การหล่อฉีด หรือ Die Casting

What is die casting? การหล่อฉีดคืออะไร (1)

การหล่อฉีด หรือ Die Casting คือกระบวนการที่โลหะหลอมละลายถูกอัดฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์ด้วยแรงดันสูง ต่อไปนี้คือเรื่องราวของ Die Casting หรือ เทคโนโลยีกระบวนการหล่อฉีดที่ Toolmakers จะถ่ายทอดมาให้รู้จักกันอย่างครบถ้วนกระบวนการหล่อ




การหล่อฉีดแตกต่างจากการหล่อแบบอื่น ๆ เช่น powder metallurgy (เทคนิคการขึ้นรูปด้วยผงโลหะ) เพราะโลหะส่วนใหญ่ที่ถูกใช้ในการหล่อฉีดเป็น โลหะนอกกลุ่มเหล็ก (nonferrous) เช่น อลูมิเนียม แมกนีเซียม สังกะสี ตะกั่ว และโลหะผสมด้วยดีบุกและตะกั่ว (pewter) กระบวนการหล่อฉีด หรือ Die Casting ถูกประดิษฐ์คิดค้นขึ้นเมื่อ 150 ปีมาแล้ว ส่งผลให้เครื่องพิมพ์สามารถสร้างชิ้นส่วนที่สามารถเคลื่อนย้ายได้ง่ายยิ่งขึ้นกว่าวิธีการหล่อแบบเดิม

ประเภทของการหล่อฉีด

แยกออกเป็น 2 ประเภทหลักๆ ก็คือ การหล่อร้อน หรือ hot-chamber casting และ การหล่อเย็น หรือ cold chamber casting  และก็ยังมีประเภทของกระบวนการแยกย่อยออกไปอีก เช่น การหล่อสุญญากาศ (vacuum) การหล่ออัด (squeeze) และกระบวนการหล่อโลหะกึ่งของแข็ง (semi-solid)

การหล่อร้อน เป็นกระบวนการที่ใช้กันมากที่สุด เพราะรวมกระบวนการทั้งการหลอมโลหะให้เป็นของเหลวและการอัดฉีดไว้ในเครื่องเดียวกัน กระบวนการนี้จึงถูกเรียกในอีกชื่อว่า gooseneck casting หรือ การหล่อแบบคอห่าน เพราะการอัดโลหะเหลวเข้า chamber ผ่านกลไกหรืออุปกรณ์ที่มีลักษณะเหมือนคอห่านนั่นเอง

อย่างไรก็ตาม ด้วยเหตุผลหลากหลาย ชิ้นงานที่สร้างขึ้นจากการหล่อร้อนนั้นมีความอ่อนไหวต่อการกัดกร่อนมากกว่า ซึ่งหมายความว่าการหล่อร้อนเหมาะสำหรับโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ เช่น ตะกั่ว สังกะสี และแมกนีเซียม นอกจากนี้เนื่องจากอุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำ วิธีนี้จึงใช้ได้ดีที่สุดกับโลหะเดี่ยว หรือ single metal ไม่เหมาะกับโลหะผสม หรือ alloys

ส่วน cold chamber casting หรือ การหล่อเย็น จะแยกห้องเผาไหม้ (combustion chamber) ออกจากอุปกรณ์ฉีด และใช้ท่อดูด (straw) ในการสร้างท่อหรือ conduit สำหรับโลหะเหลว ข้อได้เปรียบหลัก ๆ ของวิธีนี้ก็คือ มันสามารถใช้ได้กับโลหะหลากหลายชนิดที่มีจุดหลอมเหลวแตกต่างกัน รวมถึงโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงกว่าโลหะชนิดอื่นๆ  เพราะว่า ห้องหลอม หรือ melting chamber สามารถสร้างด้วยวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูงพิเศษ (ultra-high melting points) เช่น ทังสเตน ดังนั้น cold chamber จึงเหมาะสำหรับการทำชิ้นงานอัลลอยด์

ข้อเสียที่สำคัญที่สุดของกระบวนการหล่อเย็นก็คือ ความล่าช้าของกระบวนการทำงาน ไม่เพียงแต่ต้องใช้เวลาเพิ่มในการปั๊มวัสดุที่หลอมเหลว แต่เนื่องจากวัสดุนั้นจะต้องได้รับความร้อนในที่ที่แยกออกไปต่างหากจากแม่พิมพ์จึงมีราคาแพงกว่า สำหรับโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น ทองแดง แมงกานีส และโมลิบดินัม จึงเป็นวิธีการเดียวที่ใช้ได้ผลที่สุด หากคุณไม่ต้องการประสบปัญหาเกี่ยวกับการกัดกร่อนในภายหลัง

การหล่อแรงดันต่ำ (Low-pressure casting) เป็นการหล่อแนวตั้ง แทนที่จะอัดโลหะเหลวเข้าไปในแม่พิมพ์ด้วยลูกสูบอันทรงพลัง ระบบนี้ใช้แรงอัดสูงสุดเพียง  1 บาร์ในการอัดโลหะขึ้นไปสู่แม่พิมพ์ ด้วยวิธีการนี้ทำให้ operator สามารถเพิ่มเติมโลหะหลอมเหลวเข้าไปในแม่พิมพ์ได้เพื่อแก้ไขชิ้นงานในกรณีที่เกิดความผิดพลาดขึ้นเมื่อโลหะเย็นและเกิดการหดตัว

ด้วยวิธีนี้ operator สามารถสร้างชิ้นส่วนที่มีรูปทรงซับซ้อนได้ด้วยความถูกต้องแม่นยำอย่างไม่น่าเชื่อ โลหะหลักที่ถูกใช้ในวิธีการหล่อแรงดันต่ำก็คือ อลูมิเนียม ความจริงแล้ว วิธีการนี้เป็นรูปแบบที่พบได้ทั่วไปสำหรับการหล่อฉีดอลูมิเนียม (aluminium die cast) ข้อเสียเปรียบของวิธีการนี้ก็คือ ความล่าช้า ที่ช้ายิ่งกว่าวิธีการหล่อฉีดแบบเย็นเสียอีก

การหล่อสุญญากาศ (Vacuum casting) จะกลับตำแหน่งของแม่พิมพ์และที่เก็บของเหลวต่างไปจากรูปแบบของวิธีการหล่อแรงดันต่ำ พบได้ทั่วไปในการหล่อฉีดอลูมิเนียม กระบวนการสุญญากาศจะดูดแก๊สออกจาก chamber จากนั้นโลหะเหลวจะไหลเข้าสู่แม่พิมพ์เนื่องจากแรงดันลดลง ดังนั้นวิธีการนี้จึงเป็นเหมือนระบบเสริม หรือ secondary system ที่เข้ามาช่วยเสริมกระบวนการหล่อแบบอื่นมากกว่า เมื่อเครื่องดูดอากาศและแก๊สต่างๆ ออกจาก chamber จนเกิดภาวะสุญญากาศ โอกาสที่โครงสร้างของชิ้นงานจะเกิดฟองอากาศหรือรูพรุนก็ลดลง หรือ ไม่เกิดขึ้นเลย กระบวนการนี้เหมาะกับการสร้างชิ้นงานที่ต้องอบด้วยความร้อนหลังจากนั้น

การหล่ออัด (Squeeze) เป็นกระบวนการลูกผสมที่หยิบยืมคุณสมบัติที่ดีที่สุดของกระบวนการหล่อประเภทอื่น ๆ ที่ว่ามาข้างต้น โลหะเหลวที่ใช้ในการหล่อแบบนี้ก็คือ แมกนีเซียม หรือ อลูมิเนียม ที่จะถูกเทลงไปที่ส่วนครึ่งล่างของแม่พิมพ์ จากนั้นเครื่องจะกดครึ่งบนของแม่พิมพ์ลงด้วยแรงดันมหาศาล ส่งผลให้โลหะเหลวพุ่งเข้าสู่ทุกส่วนของหล่อแม่พิมพ์โลหะ (metal die cast) และเนื่องจากการใช้แรงดันเป็นไปอย่างช้าๆ คุณภาพของชิ้นงานที่ผลิตได้ด้วยวิธีการนี้จึงมีความพิเศษ ด้วยชิ้นงานที่มีความหนาแน่นสูงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ หรือ ชิ้นส่วนอื่นๆ ที่ต้องการมาตรฐานด้านความปลอดภัยสูง

อีกวิธีการหนึ่งที่ใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีความหนาแน่นสูงที่มีความปลอดภัยสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องทำงานเคลื่อนไหวซ้ำ ๆ คือ การหล่อโลหะกึ่งของแข็ง (semi-solid die casting) เรียกอีกชื่อว่า Thixoforming เครื่องจักรจะตัดวัสดุที่จะใช้หล่อเป็นลูกๆ  จากนั้นก็ใช้ความร้อนหลอมจนถึงจุดหนึ่งระหว่างการหลอมเหลวแบบสมบูรณ์และการแข็งตัว สถานะที่ว่านี้ทำให้วัสดุมีค่าความเป็นของแข็งอยู่ที่ประมาณ 40% ซึ่งนี่คือวิธีการสร้างชิ้นงานที่มีค่าความคลาดเคลื่อนต่ำที่สุดและผลิตภัณฑ์มีรูพรุนน้อยที่สุด ด้วยเหตุนี้มันจึงแพงกว่าวิธีการอื่น ๆ นอกจากนี้จะต้องรักษาระดับอุณหภูมิในช่วงที่ทำการหล่อด้วย เทคนิคพิเศษเช่นนี้ ไม่เพียงต้องใช้อุปกรณ์ระดับไฮเอนเท่านั้น แต่ยังต้องใช้ผู้ปฏิบัติงานขั้นเทพที่ถูกฝึกฝนมาอย่างดีเยี่ยมจนมีทักษะสุดยอดด้วยความรู้ความเชี่ยวชาญอันพิเศษมากมาย

What is Die Casting_Cover
Learn all about die casting, its advantages and disadvantages. (Source: Mika Baumeister (Unsplash))

*Powder Metallurgy คือ เทคนิคการขึ้นรูปโลหะผง ซึ่งประกอบด้วย 3 ขั้นตอนหลักๆ ขั้นตอนแรก เป็นการคัดแยกผงโลหะ ขั้นตอนต่อไป ผงโลหะจะถูกฉีดเข้าไปในโมลด์ (mold) หรืออัดขึ้นรูปด้วยดาย (die) จะได้ชิ้นงานในรูปของกรีน (green) ซึ่งอนุภาคโลหะผงจะจับกันด้วย mechanical locking ซึ่งมีความแข็งแรงต่ำ รูปร่างหรือมิติที่ได้ใกล้เคียงของจริง(รูปร่างที่ต้องการ) ขั้นตอนสุดท้าย คือการเผาผนึก (sintering)ด้วยเตาอบแบบต่างๆที่มีการควบคุมบรรยากาศ

 

อ้างอิง: https://www.etmm-online.com/what-is-die-casting-a-892860/

อ่านต่อตอนที่ 2

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •