AM_Metal Printing Technology

Tech Focus | จับตานวัตกรรมพลิกโลก AM โลหะ 9 บริษัทสตาร์ทอัพ

การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (Additive manufacturing – AM) กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วเช่นเดียวกับ sub-section ที่อุทิศตนให้กับการพิมพ์โลหะ แล้วบริษัทต่างๆ เหล่านี้ กำลังขับเคลื่อนไปในทิศทางใด? ก้าวกระโดดต่อไปของเทคโนโลยีคืออะไร? เราไปหาคำตอบกัน




ตลาด  AM โลหะจะได้รับผลกระทบในทางลบจากการระบาดของไวรัสโคโรนาในปี 2020 อย่างแน่นอน แต่แม้จะมีความถดถอยในระยะสั้นถึงระยะกลาง แต่คาดว่าอุตสาหกรรมในภาคนี้จะเติบโตทะลุ 1 หมื่นล้านดอลลาร์ภายใน 10 ปีข้างหน้า โดยมีผู้เล่นเครื่องพิมพ์ที่เกิดขึ้นใหม่และที่มีชื่อเสียงอยู่เดิมนำหน้าขบวน แต่รายได้ประจำปีที่คาดการณ์นี้ส่วนใหญ่จะอยู่ที่ยอดขายวัสดุซึ่งยังไม่ได้ใช้ศักยภาพในทางเทคโนโลยีมากนัก

ในรายงาน “Metal Additive Manufacturing 2020-2030” เกี่ยวกับตลาดล่าสุดจาก ID Tech Ex ได้คาดการณ์ว่า อุตสาหกรรมจะหดตัวลงและจากนั้นจะโตขึ้นเกินกว่า 10,000 ล้านดอลลาร์สหรัฐ โดยมีรายได้ประจำปีส่วนใหญ่มาจากยอดขายวัสดุ รายงานตลาดเชิงเทคนิคนี้ประกอบด้วยการคาดการณ์อย่างละเอียดและโปรไฟล์บริษัทอีกกว่า 50 รายการ ตั้งแต่บริษัทระดับ start-up ที่มีแววรุ่งไปจนถึงผู้นำตลาด ผู้เล่นสายวัสดุ และอื่น ๆ เสร็จสมบูรณ์ด้วยการสัมภาษณ์จำนวนมากเพื่อให้ผู้อ่านได้รับข้อมูลล่าสุดและถูกต้องที่สุด

กลุ่มวัสดุสำหรับกระบวนการ AM ส่วนใหญ่มาจากการดัดแปลงวัสดุและซัพพลายเชนที่มีอยู่ ผงโลหะเป็นวัตถุดิบหลักที่ใช้กับไททาเนียม เหล็กกล้า อะลูมิเนียม นิกเกิลเบส โคบอลต์เบส ทองแดง โลหะมีค่าและอื่น ๆ ทั้งหมดที่ใช้ ไทเทเนียมมีความสำคัญมากที่สุดและมีการเคลื่อนไหวในอุตสาหกรรมนี้โดยมีการขยายตัวเพิ่มขึ้น (เช่น Sandvik, Oerlikon และ Tekna) การควบรวมกิจการแนวดิ่ง (หรือ Vertical Integration – จริงๆ แล้วคือการควบรวมกิจการต้นน้ำและ/หรือปลายน้ำ พูดให้เข้าใจง่ายๆ ก็คือการซื้อกิจการของ Supplier และ/หรือ ลูกค้ามาเป็นของตัวเอง) ภายใน key verticals (เช่น GE Additive และ Carpenter) และการร่วมทุน (เช่น GKN กับ TLS Technik ) นอกจากนี้ยังมีความสนใจอย่างกว้างขวางจากผู้เล่นผงโลหะที่มีอยู่ซึ่งมองว่าภาคนี้เป็นทั้งโอกาสและภัยคุกคาม อย่างไรก็ตาม กระบวนการทำให้เป็นผงละอองโลหะ (atomization process) ไม่ใช่เรื่องง่ายโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับไทเทเนียม และบ่อยครั้งที่ผลตอบแทนทางเศรษฐศาสตร์ต่ำก็อาจเป็นเรื่องท้าทายซึ่งทำให้วัสดุที่เหมาะสมมีราคาแพง ไม่ต้องพูดถึงเรื่องของความบริสุทธิ์ (purity) การกระจายขนาด (size distribution) และรูปร่างซึ่งทั้งหมดนี้ล้วนเป็นสิ่งสำคัญ และยังมีแนวโน้มสำคัญในการเลือกใช้วัตถุดิบโลหะอื่น ๆ โดยเฉพาะลวด (wire) ซึ่งกำลังได้รับความสนใจ โดยจะกล่าวถึงในบทถัดไป

ข้อถกเถียงทั่วไปเกี่ยวกับกลุ่มผลิตภัณฑ์โลหะสำหรับ AM ก็คือมีราคาแพง โดยปกติจะโมดิฟายจากวัสดุที่มีอยู่และยังไม่ได้ใช้ประโยชน์จากศักยภาพสูงสุดของกระบวนการ ผู้เล่นในปัจจุบันมีการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว แต่ก็มีโอกาสที่จะถูกดิสรับได้เช่นกัน บทความนี้จะไฮไลท์ที่ start-ups  9 รายที่ต้องการสร้างอิมแพคในภาคนี้ พวกเขามีความพร้อมด้านเทคโนโลยีที่แตกต่างกันและมีแนวทางแตกต่างกัน แม้จะมีศักยภาพทางการตลาดในระยะยาว แต่ความสำเร็จนั้นก็ยังเป็นสิ่งที่ไม่อาจรับประกันได้

AM_3D-printing of metal
3D-printing of metals is a promising technology in the AM spectrum.(Source: Scott Webb (Unsplash))

New processes | กระบวนการใหม่

เราเคยได้ยินชื่อ 6K จากแนวทางใหม่ในการผลิตผงของ 6K (ก่อนนี้คือ Amastan Technology) คือการใช้ระบบพลาสมาไมโครเวฟที่ให้ผลผลิตสูงมากสำหรับการผลิตโลหะผสม  Inconel (nickel-base alloy) และไทเทเนียมอัลลอย และ Equispheres ได้ใช้วิธีการใหม่ในการสร้างผงโลหะเหล็กความละเอียดสูงรูปทรงกลม (highly spherical powders) โดยมีการกระจายขนาดอนุภาคที่แคบ ทั้งสอง บริษัทนี้ได้ระดมทุนจำนวนมหาศาลในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาหลังจากเริ่มก้าวไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์ที่ประสบผลสำเร็จ ด้าน Uniformity Labs ได้พัฒนาวิธีการสร้างอนุภาคที่หนาแน่นขึ้นและเช่นเดียวกับผงโลหะทรงกลมความละเอียดสูงของ Equispheres ซึ่งช่วยให้มีปริมาณงานที่สูงขึ้นมากในกระบวนการพิมพ์

Recycled feedstocks | วัตถุดิบรีไซเคิล

ตัวขับเคลื่อนหลักในภาคการบินและอวกาศสำหรับ AM ชิ้นส่วนไทเทเนียม คือการลด buy-to-fly ratio สำหรับวัสดุบริสุทธิ์และการจัดการและการนำเศษเหล็กกลับมาใช้ใหม่ เป้าหมายหนึ่งก็คือการเปลี่ยนเศษไทเทเนียมให้เป็นผง AM ที่ใช้งานได้และยังเป็นการ upcycled* ชิ้นส่วนไทเทเนียมได้อีกด้วย ทั้ง Tekna และ 6K ที่ได้กล่าวถึงก่อนหน้ากำลังก้าวหน้าทางด้านนี้โดย 6K ได้รับ AL Solutions เข้ามาก็เพื่อการนี้โดยเฉพาะ ส่วน start-up อีกแห่งที่กำลังแอคทีฟเกี่ยวกับเรื่องนี้ก็คือ MolyWorks ซึ่งมีผลงานที่น่าตื่นเต้นในการพัฒนาโรงหล่อเคลื่อนที่ (mobile foundry)

*การ Upcycled คือ การใช้วัสดุจากผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ที่ถูกใช้งานแล้ว เพื่อสร้างสิ่งใหม่ ซึ่งแตกต่างจากการ Recycle เพราะเมื่อผ่านการ Upcycling หรือ Upcycled ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะไม่ใช่ผลิตภัณฑ์เดียวกันอีก

Aluminium, steels, copper and MMCs

ตามที่ได้กล่าวไปแล้วว่า ไททาเนียมเป็นวัตถุดิบที่โดดเด่นที่สุดชนิดหนึ่งสำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุแต่วิศวกรเองก็ต้องการวัสดุที่ใช้งานได้หลากหลายมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัสดุในกลุ่มที่มีต้นทุนถูกว่าทั้งโลหะผสมอลูมิเนียมและโลหะผสมเหล็กกล้าซึ่งมีการใช้งานได้กว้างขวาง ด้านบริษัท Equispheres ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้เริ่มพุ่งเป้าไปที่โลหะผสมอลูมิเนียม (aluminium alloys) เพราะมองเห็นช่องว่างนี้ในตลาด ด้าน Elementum 3D มีกระบวนการผลิตที่เรียกว่า Reactive Additive Manufacturing (RAM) เป็นสิทธิบัตรของตัวเอง ซึ่งเป็น กระบวนการที่ผลิตภัณฑ์ที่มีปฏิกิริยาแบบ in-situ สามารถเอาชนะความท้าทายเดิม ๆ ด้วยโครงสร้างแบบเกรน ( grain structures) และคุณสมบัติอื่น ๆ Elementum 3D ได้รับเงินทุนสนับสนุนและกำลังขยายผลงานด้วยอะลูมิเนียมซีรีส์ 6000 และ 7000 ตลอดจนถึงวัสดุอย่าง metal matrix composite** หรือ MMC วัสดุ MMCs นั้นเป็นที่รู้จักกันมานานแล้วแต่การใช้งานนั้นถูกจำกัดในวงเฉพาะเท่านั้น ซึ่ง  AM สามารถขยายผู้เล่นในกลุ่มวัสดุ  MMC ได้และผู้เล่น MMC ในระยะเริ่มตั้งไข่ เช่น Gamma Alloys ก็เริ่มให้ความสำคัญกับตัวเลือกนี้

**MetalMatrix Composites หรือ MMCs คือ วัสดุเชิงประกอบที่มีโลหะหรือโลหะผสมเป็นเนื้อหลัก ข้อดีของวัสดุเชิงประกอบประเภทนี้ คือ มีความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ไม่ติดไฟ มีความแข็งแรงสูง แต่ก็มีราคาสูงด้วยเช่นกัน ส่วนมากใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์เชิงวิศวกรรม ที่ต้องการสมบัติพิเศษ อาทิ ส่วนประกอบของยานอวกาศ เป็นต้น

เมื่อเรามองไปที่สินค้าต้นทุนต่ำที่มีการปริมาณการผลิตระดับกลางไปจนถึง high-volume products เหล็กกล้า (steel) จัดเป็นวัสดุที่นำไปใช้ได้ในแทบทุกโปรเซส และยังเป็นวัสดุแถวหน้าในกระบวนการฉีดโลหะทั้งแบบ bound metal และ metal binder Formetrix ซึ่งแยกตัวออกจาก NanoSteel ในปี 2018 และได้ตั้งเป้าไปที่ tool steels สำหรับกระบวนการ AM และสุดท้ายก็มาถึง ทองแดงซึ่งเป็นวัสดุที่สามารถนำเทคโนโลยีนี้ไปในทิศทางต่าง ๆ ได้มากมาย ด้วยความท้าทายหลายประการ

Materials informatics

Materials Informatics เป็นวิธีการที่เน้นข้อมูลเป็นศูนย์กลางสำหรับการวิจัยและพัฒนาด้านวัสดุศาสตร์ ทำได้ด้วยการปรับปรุงโครงสร้างพื้นฐานข้อมูล และแนวทางการเรียนรู้ของเครื่องจักร (machine learning) IDTechEx มีรายงานโดยละเอียดในหัวข้อ: “ Materials Informatics 2020-2030” ตลาดเป้าหมายหนึ่งคือโลหะผสม (alloys) สำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ โดยมี QuesTek Innovations, Intellegens, Exponential Technologies และ Citrine Informatics มีส่วนร่วมในตลาดสายนี้ ด้วยการทำงานร่วมกับ HRL Laboratories เพื่อผลิตโลหะผสมอลูมิเนียม AM ที่ได้รับการขึ้นทะเบียนโดย Aluminium Association เช่นเดียวกับการนำเสนอแพลตฟอร์มและโครงการวิจัยอีกมากมายที่ยังใช้วิธีการวิจัยและพัฒนาขั้นสูงเหล่านี้เพื่อสร้าง IP portfolios บริษัทสตาร์ทอัพ OxMet Technologies ดำเนินการนี้โดยใช้โลหะผสมหลายชนิด โดยเฉพาะนิกเกิลซูเปอร์อัลลอยอุณหภูมิสูง ด้าน Phaseshift Technologies ก็กำหนดเป้าหมายที่ amorphous alloys โดยใช้อัตราการระบายความร้อนที่รวดเร็วของกระบวนการพิมพ์เป็นเกณฑ์

ดังที่ได้กล่าวไปแล้วว่า โลหะผสมอสัณฐาน หรือ amorphous  alloys และ MMCs กำลังได้รับความสำคัญจากกลุ่ม AM ในแบบที่ไม่สามารถทำได้ก่อนหน้านี้ โดยมีสตาร์ทอัพอย่าง Heraeus อยู่ในระดับแนวหน้าของผลงานโลหะผสมอสัณฐานใน  AM โดยมีชิ้นส่วนสาธิตที่หลากหลาย ความก้าวหน้าที่เหนือกว่าโลหะผสมทั่วไปนี้มีศักยภาพที่สำคัญต่ออุตสาหกรรมการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุและนับเป็นไฮไลท์ที่ดีที่สุดใน High Entropy Alloys (HEAs) ทั้งนี้ HEAs ได้รับความสนใจทางด้านการวิจัยและพัฒนามาเป็นเวลานาน แต่  AM สามารถเป็นกุญแจสำคัญที่ช่วยปลดล็อกศักยภาพด้านอื่นของพวกเขาได้ QuesTek Innovations และ Metalysis ต่างก็มีส่วนร่วมในสาขานี้ ส่วนอีกผลงานที่เป็นที่จดจำก็คือ ผลงานของ  6K ที่อ้างว่าจะพิมพ์ชิ้นส่วนแรกของโลกภายในปี 2019

บทความนี้แสดงช่วงของกิจกรรมที่เกิดขึ้นในกลุ่มวัสดุสำหรับ AM โลหะ สำหรับโปรไฟล์โดยละเอียดเกี่ยวกับหลาย ๆ บริษัท ที่กล่าวถึงในบทความนี้และอื่น ๆ อีกมากมายโปรดดูได้จากรายงาน IDTechEx “การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุโลหะปี 2020-2030” รายงานนี้ตั้งใจวิเคราะห์กลุ่มอุตสาหกรรม AM ที่ตรงตามเป้าหมาย โดยให้การคาดการณ์ล่าสุดพร้อมข้อมูลเชิงลึกทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับผู้สนใจ

อ้างอิง: https://www.etmm-online.com/9-start-ups-ready-to-change-metal-additive-manufacturing-a-959297/

บทความที่เกี่ยวข้อง:

ผง AM ระดับพรีเมียมที่หมุนเวียนโลหะกลับมาใช้ใหม่!

“Designing and making stuff quickly” | ออกแบบและผลิตอย่างรวดเร็วหลังโควิด

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •