คุณกำลังเลือกเครื่องพิมพ์ 3 มิติผิดประเภทอยู่หรือเปล่า? 7 ประเภทของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing)

ตลอด 12 ปีที่ผมบริหารจัดการห่วงโซ่อุปทานการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วและการผลิตจำนวนมากที่ eptahub.com ไม่มีอะไรทำให้ผมหงุดหงิดไปมากกว่าการที่ลูกค้าถามว่า..., “เราสามารถพิมพ์ชิ้นนี้ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติได้ไหม?”

สำหรับวิศวกรเครื่องกลแล้ว “การพิมพ์ 3 มิติ” เป็นเพียงคำศัพท์เฉพาะกลุ่มที่ไร้ประโยชน์และใช้ได้เฉพาะผู้บริโภคทั่วไป มันเทียบเท่ากับการถามศัลยแพทย์ว่า “สามารถใช้มีดได้หรือไม่” มีดแบบไหนล่ะ? มีดผ่าตัดหรือเลื่อยตัดกระดูก?

ในภาคอุตสาหกรรมการผลิต เราไม่ได้ใช้คำว่า การพิมพ์ 3 มิติ แต่เราใช้คำอื่นแทน การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing - AM). เมื่อคุณถาม, “การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุมีกี่ประเภท?”, คำตอบไม่ใช่เรื่องของความคิดเห็นหรือการสร้างแบรนด์ของบริษัท คำตอบคือเจ็ดอย่างแน่นอน.

ผู้เชี่ยวชาญระดับโลกในเรื่องนี้คือ ASTM F42 – การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) คณะกรรมการได้ลอกชื่อย่อทางการตลาดที่เป็นกรรมสิทธิ์ทั้งหมดของ Stratasys, 3D Systems และ EOS ออกไป และจัดหมวดหมู่เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติทุกชนิดบนโลกตามหลักฟิสิกส์พื้นฐานและการเปลี่ยนแปลงสถานะทางคณิตศาสตร์.

หากคุณไม่ทราบความแตกต่างระหว่างปฏิกิริยาการเกิดพอลิเมอร์ด้วยแสงและการเกิดบ่อหลอมจากการสะสมพลังงานแบบกำหนดทิศทาง คุณจะเลือกเทคโนโลยีที่ผิดพลาด ชิ้นส่วนของคุณจะเสียหายอย่างรุนแรงภายใต้แรงกด และคุณจะเสียเงินไปหลายหมื่นดอลลาร์โดยเปล่าประโยชน์.

เมทริกซ์ทางวิศวกรรม ASTM F42: 7 หมวดหมู่

ก่อนที่เราจะเจาะลึกลงไปในหลักฟิสิกส์ทางเทอร์โมไดนามิกของแต่ละกระบวนการ คุณต้องจำมาตรฐานสากลให้ได้เสียก่อน ด้านล่างนี้คือเมทริกซ์ทางวิศวกรรมที่เข้มงวดซึ่งกำหนด... 7 ประเภทของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ, รวมถึงคำย่อที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรม และสถานะของวัสดุเหล่านั้น.

ประเภทที่ 1: การอัดขึ้นรูปวัสดุ (แบบพื้นฐาน)

เมื่อประชาชนทั่วไปนึกถึง ตัวอย่างของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ, พวกเขามักจะนึกถึงเทคโนโลยีการอัดขึ้นรูปวัสดุ (หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่า FDM) อยู่เสมอ.

• ฟิสิกส์: เส้นใยเทอร์โมพลาสติกแข็ง (เช่น ABS, โพลีคาร์บอเนต หรือไนลอนเสริมใยคาร์บอน) จะถูกดันผ่านหัวฉีดที่ให้ความร้อน เครื่องจะวาดหน้าตัดสองมิติ ยกแกน Z ขึ้น และวางชั้นถัดไปทับลงไป.

• ความเป็นจริงทางวิศวกรรม: แม้ว่าจะราคาถูกและหาซื้อได้ง่าย แต่โดยพื้นฐานแล้วมันก็คือ... แอนไอโซโทรปิก. เนื่องจากชิ้นส่วนนี้สร้างขึ้นโดยการเรียงซ้อนเส้นพลาสติกกึ่งหลอมเหลว แกน Z (จุดเชื่อมต่อระหว่างชั้น) จึงเป็นจุดอ่อนทางโครงสร้างที่สำคัญมาก ที่ eptahub.com เราไม่เคยใช้การอัดขึ้นรูปวัสดุ (Material Extrusion) สำหรับภาชนะรับแรงดันหรือชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงเฉือนหลายทิศทาง เราใช้เทคนิคนี้เกือบทั้งหมดสำหรับการสร้างแม่พิมพ์ในสายการผลิต อุปกรณ์จัดแนว และการตรวจสอบความถูกต้องของรูปทรงพื้นฐานเท่านั้น.

ประเภทที่ 2: การหลอมผงโลหะ (เทคโนโลยีระดับอุตสาหกรรม)

หากคุณกำลังค้นคว้าข้อมูล ประเภทของการผลิตโลหะแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ หรือหากกำลังมองหาชิ้นส่วนโพลีเมอร์ที่มีประสิทธิภาพสูง การพิมพ์ 3 มิติแบบ Powder Bed Fusion (PBF) คือสุดยอดเทคโนโลยีในสายการผลิตอย่างไม่ต้องสงสัย.

• ฟิสิกส์: ใบมีดของเครื่องเคลือบจะกระจายผงละเอียด (โดยทั่วไปมีความหนา 20 ถึง 50 ไมครอน) ลงบนแผ่นฐานพิมพ์ เลเซอร์กำลังสูง (หรือลำแสงอิเล็กตรอน) จะยิงลงมาตามรอยตัดขวางของแบบจำลอง CAD พลังงานความร้อนจากเลเซอร์จะหลอมผงให้ละลายทันทีและรวมตัวกันเป็นก้อนแข็ง แผ่นฐานพิมพ์จะลดระดับลง ผงชั้นใหม่จะถูกกระจายออกไป และกระบวนการจะเริ่มต้นใหม่.
• ความเป็นจริงทางวิศวกรรม: สำหรับโพลิเมอร์ เราใช้ การเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือกเฉพาะ (เอสแอลเอส) โดยใช้ไนลอน (PA12) สำหรับโลหะ เราใช้ การเผาผนึกโลหะด้วยเลเซอร์โดยตรง (DMLS) ผลิตจากไทเทเนียม อินโคเนล หรืออลูมิเนียม.
• ข้อได้เปรียบขั้นสูงสุด: PBF นั้นสมบูรณ์แบบ พึ่งพาตนเองได้. เนื่องจากชิ้นส่วนถูกสร้างขึ้นภายในผงที่ไม่ผ่านการเผาผนึกที่มีความหนาแน่นสูง จึงไม่จำเป็นต้องพิมพ์โครงสร้างรองรับ ทำให้วิศวกรสามารถออกแบบรูปทรงภายในที่ซับซ้อนอย่างเหลือเชื่อได้ เช่น ช่องระบายความร้อนแบบโค้งมนภายใน แม่พิมพ์ฉีดพลาสติก หรือโครงสร้างตาข่ายภายในชิ้นส่วนยึดสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ซึ่งไม่สามารถผลิตได้โดยใช้เครื่องจักร CNC 5 แกนแบบดั้งเดิม.

ประเภทที่ 3: การพอลิเมอไรเซชันด้วยแสงในอ่าง (ความแม่นยำระดับไมครอน)

เมื่อพิจารณาค่าความคลาดเคลื่อนของมิติและ การตกแต่งพื้นผิว โดยไม่คำนึงถึงข้อกำหนดทางกลไกอื่นๆ เราจะละทิ้งการหลอมด้วยความร้อนและหันมาใช้ปฏิกิริยาเคมีแสงแทน.

• ฟิสิกส์: แท่นสร้างชิ้นงานจะเลื่อนลงไปในอ่างบรรจุเรซินโฟโตโพลิเมอร์เหลวที่เป็นพิษ เลเซอร์ยูวี (สำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติระบบ SLA) หรือจอฉายภาพยูวีแบบดิจิทัล (สำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติระบบ DLP) จะฉายแสงขึ้นไปด้านบนผ่านด้านล่างของอ่าง เมื่อแสงยูวีกระทบกับเรซิน จะกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีแสง ทำให้โมโนเมอร์เหลวเกิดการเชื่อมโยงกันทันที กลายเป็นชั้นโพลิเมอร์แข็ง.
• ความเป็นจริงทางวิศวกรรม: นี่เป็นหนึ่งในสิ่งที่เก่าแก่ที่สุด วิธีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ, แต่ก็ยังคงมีความแม่นยำที่สุด เราสามารถสร้างชั้นที่มีความสูงได้ถึง 10 ไมครอน (0.01 มม.).
• ข้อเสีย: โฟโตโพลิเมอร์ขึ้นชื่อเรื่องความเปราะบาง ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากมันไวต่อแสงยูวี หากคุณทิ้งชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี SLA ไว้กลางแดด มันจะเกิดการเชื่อมโยงกันมากขึ้นเรื่อยๆ จนเปราะบางเป็นพิเศษ และในที่สุดก็จะแตกหัก เราจึงใช้เทคโนโลยีนี้เฉพาะสำหรับการทดสอบไมโครฟลูอิดิกส์ แม่พิมพ์ต้นแบบสำหรับการหล่อโลหะที่มีความแม่นยำสูง และการสร้างแบบจำลองเพื่อความสวยงามที่ต้องการพื้นผิวเรียบลื่นเหมือนกระจก.

กรณีศึกษาทางวิศวกรรม: ท่อร่วมไฮดรอลิกแรงดันสูง

เพื่อให้เข้าใจว่าทำไมการรู้เรื่องนี้จึงสำคัญ ประเภทของกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ การป้องกันความล้มเหลวร้ายแรงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง เรามาพิจารณาการวิเคราะห์ความล้มเหลวที่ผมดำเนินการให้กับซัพพลายเออร์ด้านการบินและอวกาศระดับ Tier-2 ที่ต้องการใช้เครือข่ายการผลิตของ eptahub.com กัน.

สถานการณ์จำลอง: ลูกค้าต้องการออกแบบท่อร่วมไฮดรอลิกอะลูมิเนียมที่ซับซ้อนขึ้นใหม่ เพื่อลดน้ำหนัก ทีมออกแบบวิศวกรรมจึงเจาะโพรงภายในบล็อก ทำให้เกิดช่องทางการไหลของของเหลวภายในที่ซับซ้อนและโค้งงอ เพื่อกำจัดจุดตัดภายในที่ทำมุม 90 องศา ซึ่งเกิดจากการเจาะรูลึกแบบดั้งเดิม.
วิศวกรฝึกหัดที่ได้รับมอบหมายให้ดูแลโครงการเงยหน้าขึ้นมอง ข้อดีของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ, เห็นว่า การฉีดสารยึดเกาะ (ประเภทที่ 5) มีประสิทธิภาพคุ้มค่าและรวดเร็วมากสำหรับโลหะ และได้สั่งทำต้นแบบจำนวน 50 ชิ้นในวัสดุ 316L สแตนเลสสตีล.

ความล้มเหลว: ชิ้นส่วนต่างๆ มาถึงแล้ว และมีรูปทรงเรขาคณิตที่สมบูรณ์แบบ ช่างเทคนิคได้ติดตั้งท่อร่วมตัวแรกเข้ากับแท่นทดสอบและอัดแรงดันของเหลวไฮดรอลิกไปที่ 3,000 PSI.
ภายในเวลาเพียงไม่กี่วินาที ท่อร่วมเริ่ม "ซึม" ของเหลวไฮดรอลิกออกมาโดยตรงผ่านผนังเหล็กกล้าแข็ง ชิ้นส่วนนั้นไม่ได้ระเบิด แต่รั่วซึมเหมือนฟองน้ำ.

สาเหตุหลักทางด้านวิศวกรรม:
วิศวกรฝึกหัดไม่เข้าใจหลักฟิสิกส์ของประเภทการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (AM) ที่เลือกใช้.
การฉีดสารยึดเกาะ กระบวนการนี้ไม่ได้หลอมโลหะ แต่ใช้หัวฉีดหมึกพ่นกาวเหลวลงบนผงโลหะ ทำให้เกิดชิ้นส่วน "ดิบ" ที่เปราะบาง จากนั้นจึงนำชิ้นส่วนนั้นไปใส่ในเตาเผาเพื่อเผาไหม้กาวและหลอมโลหะเข้าด้วยกัน อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ทำให้เกิดช่องว่างขนาดเล็กมากในวัสดุ ชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยกระบวนการ Binder Jetting มาตรฐานมีความหนาแน่นเพียงประมาณ 95% ถึง 97% เท่านั้น มันมีรูพรุนอย่างแท้จริง ภายใต้แรงดัน 3,000 PSI ของเหลวไฮดรอลิกสามารถหาทางผ่านช่องว่างขนาดเล็กเหล่านั้นได้อย่างง่ายดาย.

วิธีแก้ไข:
เรายกเลิกสินค้าล็อตนั้นทั้งหมด ผมจึงโอนไฟล์ CAD ไปยังบริษัทของเราทันที การหลอมผงโลหะด้วยความร้อน (DMLS) แผนก.
เทคโนโลยี DMLS ใช้เลเซอร์ไฟเบอร์กำลัง 400 วัตต์เพื่อให้ผงโลหะหลอมละลายอย่างสมบูรณ์ ชิ้นส่วนที่ได้มีความหนาแน่น 99.91 TP3T และมีโครงสร้างเกรนเชิงกลที่เทียบเท่าหรือบางครั้งอาจดีกว่าโลหะหล่อ.
เราพิมพ์ชิ้นส่วนท่อร่วมไอดีโดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ DMLS อลูมิเนียม (AlSi10Mg) จากนั้นติดตั้งลงบนแท่นทดสอบ อัดแรงดันเข้าไปที่ 4,500 PSI และคงแรงดันไว้เป็นเวลา 24 ชั่วโมง ผลปรากฏว่าไม่มีแรงดันตก และไม่มีการรั่วไหล.

การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุไม่ใช่เรื่องมหัศจรรย์ มันเป็นเรื่องของวิทยาศาสตร์วัสดุอย่างเคร่งครัด หากคุณเลือกประเภทที่ไม่ถูกต้องจากรายการ ASTM F42 กฎของฟิสิกส์จะทำลายการออกแบบของคุณ.

ประเภทที่ 4: การพ่นวัสดุ (เทคโนโลยีสุดมหัศจรรย์สำหรับวัสดุหลากหลายชนิด)

เมื่อลูกค้าผู้ใช้อุปกรณ์ทางการแพทย์ติดต่อ eptahub.com และขอชมภาพตัวอย่าง ตัวอย่างของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ เพื่อให้สามารถจำลองทั้งกระดูกมนุษย์และเนื้อเยื่อหัวใจที่อ่อนนุ่มได้ในชิ้นส่วนเดียวต่อเนื่องกัน เราจึงใช้เทคโนโลยี Material Jetting.

• ฟิสิกส์: ลองนึกภาพเครื่องพิมพ์อิงค์เจ็ท 2 มิติแบบตั้งโต๊ะทั่วไป แต่แทนที่จะพ่นหมึก CMYK มันกลับพ่นละอองโพลิเมอร์เหลวขนาดจิ๋วลงบนแท่นพิมพ์ ถัดจากหัวพิมพ์จะมีชุดแสง UV ความเข้มสูงที่ทำให้ละอองเหล่านั้นแข็งตัวกลายเป็นพลาสติกทันที ก่อนที่จะพิมพ์ชั้นต่อไป.
• ความเป็นจริงทางวิศวกรรม: ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดของเทคโนโลยี Material Jetting (เช่น Stratasys PolyJet) คือความสามารถในการผสมเรซินชนิดต่างๆ ได้แบบเรียลไทม์ในระดับโวเซล (พิกเซล 3 มิติ) คุณสามารถพิมพ์ชิ้นส่วนที่แข็งแรงซึ่งเปลี่ยนไปเป็นชิ้นส่วนยางที่ยืดหยุ่นได้อย่างราบรื่นโดยไม่ต้องประกอบหรือใช้กาวใดๆ.
• ข้อจำกัด: เช่นเดียวกับ Vat Photopolymerization (ประเภทที่ 3) โพลิเมอร์เหล่านี้เป็นโพลิเมอร์ที่บ่มด้วยรังสียูวี พวกมันเสื่อมสภาพจากแสงได้ง่ายเมื่อเวลาผ่านไป และมีอุณหภูมิการโก่งตัวจากความร้อนต่ำ จึงเหมาะสำหรับการสร้างต้นแบบและการผลิตเครื่องมือที่มีความสมจริงสูง ไม่ใช่ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลสำหรับใช้งานจริง.

ประเภทที่ 5: การพิมพ์แบบ Binder Jetting (ประเภทการผลิตจำนวนมากที่คนไม่ค่อยรู้จัก)

เราได้พูดคุยเกี่ยวกับกระบวนการ Binder Jetting ในแง่ของความล้มเหลวอย่างร้ายแรงในฐานะท่อร่วมแรงดันสูงเนื่องจากรูพรุน อย่างไรก็ตาม การมองข้ามกระบวนการนี้ไปก็เท่ากับการละเลยหนึ่งในศักยภาพที่ทรงพลังที่สุด ข้อดีของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ ในการผลิตจำนวนมาก.

• ฟิสิกส์: ลูกกลิ้งจะเกลี่ยผง (โลหะ ทราย หรือเซรามิก) เป็นชั้นบางๆ จากนั้นหัวพิมพ์อิงค์เจ็ทจะเคลื่อนผ่านและพ่นสารยึดเกาะเหลว (กาว) ลงไปอย่างเลือกสรร เพื่อหลอมรวมอนุภาคผงเข้าด้วยกัน กระบวนการพิมพ์นี้ไม่มีการใช้เลเซอร์และไม่มีการหลอมละลายด้วยความร้อน.
• ความเป็นจริงทางวิศวกรรม: เนื่องจากไม่มีการหลอมด้วยเลเซอร์ จึงไม่มีความเครียดจากความร้อนหรือการบิดเบี้ยวระหว่างการพิมพ์ คุณสามารถบรรจุชิ้นส่วนหลายพันชิ้นลงในพื้นที่การพิมพ์เดียวได้.
• การประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมอย่างแท้จริง: ในขณะที่ การพ่นสารยึดเกาะโลหะ ต้องใช้เตาเผาผนึกหลังการพิมพ์ที่ซับซ้อนเพื่อให้ได้ความหนาแน่นสูง, การพ่นทรายยึดเกาะ เทคโนโลยีนี้กำลังปฏิวัติวงการโรงหล่อ แทนที่จะใช้เงิน 1,450,000 เหรียญและเวลา 10 สัปดาห์ในการทำแม่พิมพ์ไม้สำหรับการหล่อโลหะ เราสามารถพิมพ์แม่พิมพ์ทรายขนาดใหญ่และซับซ้อนได้โดยตรงด้วยระบบดิจิทัล โดยใช้ทรายซิลิกาและเรซินฟิวแรน จากนั้นเราเทเหล็กหลอมเหลวลงในทรายที่พิมพ์ด้วยระบบ 3 มิติโดยตรง นี่คือวิธีการสร้างต้นแบบบล็อกเครื่องยนต์รถยนต์สมัยใหม่.

ประเภทที่ 6: การขึ้นรูปด้วยพลังงานแบบกำหนดทิศทาง (แบบผสมผสานระหว่างการเพิ่มและการลด)

หากคุณค้นคว้าเกี่ยวกับเรื่องสุดขั้วที่สุด ประเภทของการผลิตโลหะแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ, คุณจะพบกับเทคโนโลยีการสะสมพลังงานโดยตรง (Directed Energy Deposition หรือ DED) เทคโนโลยีนี้ไม่ได้ใช้สำหรับการพิมพ์ของที่ระลึกบนโต๊ะทำงาน แต่ใช้ในการซ่อมแซมโครงสร้างพื้นฐานด้านการบินและอวกาศมูลค่าหลายล้านดอลลาร์.

• ฟิสิกส์: กระบวนการ DED ทำงานแตกต่างจากกระบวนการหล่อแบบผงอย่างมาก โดยใช้แขนหุ่นยนต์หลายแกนหรือแกนหมุน CNC ที่ติดตั้งหัวฉีดแบบแกนร่วม หัวฉีดนี้จะยิงเลเซอร์กำลังสูง (เพื่อสร้างแอ่งหลอมเหลวบนพื้นผิวของวัสดุโลหะ) พร้อมกับเป่าผงโลหะ (หรือป้อนลวดโลหะ) เข้าไปในแอ่งหลอมเหลวนั้นโดยตรง.
• ความเป็นจริงทางวิศวกรรม: โดยปกติแล้วเราไม่ได้ใช้ DED ในการพิมพ์ชิ้นส่วนตั้งแต่เริ่มต้น แต่เราใช้มันเพื่อเพิ่มวัสดุให้กับชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยเครื่อง CNC ที่มีอยู่แล้ว.
  • การประยุกต์ใช้ในโลกแห่งความเป็นจริง: เมื่อใบพัดกังหันของเครื่องยนต์เจ็ทที่ทำจากไทเทเนียมสึกหรอหลังจากใช้งานไป 10,000 ชั่วโมงบิน จะมีค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนสูงถึง 30,000 เหรียญสหรัฐ แต่ด้วยระบบ DED เราสามารถสแกนใบพัดที่สึกหรอ ใช้เลเซอร์ในการเชื่อมไทเทเนียมใหม่ลงบนขอบที่สึกหรออย่างแม่นยำ แล้วจึงใช้กระบวนการมาตรฐานในการซ่อมแซม การกัด CNC ใช้เครื่องมือตัดเพื่อปรับแต่งให้ได้ค่าความคลาดเคลื่อนตามมาตรฐานของผู้ผลิต (OEM).

ประเภทที่ 7: การเคลือบแผ่น (กระบวนการเคลือบเย็นแบบพิเศษ)

หมวดหมู่สุดท้ายใน ASTM F42 – การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) matrix คือกระบวนการเคลือบแผ่นโลหะ ซึ่งเป็นกระบวนการเฉพาะทางอย่างยิ่ง แต่มีคุณสมบัติทางโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์.

• ฟิสิกส์: แผ่นวัสดุ (กระดาษ ฟอยล์โพลีเมอร์ หรือฟอยล์โลหะ) ถูกวางซ้อนกันอย่างต่อเนื่อง แผ่นโลหะ การเคลือบ (มักเรียกว่า การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยคลื่นอัลตราโซนิค – UAM) คือการนำแผ่นโลหะมาเชื่อมติดกันโดยใช้การสั่นสะเทือนของคลื่นอัลตราโซนิคความถี่สูงภายใต้แรงดันสูง ซึ่งจะสร้างพันธะทางโลหะวิทยาแบบของแข็งโดยไม่ทำให้โลหะหลอมเหลว จากนั้นจึงใช้เครื่องตัด CNC ตัดตามรูปทรงของชั้นนั้น.
• ความเป็นจริงทางวิศวกรรม: เนื่องจาก UAM เป็นกระบวนการ "เย็น" (มันไม่เคยไปถึงปลายทาง) จุดหลอมเหลว ด้วยกระบวนการเชื่อมโลหะแบบต่อเนื่อง วิศวกรสามารถหยุดกระบวนการชั่วคราว ฝังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลง ไฟเบอร์ออปติก หรือเซ็นเซอร์ลงในชั้นโลหะ จากนั้นจึงเชื่อมโลหะทับลงไปอีกครั้ง วิธีนี้จะสร้างชิ้นส่วนโลหะ "อัจฉริยะ" ที่มีเซ็นเซอร์วัดระยะทางแบบฝังตัวและปิดผนึกอย่างสมบูรณ์.

กระบวนการผลิตในโรงงาน: 8 ขั้นตอนในกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) มีอะไรบ้าง?

การเข้าใจเทคโนโลยีทั้ง 7 อย่างนั้นเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของความสำเร็จเท่านั้น คำถามที่พบบ่อยจากเจ้าหน้าที่จัดซื้อระดับเริ่มต้นที่กำลังเปลี่ยนมาใช้การพิมพ์ 3 มิติคือ: “ขั้นตอนทั้ง 8 ในกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) มีอะไรบ้าง?”

ที่ eptahub.com การกดปุ่ม “พิมพ์” เพียงอย่างเดียวไม่ได้หมายความว่าจะได้ชิ้นส่วนอุตสาหกรรมที่ใช้งานได้จริง การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) เป็นกระบวนการเชิงเส้นที่เข้มงวด หากคุณทำลายห่วงโซ่ ชิ้นส่วนก็จะใช้งานไม่ได้.

1. การสร้าง CAD: คุณไม่สามารถใช้โมเดลพื้นผิว (เช่นจาก Maya หรือ Blender) ได้ คุณต้องสร้างโมเดล CAD ของวัตถุแข็งแบบปิดทางคณิตศาสตร์โดยใช้ซอฟต์แวร์พาราเมตริก (SolidWorks, NX, Catia).
2. การแปลงไฟล์ STL/3MF: แบบจำลอง CAD ถูกแปลงเป็นตาข่าย (mesh). กฎวิศวกรรมที่สำคัญ: หากการตั้งค่าความเบี่ยงเบนของคอร์ดหลวมเกินไปในระหว่างการส่งออกนี้ รูวงกลมจะปรากฏเป็นรูปหลายเหลี่ยมที่ไม่เรียบ.
3. การเตรียมไฟล์ (การแบ่งส่วน): แบบจำลองตาข่ายจะถูกนำเข้าสู่ซอฟต์แวร์ CAM จัดวางในแนวที่เหมาะสมที่สุดเพื่อความแข็งแรงของแกน Z และแปลงเป็น G-Code (เส้นทางการเคลื่อนที่ของเครื่องมือ) พร้อมทั้งสร้างโครงสร้างรองรับชั่วคราวที่จำเป็นไปด้วย.
4. การตั้งค่าเครื่อง: นี่เป็นขั้นตอนทางกายภาพที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด สำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยโลหะ ขั้นตอนนี้เกี่ยวข้องกับการไล่ก๊าซในห้องสร้างชิ้นงานด้วยก๊าซอาร์กอนเฉื่อยเพื่อกำจัดออกซิเจนและป้องกันการระเบิดอย่างรุนแรงของผงไทเทเนียม.
5. ขั้นตอนการก่อสร้าง: กระบวนการอัตโนมัติของเครื่องจักรในการวางวัสดุทีละชั้น.
6. การถอดชิ้นส่วน: ชิ้นส่วนอุตสาหกรรมไม่ได้หักออกง่ายๆ ชิ้นส่วนโลหะถูกเชื่อมด้วยสารเคมีเข้ากับแผ่นฐานไทเทเนียมหนา เราต้องใช้ การตัดเฉือนด้วยลวด EDM (การตัดเฉือนด้วยการปล่อยประจุไฟฟ้า) เพื่อตัดชิ้นส่วนออกจากแผ่นโลหะ.
7. ขั้นตอนหลังการประมวลผล (ต้นทุนที่ซ่อนอยู่): นี่คือจุดที่การทำงานของมือสมัครเล่นล้มเหลว ชิ้นส่วน AM ระดับไฮเอนด์ต้องผ่านการอบชุบด้วยความร้อนเพื่อลดความเครียดจากความร้อนภายใน การอัดขึ้นรูปด้วยความดันไอร้อน (HIP) เพื่อยุบช่องว่างภายในขนาดเล็ก และการกลึงด้วยมือเพื่อกำจัดโครงสร้างรองรับ.
8. การยื่นคำขอและการตรวจสอบ: เราไม่เชื่อถือการตรวจสอบด้วยสายตา ชิ้นส่วน AM ที่สำคัญจะต้องผ่านการตรวจสอบขนาดด้วยเครื่องวัดพิกัดสามมิติ (CMM) และการสแกน CT ระดับอุตสาหกรรม เพื่อรับประกันว่าไม่มีข้อบกพร่องภายในก่อนที่จะได้รับการรับรองให้ใช้งานได้.

กระบวนการผลิตมีกี่ประเภท 6 ประเภท?

ในการนำเทคโนโลยี AM มาใช้ให้ถูกต้อง คุณต้องรู้ว่ามันเหมาะสมกับกระบวนการผลิตระดับโลกอย่างไร วิศวกรที่ฉลาดจะไม่บังคับให้เครื่องพิมพ์ 3 มิติทำงานแทนเครื่องปั๊มขึ้นรูป หากคุณถาม..., “กระบวนการผลิตมีกี่ประเภท 6 ประเภท?”, ต่อไปนี้คือระบบการจำแนกประเภทระดับโลกที่เราใช้ในการตรวจสอบห่วงโซ่อุปทาน:

1. สารเติมแต่ง (AM): การสร้างชิ้นงานด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ (เช่น DMLS, FDM, SLA) เหมาะสำหรับชิ้นงานที่มีความซับซ้อนสูงและปริมาณการผลิตต่ำ.
2. การตัดเฉือน (การกลึง): การกำจัดวัสดุออกจากชิ้นงานแข็ง (เช่น การกัด CNC 5 แกน, การกลึง) เหมาะที่สุดสำหรับความแม่นยำของขนาดและผิวสำเร็จที่ยอดเยี่ยม.
3. การขึ้นรูป (การหล่อ/การตีขึ้นรูป): การบังคับให้วัสดุมีรูปร่าง (เช่น, การฉีดขึ้นรูป, (การปั๊มขึ้นรูป, การตีขึ้นรูปด้วยแรงกระแทก) เหมาะที่สุดสำหรับการผลิตจำนวนมากในปริมาณสูง (100,000 ชิ้นขึ้นไป).
4. การคัดเลือกนักแสดง: การเทวัสดุเหลวลงในช่องแม่พิมพ์ (เช่น, การหล่อขึ้นรูป, (การหล่อทราย) เหมาะที่สุดสำหรับชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่ ซับซ้อน และหนัก (เช่น เสื้อสูบเครื่องยนต์).
5. การเข้าร่วม: การนำชิ้นส่วนต่างๆ มาประกอบเข้าด้วยกัน (เช่น การเชื่อม การบัดกรี การใช้กาว).
6. การตกแต่งขั้นสุดท้าย: การปรับเปลี่ยนพื้นผิว (เช่น การชุบอะโนไดซ์), การเคลือบผง, (การทำให้เฉื่อย).

คำวินิจฉัยของวิศวกร: เลิกเดา หันมาออกแบบทางวิศวกรรม

เมื่อลูกค้าค้นหา “การพิมพ์ 3 มิติมี 7 ประเภทหลักอะไรบ้าง?”, พวกเขามักจะมองหาทางลัด แต่ในกระบวนการผลิตทางอุตสาหกรรมนั้นไม่มีทางลัด.

หากคุณพยายามใช้เครื่องพิมพ์ FDM ในการผลิตท่อร่วมไฮดรอลิก ใครบางคนอาจได้รับบาดเจ็บ และหากคุณใช้เครื่องพิมพ์โลหะ DMLS ในการสร้างอุปกรณ์ช่วยจัดแนวแบบง่ายๆ คุณจะทำให้งบประมาณโครงการของคุณหมดไปอย่างรวดเร็ว.

อย่าพึ่งพาผลิตภัณฑ์ทั่วไป กระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (ไฟล์ PDF) คุณดาวน์โหลดตาราง ASTM F42 มาจากบล็อกการตลาด พิมพ์ออกมาติดไว้ที่ผนัง จดจำสถานะของวัสดุและฟิสิกส์การเปลี่ยนแปลงเฟส ที่ eptahub.com เรากำหนดให้วิศวกรฝึกหัดทุกคนต้องเชี่ยวชาญในเจ็ดหมวดหมู่นี้ก่อนที่จะได้รับอนุญาตให้สร้างใบสั่งซื้อแม้แต่ใบเดียว จับคู่ฟิสิกส์ของเครื่องจักรกับข้อกำหนดทางกลของชิ้นส่วนของคุณ แล้วคุณจะประสบความสำเร็จในการผลิต.

คำถามที่พบบ่อยสำหรับวิศวกร: การแก้ไขปัญหาการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing)

ที่ eptahub.com กล่องจดหมายวิศวกรรมของเราเต็มไปด้วยคำถามจากทีมจัดซื้อที่พยายามทำความเข้าใจความซับซ้อนของการพิมพ์ 3 มิติอยู่ตลอดเวลา นี่คือความจริงทางวิศวกรรมที่อาจฟังดูโหดร้ายสำหรับคำถามที่พบบ่อยที่สุด.

คำถามที่ 1: ในบรรดาเทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุทั้ง 7 ประเภท ประเภทใดที่ให้ชิ้นส่วนที่แข็งแรงที่สุด?
ขึ้นอยู่กับสถานะของวัสดุโดยสิ้นเชิง สำหรับโลหะแล้ว, การหลอมผงโลหะ (DMLS/SLM) เป็นวัสดุที่แข็งแรงที่สุด ผลิตชิ้นส่วนที่มีความหนาแน่น 99.91 TP3T และมีคุณสมบัติทางกลที่เทียบเท่าหรือเหนือกว่าอะลูมิเนียมหล่อหรือไทเทเนียม สำหรับโพลิเมอร์ หากคุณต้องการความแข็งแรงดึงอย่างเดียว ควรใช้กรรมวิธีเฉพาะทาง การอัดขึ้นรูปวัสดุ (FDM) เครื่องจักรที่ฝังเส้นใยคาร์บอนหรือเคฟลาร์อย่างต่อเนื่องลงในเมทริกซ์เทอร์โมพลาสติกจะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าชิ้นส่วน SLA ที่ทำจากเรซินมาตรฐานอย่างมาก.

Q2: เหตุใดราคาเสนอสำหรับการผลิตแบบ Additive Manufacturing จึงสูงกว่าการผลิตแบบ Injection Molding มากนัก?
คุณคำนวณ ROI ผิดพลาด การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) มี ไม่มีค่าใช้จ่ายด้านเครื่องมือ, แต่ต้นทุนต่อหน่วยสูง การฉีดขึ้นรูปมีข้อดีคือ... ต้นทุนการผลิตเครื่องมือมหาศาล ($10,000+fหรือthเอสtอีอีlmold)butมิครอสโก้picuนิtคอสts($(0.10 ต่อชิ้น) ถ้าคุณสั่งผลิต 50 ชิ้น การผลิตแบบ AM จะถูกกว่ามาก แต่ถ้าคุณสั่งผลิต 50,000 ชิ้น การผลิตแบบ AM จะทำให้คุณล้มละลาย คุณต้องใช้การผลิตแบบ AM สำหรับการผลิตจำนวนน้อยแต่มีความซับซ้อนสูง ไม่ใช่สำหรับการผลิตเปลือกพลาสติกธรรมดาจำนวนมาก.

คำถามที่ 3: ฉันสามารถใช้ได้หรือไม่ การตัดเฉือนด้วยเครื่อง CNC บนชิ้นส่วนโลหะที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ?
แน่นอนครับ ที่จริงแล้วมันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับงานวิศวกรรมที่มีความแม่นยำสูง เราเรียกสิ่งนี้ว่า... การผลิตรูปทรงใกล้เคียงสุทธิ. ชิ้นส่วนโลหะที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ (PBF หรือ DED) จะมีพื้นผิวค่อนข้างหยาบ (โดยทั่วไป Ra 5 ถึง 15 µm) หากชิ้นส่วนนั้นต้องการความแม่นยำสูงในการยึดด้วยแบริ่ง เราจะพิมพ์รูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนทั้งหมดด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ โดยเว้นวัสดุส่วนเกินไว้ 0.5 มม. บริเวณรูแบริ่งที่สำคัญ จากนั้นจึงนำชิ้นส่วนที่พิมพ์แล้วไปเข้าเครื่องกัด CNC 5 แกน เพื่อทำการกลึงรูนั้นให้ได้ความคลาดเคลื่อน ±0.005 มม. อย่างสมบูรณ์แบบ.

คำถามที่ 4: เป็นความจริงหรือไม่ที่ชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี SLA (Vat Photopolymerization) จะหดตัวลงเมื่อเวลาผ่านไป?
ใช่แล้ว เรซิน SLA เป็นโฟโตโพลิเมอร์ที่บ่มด้วยรังสียูวี หลังจากออกจากเครื่องพิมพ์แล้ว เรซินเหล่านี้ยังคงมีฤทธิ์ทางเคมีอยู่ หากปล่อยทิ้งไว้ให้โดนแสงแดด โพลิเมอร์จะยังคงเชื่อมโยงกันต่อไปเรื่อยๆ ในช่วงเวลาหลายสัปดาห์หรือหลายเดือน ชิ้นส่วนจะค่อยๆ หดตัว บิดเบี้ยว และเปราะมาก SLA เหมาะสำหรับ การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว และรูปแบบเครื่องมือ ไม่ใช่การใช้งานโครงสร้างในระยะยาว.

เอกสารอ้างอิง

เพื่อให้เชี่ยวชาญใน 7 หมวดหมู่ของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) อย่างแท้จริง คุณต้องมองข้ามมาตรฐานทางกลศาสตร์เพียงอย่างเดียว และสำรวจฐานความรู้แบบโอเพนซอร์ส รายงานตลาดอุตสาหกรรม และห้องปฏิบัติการวิศวกรรมการบินและอวกาศ.

1. 1. วิกิพีเดีย: พอร์ทัลการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ
      ในขณะที่วิศวกรเครื่องกลอาศัยมาตรฐาน ISO สำหรับการผลิตในโรงงาน พอร์ทัล Wikipedia AM ถือเป็นแหล่งข้อมูลแบบโอเพนซอร์สที่มีการอัปเดตอย่างรวดเร็วที่สุดและได้รับการตรวจสอบอย่างเข้มข้นจากผู้เชี่ยวชาญเกี่ยวกับประวัติและวิวัฒนาการของเทคโนโลยีทั้ง 7 อย่างนี้ โดยติดตามการหมดอายุของสิทธิบัตรหลัก (เช่น FDM และ SLA) ที่เป็นตัวกระตุ้นให้เกิดการบูมของการพิมพ์ 3 มิติในยุคปัจจุบันได้อย่างยอดเยี่ยม.
      ลิงก์: วิกิพีเดีย – การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing)
   2. รายงานของโวห์เลอร์
      มักถูกเรียกว่า “คัมภีร์แห่งการพิมพ์ 3 มิติ” นี่ไม่ใช่มาตรฐานทางกลไก แต่เป็นรายงานอุตสาหกรรมประจำปีที่ครอบคลุมทุกด้านอย่างละเอียด โดยติดตามอย่างแม่นยำว่าเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติทั้ง 7 ประเภทใดครองตลาดโลก การวิเคราะห์ต้นทุนของผงโลหะดิบ และอัตราการนำเทคโนโลยี Binder Jetting มาใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์.
      ลิงก์: โวห์เลอร์ส แอสโซซิเอทส์
   3. ศูนย์การบินอวกาศมาร์แชลล์ของนาซา (MSFC) – มาตรฐานการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing Standard)
      หากคุณต้องการทราบวิธีการ ชิ้นส่วนพิมพ์ สำหรับชิ้นส่วนที่สามารถทนทานต่อสุญญากาศในอวกาศได้ ลองดูที่นี่ NASA ใช้เทคโนโลยี Directed Energy Deposition (DED) และ Powder Bed Fusion (PBF) อย่างแพร่หลายในการผลิตหัวฉีดเครื่องยนต์จรวด มาตรฐานการตรวจสอบและรับรองชิ้นส่วนโลหะที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติของ NASA นั้นเข้มงวดที่สุดในโลก.
      ลิงก์: เซิร์ฟเวอร์รายงานทางเทคนิคของ NASA (NTRS)