การจำลองการผลิตแบบเติมวัสดุ

การจำลองการผลิตแบบเติมวัสดุ

หาความสัมพันธ์กระบวนการผลิตได้จาก ‘การจำลองการผลิตแบบเติมวัสดุ’

คุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ที่ผลิตด้วยวิธีเติมวัสดุนั้นขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ที่ตั้งค่าไว้ในการผลิต แต่เดิมการหากระบวนการที่เหมาะสมนั้นใช้วิธีทำการทดลอง (Experiment) ซึ่งกว่าจะเห็นผลลัพธ์ต้องรอให้ชิ้นงานเสร็จเสียก่อน และบอกได้ยากว่าปัจจัยใดที่ก่อให้เกิดผลลัพธ์ที่ต้องการ แต่ในปัจจุบันด้วยการจำลองกระบวนการผลิตที่ทำได้ด้วยโมเดลในคอมพิวเตอร์ ทำให้สามารถจำลองพารามิเตอร์ต่าง ๆ เพื่อดูสหสัมพันธ์ระหว่างกัน สามารถหาพารามิเตอร์ที่มีความเหมาะสมที่สุดโดยไม่ต้องมีการผลิตจริง นี่คือหนึ่งในความก้าวหน้าของเทคโนโลยีในปัจจุบัน

นักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน Fraunhofer ทำการจำลองการผลิตแบบเติมวัสดุในโครงสร้างระดับไมโครเป็นครั้งแรก เพื่อที่จะระบุความสัมพันธ์ที่เกี่ยวพันกันทางตรง (Direct Correlation) ระหว่างคุณสมบัติชิ้นงานและพารามิเตอร์ของกระบวนการที่เลือกใช้ ในการทำเช่นนี้เป็นการรวมวิธีการจำลองแบบต่าง ๆ เข้าด้วยกัน

Raytracing simulation of the LPBF process

การจำลอง Raytracing ของกระบวนการ LPBF 

(ที่มา: Fraunhofer IWM)

การผลิตแบบเติมวัสดุมีข้อดีมากมาย แต่สิ่งที่โดดเด่นที่สุด คือ การประหยัดพลังงานและวัสดุ อีกทั้งยังทำให้ส่วนประกอบรูปทรง 3 มิติที่ซับซ้อนและสินค้าที่ผลิตตามสั่งนั้นสามารถเกิดขึ้นจริงได้ กระบวนการ Laser Powder Bed Fusion หรือเรียกสั้น ๆ ว่า LPBF เป็นกระบวนการที่ใช้อย่างแพร่หลายสำหรับการผลิตแบบเติมวัสดุและเครื่องมือต่าง ๆ กระบวนการนี้มีความน่าทึ่งตรงที่วงจรนวัตกรรมสั้นแต่มีความคุ้มค่าสูง โดยใช้หลักการแท่นผงที่มีความหนามากถึง 50 ไมโครเมตร ให้ความร้อนด้วยเลเซอร์ที่มีความแม่นยำสูง แท่นผงนั้นจะกลายเป็นของเหลวเกิดการหลอมรวมกันและจะแข็งตัวทันทีที่เลเซอร์เคลื่อนที่ต่อไป หากไม่โดนเลเซอร์ก็จะไม่มีการหลอมรวมกันเกิดขึ้น กระบวนการนี้เมื่อมีการทำซ้ำหลายครั้งส่วนประกอบก็จะมีความสูงขึ้นทีละชั้น ๆ

สิ่งสำคัญ คือ ส่วนประกอบสำเร็จรูปต้องมีความหนาแน่น 100 เปอร์เซ็นต์ ไม่มีรูพรุน แต่ละชั้นที่ทำขึ้นมาใหม่จะยึดเกาะกับชั้นด้านล่างอย่างแน่นหนา การปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ของกระบวนการมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับคุณสมบัติเชิงกลของชิ้นงาน ยกตัวอย่างเช่น ความเร็วในการสแกน กำลังของเลเซอร์ โครงสร้างไมโครของโลหะเม็ดเล็ก ๆ สิ่งเหล่านี้มีทิศทาง ขนาด และรูปร่างที่แน่นอน แต่ก็ส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติเชิงกล เช่น ค่าความยืดหยุ่นโมดูลัส (Elastic Modulus) หรือความเค้นคราก (Yield Stress) ของวัสดุ เป็นต้น

คำถาม คือ คุณจะควบคุมกระบวนการในลักษณะที่โครงสร้างไมโครได้นั้นให้เหมาะสมกับสภาพการใช้งานของส่วนประกอบในอนาคตได้อย่างไร? นอกจากนี้ส่วนประกอบและชิ้นงานต่าง ๆ มักทำมาจากโลหะผสมที่แตกต่างกัน เช่น เหล็ก โลหะผสมอลูมิเนียม โลหะผสมไทเทเนียม ด้วยองค์ประกอบและอัตราส่วนการผสมที่หลากหลาย วัสดุโลหะผสมแต่ละอย่างมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันและก่อให้เกิดโครงสร้างไมโครที่แตกต่างกันด้วย การค้นพบพารามิเตอร์กระบวนการและวัสดุที่เหมาะสมที่สุดมาจับคู่เข้าด้วยกันนั้นเป็นการทดลองและใช้เวลาในความพยายามที่ยาวนานมาก

Simulation of the formation of a columnar microstructure in the laser melt pool.
Simulation of the LPBF pro-cess with lack of fusion defects and residual porosity.
Raytracing simulation of the LPBF process
Simulation chain for modeling the LPBF process from powder to mechanical properties.

การจำลองทั้งห่วงโซ่กระบวนการ

นักวิจัยจาก Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM ใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป “เนื่องจากกระบวนการ Laser Powder Bed Fusion มีความซับซ้อนมากขึ้นจากวัสดุและความต้องการใหม่ ๆ เราจึงตัดสินใจที่จะจำลองห่วงโซ่กระบวนการทั้งหมด ซึ่งช่วยให้เราลดวงจรการลองผิดลองถูก (Trial & Error) ให้เหลือน้อยที่สุด และยังประเมินความผันแปรในกระบวนการโดยรวมได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ อีกทั้งช่วยขจัดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ระหว่างการผลิตอีกด้วย” Dr. Claas Bierwisch หัวหน้าทีมของ Fraunhofer IWM อธิบาย 

นักวิจัยได้รวมวิธีการจำลองแบบต่าง ๆ โดยใช้วิธีแยกองค์ประกอบ อย่างแรก คือ จำลองการแพร่กระจายของผงแป้งแต่ละอนุภาคในห้องอาคารด้วยเครื่องมือพิเศษ หรือที่เรียกกันว่า ใบมีดปาดสี (Doctor Blade) ต่อจากนั้น จำลองวิธีที่อนุภาคผงหลอมละลายโดยการ Smoothed Particle Hydrodynamics มีการคำนวณทั้งปฏิกิริยาของเลเซอร์และการนำความร้อน ตลอดจนความตึงของพื้นผิวที่เป็นเหตุให้ของหลอมละลาย นอกจากนี้ยังคำนึงถึงแรงโน้มถ่วงและความดันหดตัว (Recoil Pressure) ที่เกิดขึ้นเมื่อวัสดุระเหยกลายเป็นไอ

การจำลองกระบวนการ LPBF ด้วยรหัสสีอุณหภูมิ 

การจำลองยังต้องอธิบายโครงสร้างไมโครของวัสดุเพื่อที่จะคาดการณ์คุณสมบัติวัสดุเชิงกล “ในการวิเคราะห์โครงสร้างไมโครนี้ เราได้รวมวิธีจำลองแบบอื่น ๆ ที่รู้จักกันในชื่อ ‘Cellular Automaton’ เป็นการอธิบายว่าเม็ดโลหะเติบโตตามฟังก์ชันการไล่ระดับอุณหภูมิอย่างไร” Bierwisch ให้คำอธิบาย เมื่อเลเซอร์สัมผัสกับผงทำให้อุณหภูมิขึ้นสูงได้ถึง 3,000 องศาเซลเซียส แต่ห่างออกไปเพียงไม่กี่มิลลิเมตร วัสดุจะเกิดการเย็นตัว นอกจากนี้ เลเซอร์ยังเคลื่อนที่บนแท่นผงด้วยความเร็วสูงหลายเมตรต่อวินาที ส่งผลให้วัสดุร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว แต่ก็จะเย็นลงอีกภายในไม่กี่มิลลิวินาที ทั้งหมดนี้มีผลกระทบต่อการสร้างโครงสร้างไมโคร ขั้นตอนสุดท้าย คือ การจำลอง Finite Element ทีมวิจัยใช้การทดสอบนี้ในการทดสอบแรงดึงในทิศทางต่าง ๆ บนองค์ประกอบปริมาตรตัวแทนของวัสดุ เพื่อหาว่าวัสดุมีปฏิกิริยาอย่างไรต่อโหลดเหล่านี้

“ในการทดลองเราทำได้เพียงศึกษาจากผลในครั้งสุดท้ายเท่านั้น ในขณะที่การจำลองเราสามารถดูว่าอะไรเกิดขึ้นในเวลาจริง หมายความว่า เราสามารถสร้างความสัมพันธ์ระหว่างกระบวนการ โครงสร้าง คุณสมบัติจากการจำลองได้ ตัวอย่างเช่น หากเราเพิ่มกำลังให้เลเซอร์ โครงสร้างไมโครก็จะมีการเปลี่ยนแปลง ซึ่งส่งผลอย่างมากต่อความเค้นจุดครากของวัสดุ คุณภาพที่ได้จะมีความแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงกับสิ่งที่ได้จากการทดลอง คุณสามารถตรวจสอบความสัมพันธ์อย่างละเอียดได้” Bierwisch กล่าว

การจำลองช่วยให้เห็นความสัมพันธ์ที่ชัดเจนระหว่างพารามิเตอร์ต่าง ๆ ในการผลิต เป็นวิธีการที่รวดเร็วและมีประสิทธิผลมาก ด้วยเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าในปัจจุบัน

บทความอ้างอิง: https://www.etmm-online.com/

บทความอื่น ๆ