การพิมพ์โลหะสามมิติด้วยไทเทเนียม

Desktop Metal ประเดิมวางไทเทเนียมสู่ตลาดการพิมพ์ 3D ด้วยเทคนิคยึดติดโลหะแบบ Bound Metal

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

สหรัฐอเมริกา — ไทเทเนียมเป็นวัสดุที่ขึ้นรูปได้ยากสำหรับการพิมพ์ 3 มิติแบบ Bound Metal หรือเทคนิคการยึดติดโลหะ เนื่องจากมีปฏิกิริยาสูงทั้งในรูปผงโลหะและการเผาผนึก (Sinter) ด้วยการพัฒนาของนวัตกรรมใหม่ๆอย่างไม่หยุดนิ่ง ตอนนี้บริษัท Desktop Metal บริษัทออกแบบด้านเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติจากสหรัฐอเมริกา สามารถแปรรูป หรือปรับแต่งคุณสมบัติของไทเทเนียมให้สามารถนำมาใช้บนเครื่องพิมพ์ Studio System 2 ได้ ซึ่งนับเป็นบริษัทแรกที่เริ่มนำเสนอหรือจัดจำหน่ายวัสดุชนิดนี้ในเชิงพาณิชย์ สำหรับเทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing- AM)

ทั้งนี้ เครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติ รุ่น Studio System 2 สามารถใช้เทคนิคการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุุ (AM) สำหรับวัสดุโลหะผสมไทเทเนียม Ti-6Al-4V (Ti64) ได้แล้ว โดยได้เริ่มจัดจำหน่าย Ti64 ไปแล้วเมื่อเดือนกันยายนที่ผ่านมา และเป็นบริษัทแรกและแห่งเดียวที่ใช้เทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุโลหะที่ใช้เทคนิคการอัดขึ้นรูป หรือ extrusion-based bound metal additive manufacturing technologies.

This machine bracket has been designed using a gyroid lattice infill and titanium in place of 17-4PH stainless steel to reduce weight and material while maintaining the required functional strength and stiffness.(Source: Business Wire)

Ti64 เป็นโละผสมไทเทเนียมที่ใช้กับอย่างแพร่หลายมากที่สุดในอุตสาหกรรม ด้วยคุณสมบัติในการต้านทานแรงดึงสูง ต้านทานการกัดกร่อน รวมทั้งมีคุณสมบัติในด้าน biocompatibility (ความเข้ากันได้ทางชีวภาพ) ด้วยอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง Ti64 ถือเป็นวัสดุที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้งานในการการผลิตที่มีศักยภาพสูงในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การบิน การทหาร อุตสาหกรรมยานยนต์ น้ำมันและก๊าซ อีกทั้งยังมีคุณสมบัติด้านชีวภาพ หรือ ไม่เป็นอันตรายกับร่างกายมนุษย์ ทำให้เป็นที่ต้องการในการใช้งานทางการแพทย์ เช่น นำไปผลิตอุปกรณ์ผ่าตัดและทำรากฟันเทียม เป็นต้น

Ti64 เมื่อใช้งานบนเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ให้แรงดึงความแข็งแรงคราก (Yield strength) 730 MPa, ค่าความต้านทานแรงดึงสูงสุด 845 MPa และความยืดตัว 17 เปอร์เซ็นต์ คุณสมบัติเชิงกลเหล่านี้เกินมาตรฐาน ASTM f285-17 สำหรับการฉีดขึ้นรูปโลหะรากฟันเทียม

เครื่องพิมพ์ Studio System 2 สามารถใช้งานกับสแตนเลสสตีล 316L และ Ti64 รวมทั้งสแตนเลสสตีล 17-4PH, เหล็กโลหะผสมต่ำ 4140, ทูลสตีล H13 และทองแดง การขยายพอร์ตโฟลิโอของเครื่องพิมพ์รุ่นนี้ ด้วยการใช้งานกับวัสดุที่เป็นโลหะได้มากขึ้นทำให้ Studio System 2 ได้เปรียบคู่แข่งในตลาดอย่างแน่นอน ส่วนในอนาคตก็มีข่าวว่า ในส่วนของการวิจัยและพัฒนากระบวนการพิมพ์แบบ two-step นั้นกำลังพัฒนากันอยู่ ซึ่งคาดว่าจะเปิดตัวได้ในปีนี้



คุณสมบัติสำคัญของไทเทเนียมในการใช้งาน

ด้วย Studio System 2 ชิ้นส่วนจากวัสดุ Ti64 มีคุณสมบัติทางกลที่ยอดเยี่ยม บวกกับมีความต้านทานการกัดกร่อนสูง ทำให้ Studio System 2 มีประสิทธิภาพในการใช้งานได้มากกว่ากระบวนการผลิตแบบเดิม ที่ใช้เครื่องพิมพ์ 3D โลหะด้วยเทคนิคการหลอมผงวัสดุทีละชั้น (Powder Bed Fusion)

เรามีตัวอย่างการใช้งานดังนี้:

ขายึดเครื่องมือ (Machine Bracket)

ขายึดเครื่องมือ ออกแบบมีช่องว่างภายในไจรอยด์ (gyroid lattice infill) และไทเทเนียม แทนการใช้สแตนเลส 17-4PH จะช่วยลดน้ำหนักและปริมาณวัสดุ แต่ยังคงประสิทธิภาพด้านความแข็งแรงในกระบวนการทำงาน ด้วยรูปทรงนี้ทำให้ไม่สามารถใช้กระบวนการผลิตแบบเดิมได้ เนื่องจากมีความซับซ้อนของอะไหล่ แต่ Ti64 สามารถผลิตบนเครื่องพิมพ์ 3 มิติ Studio System 2 ได้ โดยสามารถลดน้ำหนักชิ้นส่วนลงได้ถึง 59 เปอร์เซ็นต์

วงแหวนปรับโฟกัสกล้องโทรทรรศน์ (Telescope Focus Ring)

วงแหวนปรับโฟกัสของกล้องโทรทรรศน์ขนาดเล็กจะยึดเลนส์ไว้กับกล้องโทรทรรศน์แบบเคลื่อนที่ ซึ่งมีมอเตอร์หลายตัวที่ใช้จัดตำแหน่งและโฟกัสเลนส์ การพิมพ์ 3 มิติของวงแหวนด้วยไทเทเนียมทำให้ส่วนประกอบทั้งหมดมีน้ำหนักเบา สามารถใช้มอเตอร์ที่เล็กลง ลดการสึกหรอและต้นทุนโดยรวมของส่วนประกอบ โดยทั่วไปอะไหล่นี้จะผลิตขึ้นในปริมาณที่น้อย ซึ่งจะต้องลงทุนในราคาแพง หรือต้องใช้ฟิกซ์เจอร์แบบกำหนดเองในกระบวนการผลิตแบบเดิม ขณะที่เครื่องพิมพ์ The Studio System 2 รองรับการพิมพ์วงแหวนโฟกัสสูงสุด 6 วง ในเวลาน้อยกว่า 24 ชั่วโมง อีกทั้งใช้เวลาในการติดตั้งเครื่องที่รวดเร็วกว่า พร้อมในการใช้งานทันที

Ti64 parts printed on the Studio System 2 — like this drone coupling, fuel injector nozzle, and telescope focus ring (from left to right) — demonstrate excellent mechanical properties and corrosion resistance on a more accessible platform than legacy powder bed fusion 3D printing alternatives.(Source: Business Wire)

ข้อต่อโดรน (Drone Coupling)

ใช้ข้อต่อโดรนเพื่อยึด 2 ชิ้นส่วนเข้าด้วยกันบนโครงโดรน ความท้ายทายหลักของโครนคืออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ซึ่งพิจารณาจากน้ำหนักของโดรนเป็นหลัก การผลิตข้อต่อโดรนด้วยไทเทเนียมช่วยลดน้ำหนักได้อย่างมากแต่ยังคงไว้โครงโดรนได้ไว้อย่างเดิม ด้วยเครื่องพิมพ์ Studio System 2 รองรับการผลิตชิ้นส่วนในปริมาณน้อยประมาณ 15 ถึง 25 ชิ้นต่อสัปดาห์ ก่อนที่จะย้ายเข้าสู่การผลิตจำนวนมาก ทั้งหมดนี้โดยไม่ต้องใช้เครื่องมือหรือการตัดเฉือนอื่นๆ

หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง (Fuel Injector Nozzle)

หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ เพราะมีหน้าที่ในการขับเคลื่อนเชื้อเพลิงเข้าไปในหัวเผา ชิ้นส่วนนี้มีช่องภายในที่สามารถเสริมศักยภาพการทำงานของหัวเผา โดยที่กระบวนการผลิตแบบเดิมไม่สามารถทำได้

ไททาเนียมเป็นวัสดุที่จำเป็นสำหรับการใช้งานนี้ เนื่องจากหัวฉีดต้องสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงและแรงกดที่รุนแรงได้ ในขณะที่ยังคงมีน้ำหนักเบา ด้วย Studio System 2 วิศวกรสามารถทดสอบการออกแบบหัวฉีดได้หลายรูปแบบในเวลาไม่นาน เพราะสามารถพิมพ์หัวฉีดได้มากถึงสี่รุ่นในเวลาน้อยกว่า 24 ชั่วโมง

อ้างอิง: https://www.etmm-online.com/desktop-metal-is-first-to-commercialise-titanium-for-bound-metal-production-a-1045718/

บทความที่เกี่ยวข้อง: