การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุมอบประโยชน์ด้านการพัฒนาวัสดุอย่างไร

ความก้าวหน้าล่าสุดในด้านเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์วัสดุได้เปิดโอกาสใหม่ๆ ขึ้น โดยการผลิตแบบเพิ่มเนื้อ (additive manufacturing) กำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ https://www.enigma-ded.com/)ตัวอย่างหนึ่งคือ Enigma-DED ผู้นำด้านเทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อขั้นสูง ซึ่งใช้เทคนิค DED (Directed Energy Deposition Method) และขยายการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตแบบเพิ่มเนื้อ การปฏิวัติที่เกิดจากการใช้เครื่องพิมพ์สามมิติในอุตสาหกรรมวิทยาศาสตร์วัสดุช่วยให้สามารถปรับเปลี่ยนคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุที่ผิววัสดุได้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติ องค์ประกอบ และการใช้งานของวัสดุหลายชนิดได้ เทคโนโลยีที่ใช้ในการผลิตแบบเพิ่มเนื้อเพื่อปรับปรุงและพัฒนาวัสดุใหม่กำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว วัสดุใหม่เหล่านี้มีศักยภาพในการนำไปใช้ได้อย่างไม่จำกัดในหลากหลายอุตสาหกรรม

โอกาสอันไม่เคยมีมาก่อนในการปรับเปลี่ยนวัสดุ

การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุมีชื่อเสียงที่สมควรได้รับในฐานะหนึ่งในเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยและสร้างนวัตกรรมมากที่สุด เนื่องจากความสามารถและศักยภาพอันโดดเด่นในการปฏิวัติกระบวนการสร้างวัสดุใหม่ สาขาวิทยาศาสตร์วัสดุเคยมีข้อจำกัดในการคิดค้น วิจัย และปรับปรุงวัสดุใหม่ๆ มาโดยตลอด เพราะขาดเครื่องมือหรือวิธีการที่เหมาะสมในการใช้งาน หลายปีมานี้ การผลิตแบบดั้งเดิมใช้วิธีการที่เน้นความเป็นเนื้อเดียวกันสำหรับวัสดุ ซึ่งทำให้การผสมผสานวัสดุต่างชนิดกันในการผลิตแบบดั้งเดิมเป็นเรื่องที่ท้าทาย อย่างไรก็ตาม กลยุทธ์ใหม่ที่นำมาใช้ในวิทยาศาสตร์วัสดุแบบดั้งเดิมได้เปลี่ยนแปลงสาขาดังกล่าวอย่างสิ้นเชิง และเปิดโอกาสใหม่ๆ ขึ้นในวงการนี้

ปัจจุบันยังคงมีการปรับปรุงและเปลี่ยนแปลงกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อสารอย่างต่อเนื่อง หนึ่งในข้อได้เปรียบสำคัญของกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อสารคือความสามารถในการจัดการกับโครงสร้างที่ซับซ้อนและแน่นหนาของโลหะหลายชนิด รวมทั้งช่วยทำให้กระบวนการผลิตมีความคล่องตัวมากยิ่งขึ้น นอกจากนี้ การผสมผสานโลหะหลายชนิดยังเปิดโอกาสให้เกิดการออกแบบวัสดุทางวิศวกรรมในรูปแบบใหม่ๆ

ยกตัวอย่างการผลิตแบบเพิ่มวัสดุ (additive manufacturing) ด้วยระบบเอนิกมา-เดด (Enigma-DED) ซึ่งสามารถสร้างวัสดุวิศวกรรมรูปแบบใหม่ที่เรียกว่า "วัสดุเกรดเชิงหน้าที่ (functionally graded materials)" ที่ผลิตเป็นชิ้นเดียว ผู้ใช้งานสามารถควบคุมระดับของคุณสมบัติเชิงโครงสร้างและเชิงหน้าที่ที่สำคัญต่าง ๆ ได้อย่างต่อเนื่องแบบค่อยเป็นค่อยไป เช่น ความแข็ง ความต้านทานความร้อน และการนำความร้อนหรือการนำไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนตรงกลางอาจมีแกนหลักทำจากเซรามิกที่ทนความร้อน หุ้มด้วยเปลือกโลหะที่ยืดหยุ่นอยู่ด้านนอก แนวทางการออกแบบเฉพาะบุคคลนี้ตอบโจทย์วัตถุประสงค์ทางวิศวกรรมขั้นสูงและเฉพาะทาง เช่น ที่พบในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ รวมถึงอุปกรณ์ทางการแพทย์ โดยเฉพาะวัสดุโลหะที่มีน้ำหนักเบา แข็งแรง และเข้ากันได้กับร่างกายมนุษย์ การผลิตแบบเพิ่มวัสดุช่วยให้เราหลุดพ้นจากข้อจำกัดของกระบวนการผลิตและวัสดุแบบดั้งเดิม

กระบวนการออกแบบและปรับปรุงซ้ำที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาวัสดุวิศวกรรมใหม่มักมีความซับซ้อนและยากลำบาก โดยปกติแล้ว กระบวนการเหล่านี้จะใช้เวลานานในการวิศวกรรมผลิตภัณฑ์ ซึ่งเต็มไปด้วยกิจกรรมที่ใช้เวลาและแรงงานอย่างมาก การผลิตแบบเพิ่มเนื้อ (additive manufacturing) ช่วยกำจัดกิจกรรมที่สูญเสียเวลาและแรงงานเหล่านี้ผ่านกระบวนการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วและการทดสอบตามความต้องการ ทำให้กระบวนการทำงานมีประสิทธิภาพสูงยิ่งขึ้น

ที่ Enigma-DED เราใช้การผลิตแบบเพิ่มเนื้อเพื่อทดสอบสมรรถนะของโลหะหรือวัสดุเซรามิกใหม่ภายในไม่กี่วันแทนที่จะใช้เวลาหลายสัปดาห์ และเราดำเนินการนี้ในล็อตการผลิตขนาดเล็ก เราทดสอบสมรรถนะของวัสดุในด้านความแข็งแรง ความต้านทานการกัดกร่อน และความเสถียรทางความร้อน นอกจากนี้ เรายังสามารถปรับองค์ประกอบของวัสดุได้อย่างรวดเร็ว แล้วสร้างและผลิตออกมาได้ทันที

ความสามารถในการปรับปรุงแบบรวดเร็วนี้ช่วยระบุข้อบกพร่องในการออกแบบได้ตั้งแต่เนิ่นๆ และนำการปรับปรุงที่มีประสิทธิภาพมาใช้ได้ทันที ด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติขั้นสูง เช่น DED ของ Enigma-DED เวลาที่ใช้ในการพัฒนาวัสดุหนึ่งรอบสมบูรณ์จึงลดลงอย่างมาก ต้นแบบที่ถูกทิ้งจะทำให้วัตถุดิบสูญเสียไป แต่การพิมพ์สามมิติช่วยลดปัญหานี้ให้น้อยที่สุด รวมทั้งลดต้นทุนโดยรวมของการพัฒนาวัสดุอีกด้วย

การผลิตแบบเติมวัสดุเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุผ่านการควบคุมโครงสร้างภายใน

สมรรถนะของวัสดุเกิดจากปัจจัยหลายประการที่รวมกัน ได้แก่ คุณสมบัติของวัสดุ โครงสร้างของวัสดุ และสถาปัตยกรรมของโครงสร้างนั้นในระดับไมโครและระดับตาข่าย เมื่อรู้เช่นนี้ บริษัทเอนิกมา-เดด (Enigma-DED) จึงใช้การพิมพ์สามมิติในการออกแบบและผลิตระบบการพิมพ์วัสดุโลหะสามมิติที่ผู้ใช้ปลายทางสามารถควบคุมได้ ซึ่งส่งผลให้เกิดวัสดุขึ้นจริง ด้วยการควบคุมนี้ เราสามารถสร้างโครงสร้างย่อยที่ซับซ้อนและล้ำสมัย พร้อมเม็ดเกรนที่เชื่อมต่อกันอย่างแน่นหนา ทำให้ความแข็งแรงเพิ่มขึ้นร้อยละ 30 เมื่อเทียบกับโลหะที่ผ่านกระบวนการตีขึ้นรูปแบบดั้งเดิม

หนึ่งในข้อได้เปรียบหลักของการผลิตแบบเพิ่มวัสดุ คือ ความสามารถในการควบคุมความพรุนของโครงสร้างโลหะ ตัวอย่างเช่น การผลิตแบบเพิ่มวัสดุสามารถสร้างโลหะที่แข็งแรงและเบา ซึ่งมีรูพรุนขนาดเล็กกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งเป็นคุณลักษณะที่ต้องการในภาคอุตสาหกรรมยานยนต์และอากาศยาน อย่างไรก็ตาม โครงสร้างโลหะยังสามารถออกแบบให้มีความแข็งแกร่งเต็มที่โดยไม่มีรูพรุนเลย ซึ่งเหมาะสำหรับอุปกรณ์ฝังในร่างกายและชิ้นส่วนอากาศยานที่ต้องการความแน่นสนิทอย่างสมบูรณ์ การควบคุมความพรุนนี้ช่วยยกระดับประสิทธิภาพและการใช้งานของวัสดุ โครงสร้างที่เบา แข็งแรง และทนทาน ซึ่งผลิตให้กับลูกค้าของ Enigma-DED แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบเหล่านี้

ลดปริมาณขยะพลาสติกเพิ่มเติมด้วย Enigma-DED

Enigma-DED ใช้เทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มวัสดุที่ช่วยลดของเสีย ในการผลิตแบบดั้งเดิม วัสดุจะสูญเสียไปในทุกขั้นตอนของกระบวนการ ส่วนของเสียจากวัสดุของ Enigma-DED ส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้น

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการทดสอบวัสดุประเภทอื่น ๆ การทดสอบของ Enigma-DED มีอัตราส่วนของของเสียต่ำกว่า 5% ในขณะที่วิธีการทดสอบอื่น ๆ มีอัตราส่วนของของเสียอยู่ที่ 50% หรือมากกว่า วิธีการแบบดั้งเดิมสูญเสียวัสดุจำนวนมาก โดยเฉพาะองค์ประกอบที่มีราคาแพง เช่น โลหะผสมไทเทเนียม และเซรามิกขั้นสูง วิธีการ Enigma-DED ช่วยประหยัดเงินและทรัพยากรอื่น ๆ โดยการทิ้งชิ้นส่วนที่ใช้ในการทดสอบหลังการทดสอบเสร็จสิ้น

ยิ่งไปกว่านั้น การเปลี่ยนผ่านจากขั้นตอนต้นแบบโลหะหรือเซรามิกชนิดใหม่สู่การผลิตในปริมาณมากด้วยการผลิตแบบเพิ่มเนื้อ (additive manufacturing) เป็นไปอย่างราบรื่นยิ่งขึ้น มีการใช้วัสดุอย่างสม่ำเสมอและต่อเนื่อง ไม่จำเป็นต้องประเมินความต้องการวัสดุเกินจริงเพื่อชดเชยประสิทธิภาพที่ต่ำ ตัวอย่างเช่น เมื่อผลิตโลหะผสมไทเทเนียมชนิดใหม่สำหรับชิ้นส่วนอากาศยาน จะไม่จำเป็นต้องใช้กระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อเพื่อตัดแต่งวัสดุ ซึ่งช่วยรักษาการพัฒนาวัสดุใหม่ไว้ และลดต้นทุนโดยรวมสำหรับนักวิจัย

ตลอดหลายปีที่ผ่านมา ขอบเขตของการประยุกต์ใช้วัสดุเฉพาะทางได้ขยายตัวออกไป

โลหะผสมขั้นสูง โลหะ และเซรามิกเปราะคือวัสดุขั้นสูง นานมาแล้ว การใช้งานเฉพาะทางที่ต้องอาศัยวัสดุขั้นสูงจำเป็นต้องผ่านกระบวนการแบบดั้งเดิม ขณะนี้ การผลิตแบบเพิ่มเนื้อ (additive manufacturing) กำลังเปลี่ยนแปลงวิธีการแปรรูปวัสดุขั้นสูง

ระบบเอนิกมา-เดด (Enigma-DED) ใช้การผลิตแบบเพิ่มเนื้อในการจัดการกับเซรามิกเปราะ—ซึ่งเป็นวัสดุที่มักแตกร้าวระหว่างกระบวนการแปรรูปทั่วไป ด้วยการควบคุมอุณหภูมิอย่างเหมาะสม การพิมพ์ชั้นต่อชั้น และกลไกป้องกันการแตกร้าว การผลิตแบบเพิ่มเนื้อสามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ ทำให้ตอนนี้สามารถใช้เซรามิกเปราะได้จริง

ยิ่งไปกว่านั้น การผลิตแบบเพิ่มวัสดุยังช่วยให้ออกแบบและผลิตโลหะที่ต้านทานรังสีสำหรับอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ และซูเปอร์อัลลอยที่ทนความร้อนสำหรับอวกาศได้อีกด้วย ในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ โลหะที่ใช้งานต้องสามารถทนต่อรังสีอย่างรุนแรงได้เป็นเวลานาน ส่วนซูเปอร์อัลลอยที่ใช้ในอวกาศจะต้องรักษาความแข็งแรงของโครงสร้างไว้ได้ระหว่างการปฏิบัติงานที่อุณหภูมิสูง และสามารถทนต่อสภาพอากาศสุดขั้วได้ การผลิตแบบเพิ่มวัสดุจึงแก้ปัญหาต่าง ๆ ได้หลากหลายด้านในการผลิตวัสดุเฉพาะทาง และจัดการกับความท้าทายที่มีมาอย่างยาวนานในหลายสาขา เช่น อุตสาหกรรมอวกาศและอุตสาหกรรมเครื่องมือแพทย์