงหน้าที่ โดยการเคลือบวัสดุโลหะผสมที่มีความแข็งแรงมากขึ้นหรือทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าลงบนวัสดุพื้นฐานเดิม

ตรวจสอบคุณภาพของการซ่อมชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีเลเซอร์ DED อย่างไร

การตรวจสอบแบบไม่ทำลายรวมถึงการตรวจสอบรอยบกพร่องบนผิวด้วยสารเจาะสี (dye penetrant inspection), การทดสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเพื่อประเมินความสมบูรณ์ของแนวประสานภายใน และการตรวจสอบมิติตามแบบแปลนเดิม นอกจากนี้ยังมีการทดสอบแบบทำลายตัวอย่างที่ใช้ในการรับรองกระบวนการ (process qualification coupons) ซึ่งประกอบด้วยการทดสอบแรงดึง (tensile), การทดสอบการดัด (bend) และการตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคของโลหะ (metallographic examination) เพื่อยืนยันความเหมาะสมของกระบวนการซ่อมก่อนนำไปใช้งานจริงในสายการผลิต มาตรฐาน ISO/ASTM 52900 ให้กรอบแนวทางในการรับรองกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อ (additive manufacturing)

เหตุใดเทคโนโลยีเลเซอร์ DED จึงเหมาะสมกับงานซ่อมมากกว่าเทคโนโลยีแบบผงฟิวชัน (powder bed fusion)

การหลอมแบบผง (Powder bed fusion) สร้างชิ้นส่วนทั้งหมดในเตียงผง และไม่สามารถเพิ่มวัสดุลงบนชิ้นส่วนที่มีอยู่แล้วได้ ในขณะที่การพ่นวัสดุด้วยเลเซอร์แบบ DED (Laser DED) จะวางวัสดุลงบนพื้นผิวที่มีอยู่แล้ว ทำให้สามารถซ่อมแซมบางส่วนได้โดยไม่จำเป็นต้องผลิตชิ้นส่วนใหม่ทั้งหมด นอกจากนี้ DED ยังสามารถจัดการกับชิ้นส่วนขนาดใหญ่กว่า — วัดเป็นเมตร แทนที่จะเป็นเซนติเมตร — และมีอัตราการวางวัสดุอยู่ที่ 0.5–2 กิโลกรัมต่อชั่วโมง เมื่อเทียบกับระบบแบบผง (powder bed systems) ที่มีอัตราเพียง 0.01–0.1 กิโลกรัมต่อชั่วโมง จึงทำให้การซ่อมแซมชิ้นส่วนระดับอุตสาหกรรมเป็นไปได้ในเชิงเศรษฐศาสตร์