Cover_3D Materials 2-01

วัสดุสำคัญในการพิมพ์สามมิติที่คุณควรรู้จัก (2)

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

มารู้จักวัสดุสำคัญในการพิมพ์สามมิติกัน เพิ่มเติมในส่วนของวัสดุที่เป็นโลหะและวัสดุอื่นๆ ที่กำลังเริ่มเป็นที่นิยมกันแล้ว ปัจจุบันเครื่องพิมพ์โลหะสามมิติได้กลายเป็นปัจจัยสำคัญมากยิ่งขึ้นโดยเฉพาะในอุตสาหกรรมยานยนต์และการบิน สำหรับการผลิตชิ้นส่วนสำคัญต่างๆ เรามารู้ทำความรู้จักคุณสมบัติของวัสดุแต่ละชนิดเหล่านี้กัน

อะลูมิเนียม / Aluminium

วัสดุยอดนิยมอันดับหนึ่งของโลกการผลิตในเวลานี้ – โลหะผสมอะลูมิเนียมผสานความแข็งแรงและคุณสมบัติความร้อนที่ดีเข้ากับน้ำหนักเบาและเป็นตัวเลือกที่มีความยืดหยุ่นสำหรับการตกแต่ง ด้วยเหตุนี้วัสดุชนิดนี้จึงใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์และการบิน การใช้งานอะลูมิเนียมรูปแบบต่าง ๆ เช่น ตัวเรือน (housing), ท่ออากาศ, ชิ้นส่วนเครื่องยนต์, เครื่องมือสำหรับการผลิตและแม่พิมพ์ทั้งสำหรับงานต้นแบบและส่วนประกอบขั้นสุดท้าย (Final components)  Porsche และ Mahle กำลังแสดงให้เราเห็นถึงประสิทธิภาพของวัสดุชนิดนี้ ด้วยลูกสูบอะลูมิเนียมสมรรถนะสูงที่ผลิตขึ้นด้วยเทคโนโลยีแบบเติมเนื้อวัสดุ หรือ AM โดยจะถูกนำมาใช้เป็นครั้งแรกใน Porsche 911 GT2 RS ด้วยกำลัง 730 แรงม้า นับเป็นหนึ่งในยานยนต์ที่ทรงพลังที่สุดที่ปอร์เช่เคยสร้างมา

วัสดุการพิมพ์สามมิติ
These pistons made of a special aluminium alloy drive a Porsche 911 with 730 hp. (Source: Mahle)

ไทเทเนียม / Titanium

ไทเทเนียมเป็นหนึ่งในโลหะผสมที่รู้จักกันดีในการพิมพ์โลหะ 3 มิติ รวมคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยมเข้ากับน้ำหนักจำเพาะที่ต่ำมาก วัสดุชนิดนี้ทนต่อการกัดกร่อนและมักถูกใช้ในสภาพแวดล้อมทางเทคนิคที่มีความต้องการหลากหลาย เช่น ด้านการบินและอากาศยาน การใช้งานยังรวมถึงงานต้นแบบที่ใช้งานได้, ชิ้นส่วนที่นำไปใช้ได้จริง (end-use parts), อุปกรณ์ทางการแพทย์ และชิ้นส่วนอะไหล่

สแตนเลสสตีล / Stainless Steel

โลหะผสมสแตนเลสสตีลนั้นมีคาร์บอนต่ำและทนต่อการกัดกร่อนสูงมาก นอกจากนี้ส่วนประกอบที่ทำจากสแตนเลสสตีลยังมีความแข็งแรงระดับดีเยี่ยม เหล็ก เมื่อเป็นวัสดุในการพิมพ์ 3 มิติก็ยังมีความเหนียวสูงและมีคุณสมบัติทางความร้อนที่ดี  นอกจากนี้สแตนเลสสตีลยังสามารถใช้สำหรับแอปพลิเคชันที่มีความปลอดภัยต่ออาหาร (food-safe applications), ส่วนประกอบของเครื่องจักรและเครื่องมือในการผลิต การใช้งานอื่น ๆ ได้แก่ ใช้ในการผลิตท่อ (piping) , งานต้นแบบที่ต้องการความทนทาน, ชิ้นส่วนอะไหล่, เครื่องมือทางการแพทย์และอุปกรณ์สวมใส่ต่างๆ

 

วัสดุสำคัญอื่นๆ ในการพิมพ์สามมิติ :

 

เซรามิก / Ceramics

โดยหลักการแล้วเซรามิกเหมาะสำหรับเป็นวัสดุในการพิมพ์ 3 มิติเนื่องจากสามารถแปรรูปจากสถานะของเหลวให้กลายเป็นรูปทรงเรขาคณิตและรูปทรงได้แทบทุกรูปแบบ ปัจจุบันเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติใช้คุณสมบัติของเซรามิกในการผลิตชิ้นงานพิมพ์ 3 มิติได้โดยไม่มีรูขนาดใหญ่หรือมีรอยแตกบนชิ้นงาน ส่วนประกอบเซรามิกมีทั้งความแข็งแรงทนทานและทนต่อไฟ ปัจจุบันเซรามิกถูกนำมาใช้เป็นวัสดุการพิมพ์สามมิติในอุตสาหกรรมทันตกรรม และการบินและอากาศยาน สำคัญคือ เป็นแอปพลิเคชันหลักสำหรับรากฟันเทียม

 

ทราย / Sand

การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ หรือ AM ในการผลิต sand core หรือ ชิ้นงานทรายไส้แบบและแม่พิมพ์ได้รับความสนใจจากโรงหล่อจำนวนมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากกระบวนการนี้มีความสามารถพิเศษในการสร้างไส้แบบซึ่งไม่สามารถทำได้โดยใช้เทคนิคการสร้างไส้แบบแบบเดิม แต่สามารถทำได้ด้วยกระบวนการที่เรียกว่า ‘binder jetting’ คือการใช้ reactive resin ชนิดหนึ่งโดยปกติจะเป็นสารยึดติดที่มีส่วนผสมของ  furfuryl alcohol  (FA) เพื่อเชื่อมให้ผงวัสดุติดกัน กระบวนการพิมพ์จะเริ่มจากหัวพิมพ์ฉีดสารเหลว (เรซิน) ไปบนแท่นพิมพ์เพื่อเชื่อมผงวัสดุเข้าด้วยกัน เมื่อชั้นแรกเสร็จเรียบร้อย แท่นพิมพ์จะลดระดับลงเล็กน้อย และผงวัสดุชั้นต่อไปจะถูกเกลี่ยลงไปเป็นชั้นบางๆ แล้ววงจรการพิมพ์ก็จะดำเนินไปเรื่อยๆ จนกระทั่งเสร็จสิ้น ได้ชิ้นงานออกมา หลังจากที่นำชิ้นงานออกจากแท่นพิมพ์ จะต้องนำไปล้างเอาผงวัสดุส่วนเกินออกไป และเคลือบด้วยกาวอีกทีหนึ่งเพื่อให้มันมีความแข็งแรง และป้องกันสีซีดจาง

ระบบ Binder Jetting ถูกใช้ในวงการอุตสาหกรรม วัสดุที่ใช้ปกติจะเป็นหินทราย ให้สีเหมือนธรรมชาติ ในราคาที่เอื้อมถึง

ทั้งนี้ ในส่วนของการทำไส้แบบและแม่พิมพ์ด้วยทรายมีข้อดีที่เห็นได้ชัด สามารถใช้ผลิตชิ้นส่วนที่มีความซับซ้อนได้มากกว่าการหล่อทรายทั่วไป สามารถสร้างแม่พิมพ์ที่ซับซ้อนได้



คอนกรีต / Concrete

การพิมพ์ชิ้นงาน 3 มิติด้วยคอนกรีตก็เหมือนกับการพิมพ์ 3 มิติด้วยเส้นพลาสติก หรือ filament  อย่างไรก็ตามแทนที่จะใช้แกนหลอดแบบเส้นพลาสติก คอนกรีตจะถูกอัดขึ้นรูปแทน  ในทางทฤษฎีสามารถใช้คอนกรีตมาตรฐานหรือปูนก็ได้ อย่างไรก็ตาม สำหรับโครงการอาคารขนาดใหญ่ควรใช้วัสดุที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษสำหรับการพิมพ์คอนกรีต 3 มิติโดยเฉพาะ เช่น วัสดุที่ใช้หรับการก่อสร้างบ้านพิมพ์ 3 มิติแห่งแรก ใช้  I.Tech3D จาก Heidelberg Cement – ปูนแห้งพร้อมใช้งานที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการพิมพ์สามมิติโดยเฉพาะ วัสดุดังกล่าวมีส่วนประกอบของแร่และสารเติมแต่งที่ช่วยให้สามารถปั๊มไปที่หัวพิมพ์ได้อย่างง่ายดายในขณะที่ยังคงรักษาเสถียรภาพทางมิติได้หลังจากการอัดขึ้นรูป

 

แก้ว / Glass

การทำชิ้นงานแก้วโดยใช้กระบวนการพิมพ์สามมิติไม่ใช่เรื่องง่าย มีกลุ่มวิจัยเพียงไม่กี่กลุ่มทั่วโลกที่พยายามผลิตแก้วโดยใช้กระบวนการเติมเนื้อวัสดุ บางกลุ่มสร้างวัตถุหรือชิ้นงานด้วยการพิมพ์แก้วหลอมเหลว แต่วิธีนี้มีข้อเสียคือต้องใช้อุณหภูมิสูงมากและต้องใช้อุปกรณ์ที่ทนความร้อน บางกลุ่มได้มีการใช้ผงเซรามิกที่สามารถพิมพ์ได้ที่อุณหภูมิห้องและนำไปเผาผนึก (sintering) เป็นแก้วในภายหลัง อย่างไรก็ตามความซับซ้อนของวัตถุที่ทำจากแก้วยังค่อนข้างต่ำจนถึงตอนนี้

นักวิจัยจาก ETH Zurich ประสบความสำเร็จในปี 2019 ในการพัฒนาเรซินชนิดพิเศษที่สามารถโปรเซสบนเครื่องพิมพ์ SLA ที่มีจำหน่ายทั่วไปได้ ทั้งนี้ การพิมพ์ SLA ทำให้สามารถสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนและมีความละเอียดสูงได้ หลังจากที่ชิ้นส่วนหนึ่งขึ้นรูปแล้ว ก็จะนำไปอบที่อุณหภูมิสองระดับที่แตกต่างกัน กระทั่งเกิดการควบแน่นและกลายเป็นแก้ว

วัสดุคอมโพสิตสำหรับอุตสาหกรรมประสิทธิภาพสูง

วัสดุคอมโพสิตที่มีความคล่องตัวเป็นพิเศษ น้ำหนักเบาและคุณสมบัติตามความต้องการใช้งานมักถูกใช้ในอุตสาหกรรมที่มีประสิทธิภาพสูง ตัวอย่างของคอมโพสิต ได้แก่ คอมโพสิตโพลีเมอร์เสริมใยคาร์บอน และคอมโพสิตโพลีเมอร์เสริมใยแก้ว โครงสร้างคอมโพสิตโพลีเมอร์เสริมใยคาร์บอนมักถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอากาศยาน เนื่องจากมีความทนทานและมีความแข็งจำเพาะสูง มีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี และมีคุณสมบัติความล้า (fatigue behavior) ที่ดี ในขณะเดียวกันคอมโพสิตโพลีเมอร์เสริมใยแก้วได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการใช้งานหลากหลายในการพิมพ์ 3 มิติ และมีศักยภาพในการใช้งานได้ดีเยี่ยม เนื่องจากประสิทธิภาพด้านต้นทุนและประสิทธิภาพการทำงาน

วัสดุเหล่านี้มีคุณสมบัติการนำความร้อนสูงและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนค่อนข้างต่ำ นอกจากนี้ใยแก้วไม่สามารถเผาไหม้ได้และไม่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิการบ่มในกระบวนการผลิตจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้ในงานในการพิมพ์สามมิติ


อ้างอิง: https://www.etmm-online.com/these-are-the-most-important-3d-printing-materials-a-1004480/

บทความที่เกี่ยวข้อง: 

วัสดุสำคัญในการพิมพ์สามมิติที่คุณควรรู้จัก (1)

การพิมพ์โลหะ 3D (FLM) กับการฉีดขึ้นรูปโลหะ (MIM) ต่างกันอย่างไร

3 วัสดุพอลิเมอร์ใหม่สำหรับการพิมพ์ 3 มิติประสิทธิภาพสูง

CHOICE MAKERS | Hi Aluminium ! ทำไมอลูมิเนียมถึงถูกเรียกว่าวัสดุอัจฉริยะ [EP.4]

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *