การผลิตทังสเตนด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ: เทคโนโลยีล้ำสมัยในการผลิตโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง
คอลัมน์นี้กล่าวถึงเทคโนโลยีล้ำสมัยในการผลิตทังสเตนด้วยวิธีการเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) และความท้าทายต่างๆ รวมถึงวิธีการเอาชนะความท้าทายเหล่านั้น นอกจากนี้ยังกล่าวถึงสถานการณ์ปัจจุบันของการผลิตทังสเตน ซึ่งรวมถึงปัญหาเรื่องความหนาแน่นและการแตกร้าว คุณลักษณะของวิธีการผลิตหลักๆ และแนวโน้มล่าสุด
1. เพิ่มระดับความอิสระในการออกแบบทังสเตนด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบเติมเนื้อโลหะ (เครื่องพิมพ์ 3 มิติ)
ทังสเตนมีจุดหลอมเหลวสูงที่สุด (3422°C) ในบรรดาโลหะทั้งหมด ด้วยจุดหลอมเหลวที่สูงมาก รวมถึงการนำความร้อนสูง ความหนาแน่นสูง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้นต่ำ และความแข็งแรงสูง ทำให้ทังสเตนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในหลากหลายสาขาและอุตสาหกรรม เช่น แสงสว่าง เตาหลอมอุณหภูมิสูง เซมิคอนดักเตอร์ เครื่องมือ อุปกรณ์ทางการแพทย์ เป็นต้น การใช้งานรวมถึงไส้หลอดไฟ วัสดุสำหรับเตาหลอมอุณหภูมิสูง อิเล็กโทรดเชื่อม เครื่องมือตัด สายสวนทางการแพทย์ และตัวปรับลำแสงสำหรับการสแกน CT อย่างไรก็ตาม เนื่องจากคุณลักษณะของมัน ทำให้การแปรรูปด้วยกระบวนการผลิตและการหล่อที่มีอยู่ทำได้ยากมาก ซึ่งส่งผลให้เกิดข้อจำกัดในการออกแบบชิ้นส่วนที่ซับซ้อน
เมื่อไม่นานมานี้ ความท้าทายในการผลิตทังสเตนโดยปราศจากข้อจำกัดด้านการออกแบบกำลังกลายเป็นเรื่องที่เป็นไปได้ เนื่องจากการพัฒนาของเทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ หรือการพิมพ์ 3 มิติ
พื้นที่ที่ได้รับความสนใจมากที่สุดในการผลิตทังสเตนคือการนำไปใช้งานจริงในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน พลาสมาในแกนกลางจะมีอุณหภูมิสูงถึงหลายร้อยล้านองศา ชิ้นส่วนที่สัมผัสกับพลาสมา (Plasma Facing Components หรือ PFCs) จำเป็นต้องมีความทนทานต่อความร้อนและความต้านทานต่อการกระเด็นของอนุภาคพลาสมาสูงมาก (คุณสมบัติที่พื้นผิวไม่ถูกขูดขีดจากการชนของอนุภาคพลาสมา) ทังสเตนได้รับการยอมรับจากโครงการนิวเคลียร์ฟิวชันในหลายประเทศทั่วโลกว่าเป็นวัสดุตัวเลือกชั้นนำ ผนังของเครื่องปฏิกรณ์สามารถผลิตได้ด้วยวิธีการที่มีอยู่ แต่มีข้อจำกัดบางประการในการออกแบบและการผลิตเมื่อจำเป็นต้องสร้างช่องระบายความร้อนภายใน การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติช่วยลดข้อจำกัดเหล่านี้และช่วยให้สามารถผลิตรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนและรวมชิ้นส่วนหลายชิ้นเข้าด้วยกันได้ คาดว่าเมื่อเทคโนโลยีพัฒนาขึ้น จะช่วยให้มีอิสระในการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันมากยิ่งขึ้น
นอกจากนี้ ในด้านการบินและอวกาศ วัสดุที่มีความทนทานต่อความร้อนและการกัดกร่อนสูงมากเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับโครงสร้างในสภาพแวดล้อมที่มีการไหลของก๊าซอุณหภูมิสูง เช่น หัวฉีดและชิ้นส่วนขับเคลื่อนของเครื่องยนต์จรวด ทังสเตนและโลหะผสมของทังสเตนได้รับการพิจารณาว่าเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูงสำหรับการใช้งานดังกล่าว เนื่องจากมีจุดหลอมเหลวสูง ความแข็งแรงสูง และความหนาแน่นสูง
ในด้านการแพทย์ ความต้องการทังสเตนกำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่องในฐานะวัสดุป้องกันรังสีในอุปกรณ์การรักษาด้วยรังสีและอุปกรณ์วินิจฉัยโรค นอกจากนี้ ในด้านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ความต้องการทังสเตนก็เพิ่มขึ้นเช่นกันในฐานะวัสดุอิเล็กโทรดความหนาแน่นสูงและโครงสร้างระบายความร้อน
ดังนั้น การนำทังสเตนไปประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติจึงเป็นที่ต้องการอย่างมาก เพื่อขับเคลื่อนเทคโนโลยีพื้นฐานที่จะสนับสนุนอนาคตของมนุษย์ เช่น พลังงาน อวกาศ และการแพทย์ การผลิตด้วยการพิมพ์ 3 มิติ ทำให้สามารถออกแบบและผลิตชิ้นส่วนที่ไม่เคยทำได้มาก่อน และนำมาซึ่งความก้าวหน้าอย่างมากในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีขั้นสูงโดยใช้ทังสเตนในทางปฏิบัติ
2. ความท้าทายสำหรับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (การพิมพ์ 3 มิติ) ของทังสเตนและเทคโนโลยีเพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว
แม้ว่าการผลิตทังสเตนด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ (Additive Manufacturing) จะเป็นไปได้ แต่ก็มีอุปสรรคทางเทคนิคมากมายที่ทำให้การพิมพ์ทังสเตนให้ประสบความสำเร็จเป็นเรื่องยาก จึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องเข้าใจความท้าทายเหล่านี้เพื่อเลือกเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่เหมาะสม
ความหนาแน่น
ความหนาแน่นของชิ้นงานเป็นประเด็นทางเทคนิคที่สำคัญในการผลิตทังสเตนด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ การทำให้ทังสเตนมีความหนาแน่นสูงสุดนั้นทำได้ยากมาก เนื่องจากจุดหลอมเหลวสูงและความหนืดสูงเมื่อหลอมเหลว หากพลังงานที่ป้อนเข้าไปในระหว่างการพิมพ์ต่ำเกินไป ผงทังสเตนจะไม่หลอมเหลวอย่างเพียงพอ และจะเกิดรูพรุน ในทางกลับกัน หากพลังงานที่ป้อนเข้าไปสูงเกินไป ก็จะเกิดปัญหาอื่น เช่น การเกิดรูพรุนจากก๊าซเนื่องจากการระเหยของโลหะหลอมเหลว กล่าวโดยสรุปแล้ว กุญแจสำคัญในการปรับปรุงความหนาแน่นคือการหลอมทังสเตนอย่างเสถียรด้วยพลังงานที่เหมาะสม
การสร้างแคร็ก
อีกปัญหาสำคัญในการผลิตทังสเตนด้วยวิธีการพิมพ์ 3 มิติ คือการเกิดรอยแตก (การแยกตัว) ในการผลิตทังสเตนด้วยวิธี LB-PBF (Laser Beam Powder Bed Fusion) ซึ่งเป็นวิธีการพิมพ์โลหะ 3 มิติที่ได้รับความนิยม วิธีนี้ทำให้เกิดความเครียดทางความร้อนสูงภายในวัสดุเนื่องจากวงจรการให้ความร้อนและการทำให้เย็นอย่างรวดเร็วโดยเลเซอร์ในระหว่างการพิมพ์ ซึ่งเป็นสาเหตุของการเกิดรอยแตก นอกจากนี้ เมื่อออกซิเจนเข้าไปในชิ้นส่วนที่พิมพ์แล้ว ช่องว่างขนาดเล็กที่เรียกว่า "รูพรุนระดับนาโน" มักจะก่อตัวขึ้นที่ขอบเกรน ทำให้เกิดจุดอ่อนที่ทำให้เกิดรอยแตกได้ง่ายขึ้น
ในการแก้ไขปัญหาเหล่านี้:
- ลดความแตกต่างของอุณหภูมิโดยการเพิ่มอุณหภูมิที่ให้ความร้อนก่อนการหลอม
- ข้อควรพิจารณาในกลยุทธ์การสแกนลำแสง
- การเติมธาตุผสม
- การใช้ผงที่มีการกระจายขนาดอนุภาคสม่ำเสมอ
มติอื่นๆ อยู่ระหว่างการตรวจสอบ
นอกจากนี้ การเลือกใช้วิธีการพิมพ์แบบ EB-PBF (Electron Beam Powder Bed Fusion) จะช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดจากกระบวนการความร้อน (กระบวนการอุ่นผงวัสดุก่อนเริ่มกระบวนการหลอม) และลดการแตกร้าวระหว่างการพิมพ์ได้
หากผงสามารถหลอมเหลวได้อย่างเพียงพอด้วยลำแสงอิเล็กตรอนกำลังสูง รูพรุนจะลดลง ส่งผลให้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าในการเพิ่มความหนาแน่น
ภาพด้านซ้ายแสดงภาพตัดขวางของชิ้นส่วนทังสเตนที่พิมพ์ด้วยเทคนิค EB-PBF (ลูกบาศก์ขนาด 15 มม.) ภาพตัดขวางแสดงโครงสร้างจุลภาคแบบเรียงตัวเป็นแถว ทำให้ได้ความหนาแน่นสูง (19.26 กรัม/ซม³)3) การพิมพ์ที่ไม่มีรอยแตกให้เห็น
คลิกที่นี่เพื่อดูคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (EB-PBF)
3. แนวโน้มล่าสุดของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติสำหรับทังสเตน
เนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัว ทำให้การแปรรูปทังสเตนด้วยวิธีการกลึงและการหล่อแบบดั้งเดิมทำได้ยากมาก ในปัจจุบัน การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing: AM) โดยใช้การพิมพ์ 3 มิติ ได้รับความสนใจอย่างมากในฐานะวิธีการแก้ปัญหาดังกล่าว อย่างไรก็ตาม ดังที่เราได้กล่าวถึงในบทที่ 2 การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุด้วยการพิมพ์ 3 มิติ ก็ยังมีปัญหา เช่น ความหนาแน่นสูงและการแตกร้าว
ในที่นี้ เราจะนำเสนอสองหัวข้อที่แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าล่าสุดของการพิมพ์ 3 มิติด้วยทังสเตน
1) ชิ้นส่วนทังสเตนประสิทธิภาพสูงเนื่องจากผงที่อบแห้งด้วยอุณหภูมิต่ำและเทคโนโลยี SLM ที่ใช้พลังงานต่ำ
2) การถ่ายภาพข้อบกพร่องแบบหลายรูปแบบของชิ้นส่วนทังสเตนบริสุทธิ์ที่พิมพ์ด้วย EB-PBF
1) ชิ้นส่วนทังสเตนประสิทธิภาพสูงเนื่องจากผงที่อบแห้งด้วยอุณหภูมิต่ำและเทคโนโลยี SLM ที่ใช้พลังงานต่ำ
อ้างอิง:
Zhang, Y., Wang, S., Liu, X., Sun, Z., Liu, H., & Huang, D. (2025). ส่วนประกอบทังสเตนประสิทธิภาพสูง ผลิตด้วยผงทังสเตนอบแห้งอุณหภูมิต่ำและเทคโนโลยี SLM พลังงานต่ำ: ความก้าวหน้าครั้งสำคัญสำหรับการผลิตวัสดุโลหะทนความร้อนด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ รายงานทางวิศวกรรม, 7:e70426.
https://doi.org/10.1002/eng2.70426
»ÑËÒ
โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับ SLM (Selective laser melting method: เทคโนโลยีเดียวกับ LB-PBF) จะเกิดปัญหาดังต่อไปนี้
- เนื่องจากทังสเตนเป็นโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง จึงต้องใช้พลังงานสูงในการหลอมด้วยเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม พลังงานที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดความเครียดทางความร้อนเนื่องจากการให้ความร้อนและเย็นตัวอย่างรวดเร็ว และมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดรอยแตก นอกจากนี้ หากความร้อนสูงเกินไป ส่วนประกอบของทังสเตนและโลหะผสมจะระเหย ทำให้คุณภาพของวัสดุเสื่อมลง
- เนื่องจากทังสเตนมีความหนืดสูงและแรงตึงผิวสูง โลหะหลอมเหลวจึงไม่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ ส่งผลให้ผงบางส่วนยังคงอยู่ในสภาพผง และก๊าซจะแทรกซึมเข้าไปในโลหะทำให้เกิดรูพรุน ส่งผลให้ความแข็งแรงลดลง
- หากรูปร่างและขนาดของอนุภาคผงทังสเตนไม่สม่ำเสมอ การฉายแสงเลเซอร์ก็จะไม่สม่ำเสมอเช่นกัน นอกจากนี้ หากผงไม่ไหลอย่างราบรื่น จะทำให้เกิดการกระจายตัวของผงที่ไม่สม่ำเสมอเมื่อทำการโรยผง ดังนั้น ความหนาแน่นที่ได้จากเลเซอร์จึงไม่สม่ำเสมอ ทำให้ความแม่นยำของขนาดและความแข็งแรงเปลี่ยนแปลงไป
ความละเอียด
-
ผงแห้งแบบสเปรย์ที่อุณหภูมิต่ำ
โดยทั่วไป ผงทังสเตนผลิตขึ้นโดยกระบวนการอุณหภูมิสูง เช่น การขึ้นรูปทรงกลมด้วยพลาสมา อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้มีต้นทุนสูง และมีปัญหาเรื่องการควบคุมขนาดอนุภาคและรูปร่าง หากความเหลวและรูปร่างของผงไม่ดี การหลอมเหลวที่สม่ำเสมอจะไม่เกิดขึ้นได้ด้วยกระบวนการ SLM ซึ่งจะทำให้เกิดข้อบกพร่องมากขึ้น ดังนั้น ในการศึกษาครั้งนี้ เราจึงผสมผงทังสเตนกับน้ำและสารยึดเกาะเพื่อให้ได้ของเหลวข้น (สารละลายข้น) ซึ่งสามารถกระจายผงได้อย่างสม่ำเสมอ โดยการพ่นสารละลายข้นและเป่าความชื้นส่วนเกินออกด้วยลมร้อน จะได้ผงทรงกลมที่มีคุณสมบัติเหมาะสมสำหรับกระบวนการ SLM
-
SLM พลังงานต่ำ
การพิมพ์ 3 มิติแบบเลเซอร์สแกน (SLM) แบบดั้งเดิมต้องใช้พลังงานสูงมากในการหลอมทังสเตน อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ทำให้เกิดความเครียดจากความร้อน รอยแตก และการระเหยของวัสดุ ในการศึกษาครั้งนี้ เมื่ออัตราส่วนระหว่างความหนาแน่นของพลังงาน (กำหนดโดยความแรงของเลเซอร์และสภาวะต่างๆ) และความเร็วในการสแกน (ความเร็วในการเคลื่อนที่ของเลเซอร์) มีค่าเท่ากับ 2 หรือต่ำกว่านั้น พบว่าความแตกต่างของอุณหภูมิลดลง และป้องกันการแตกร้าวได้ จากเงื่อนไขที่ระบุในเอกสารนี้ พบว่ารอยแตกร้าวลดลงถึง 78%
2) การถ่ายภาพข้อบกพร่องแบบหลายรูปแบบของชิ้นส่วนทังสเตนบริสุทธิ์ที่พิมพ์ด้วย EB-PBF
อ้างอิง:
Zhang, H., Carriere, P., Schneberk, D., Peverall, D., Amoako, E., Sprayberry, M., & Horn, T. (2025). การถ่ายภาพข้อบกพร่องแบบหลายโหมดของชิ้นส่วนทังสเตนบริสุทธิ์ที่ผลิตผ่านการหลอมผงด้วยลำแสงอิเล็กตรอน
วารสารวิศวกรรมวัสดุและสมรรถนะ, 34(10) 9140-9152
https://doi.org/10.1007/s11665-025-10918-y
ประเด็น
- เทคนิค EB-PBF มีศักยภาพสูงในการผลิตทังสเตนด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ อย่างไรก็ตาม หากมีข้อบกพร่องเล็กน้อยเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการพิมพ์ หรือมีพื้นที่ไม่สม่ำเสมอภายในวัสดุ ก็ยากที่จะรับประกันคุณภาพของชิ้นส่วนได้
- วิธีการตรวจจับความเสียหายแบบดั้งเดิม ได้แก่ การตรวจด้วยเครื่องเอกซเรย์คอมพิวเตอร์แบบซีทีสแกน และการตรวจสอบด้วยแสง อย่างไรก็ตาม การทำความเข้าใจโครงสร้างภายในอย่างแม่นยำนั้นทำได้ยาก เนื่องจากข้อจำกัดด้านความละเอียดและการส่งผ่านรังสีเอกซเรย์เข้าไปในทังสเตนไม่เพียงพอ
- สภาพแวดล้อมของ EB-PBF มีอุณหภูมิสูงและเป็นสุญญากาศ การรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์และการควบคุมแบบเรียลไทม์จึงทำได้ยาก
ความละเอียด
- จากการประเมินด้วยวิธีทั้ง 4 วิธี ได้แก่ "การถ่ายภาพด้วยอิเล็กตรอน", "การถ่ายภาพด้วยรังสีอินฟราเรดใกล้ (NIR) หลังการหลอม", "การถ่ายภาพด้วยเอกซเรย์คอมพิวเตอร์ (CT) หลังการสร้าง" และ "การถ่ายภาพโลหะวิทยาแบบทำลาย" พบว่า "การถ่ายภาพด้วยอิเล็กตรอน" น่าจะเป็นวิธีการประเมินที่เหมาะสมที่สุด การถ่ายภาพด้วยอิเล็กตรอนช่วยให้สามารถประเมินคุณภาพของชิ้นส่วนที่ซับซ้อนได้แบบเรียลไทม์ โดยการเก็บรวบรวมและวิเคราะห์อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากวัสดุ ทำให้ได้ผลลัพธ์เช่นเดียวกับการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนในระหว่างการพิมพ์
JEOL กำลังพัฒนาฟังก์ชันการตรวจสอบ BSE (อิเล็กตรอนกระเจิงกลับ) ซึ่งเป็นไปได้เฉพาะกับความเชี่ยวชาญด้านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเท่านั้น การสังเกตความหยาบของพื้นผิวหลอมเหลวแบบเรียลไทม์สามารถทำได้โดยการดักจับ BSE ที่ปล่อยออกมาจากลำแสงอิเล็กตรอน เทคโนโลยีของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนที่ตรวจจับอิเล็กตรอนกระเจิงกลับถูกนำมาใช้ในการควบคุมคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ ซึ่งเป็นไปได้เฉพาะกับเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติแบบลำแสงอิเล็กตรอนเท่านั้น
* ปัจจุบัน ความสามารถนี้จำกัดอยู่เฉพาะวัสดุ Ti64 เท่านั้น ในอนาคต การใช้งานจะครอบคลุมวัสดุอื่นๆ เช่น ทังสเตน
4. วิธีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับทังสเตน
1. LB-PBF (Laser Powder Bed Fusion Method)
เทคนิค LP-PBF ใช้ผงโลหะบางมาก (ประมาณ 20 ถึง 50 ไมโครเมตร) และหลอมส่วนตัดขวางของชิ้นงานโดยใช้เลเซอร์เพื่อสร้างชิ้นส่วน กระบวนการนี้ดำเนินการในสภาพแวดล้อมของอาร์กอนที่มีความเข้มข้นของออกซิเจนต่ำ ทำให้สามารถผลิตชิ้นส่วนทังสเตนที่บางมาก ซึ่งเป็นไปไม่ได้ด้วยวิธีการแบบดั้งเดิม ขณะนี้กำลังมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อพิมพ์ชิ้นส่วนที่ซับซ้อนมากขึ้นโดยใช้ทังสเตนบริสุทธิ์หรือโลหะผสมทังสเตน
คุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ด้วย LB-PBF ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขต่างๆ มากมาย เช่น กำลังส่งออกของเลเซอร์และความเร็วในการสแกน เส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสง ความหนาของชั้นผง และช่วงเวลาการฉายรังสี นอกจากนี้ ระดับการสัมผัสของเลเซอร์กับผงและการดูดซับเลเซอร์ก็มีความสำคัญเช่นกัน เงื่อนไขเหล่านี้ส่งผลต่อผิวสำเร็จของชิ้นส่วนทังสเตนอย่างมาก เมื่อเปรียบเทียบกับ DED และ EB-PBF แล้ว LB-PBF ใช้เส้นผ่านศูนย์กลางของลำแสงที่เล็กกว่า จึงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมากขึ้น และในขณะเดียวกันก็ทำให้ความเร็วในการเย็นตัวเพิ่มขึ้น ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมากขึ้น
นอกจากนี้ เมื่อผงโลหะถูกหลอมด้วยเลเซอร์ จะเกิดปรากฏการณ์การกระเด็นของผงโลหะหรือการเคลื่อนที่ของผงโลหะรอบๆ เลเซอร์ ซึ่งเรียกว่า การกระเด็น (ปรากฏการณ์ที่เมื่อผงโลหะถูกหลอมด้วยเลเซอร์ โลหะหลอมเหลวและผงโลหะจะกระเด็นออกมา) และการหลุดลอก (ปรากฏการณ์ที่ผงโลหะรอบๆ เลเซอร์ถูกพัดปลิวไป) สิ่งเหล่านี้อาจทำให้เกิดรอยแตกและข้อบกพร่อง เช่น รูพรุน ขึ้นอยู่กับสภาวะ และดังนั้นจึงมีปัญหาในการเพิ่มความหนาแน่น การทำความเข้าใจลักษณะเหล่านี้และการตั้งค่าสภาวะอย่างเหมาะสม ทำให้ LB-PBF ถูกนำมาใช้เป็นเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูงที่ช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนได้แม้กระทั่งกับโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง
2. EB-PBF (Electron Beam Powder Bed Fusion Method)
EB-PBF เป็นวิธีการผลิตสำหรับการพิมพ์โดยการหลอมผงทีละชั้นโดยใช้ลำแสงอิเล็กตรอนแทนเลเซอร์ เพื่อให้ได้การฉายรังสีลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูงที่เสถียร จึงต้องดำเนินการในสภาวะสุญญากาศ ในกระบวนการ EB-PBF ชั้นผงจะถูกให้ความร้อนล่วงหน้าที่อุณหภูมิสูง (1000 ถึง 1400°C สำหรับทังสเตน) ในระหว่างการพิมพ์ และลำแสงอิเล็กตรอนจะถูกสแกนด้วยความเร็วสูงเพื่อเผาผนึกผงบางส่วนและชั่วคราวเพื่อลดแรงผลักระหว่างอนุภาคในระหว่างการชาร์จ
เมื่อเปรียบเทียบกับ LB-PBF ชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย EB-PBF มีความเค้นทางความร้อนต่ำกว่า การเคลื่อนที่ของลำแสงอิเล็กตรอนอย่างรวดเร็วทั่วทั้งชั้นผงทำให้สามารถควบคุมความร้อนเฉพาะจุดได้ และควบคุมโครงสร้างจุลภาคได้ง่ายขึ้น ดังนั้นจึงมีข้อดีในการรักษาเสถียรภาพของโครงสร้างจุลภาคและควบคุมรอยแตก อย่างไรก็ตาม ในกรณีของวัสดุที่มีจุดหลอมเหลวสูงมาก เช่น ทังสเตน การออกแบบที่ทนความร้อนซึ่งให้ความทนทานต่อสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงเกิน 1000°C และการพิจารณาการสแกนลำแสงเพื่อหลีกเลี่ยงรอยแตกร้าวจากความร้อนระหว่างการพิมพ์นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง จำเป็นต้องใช้เครื่องพิมพ์ EB-PBF ที่ได้รับการออกแบบและปรับแต่งอย่างเหมาะสมเพื่อพิมพ์วัสดุเหล่านี้โดยปราศจากรอยแตกร้าว
เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ เครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติด้วยลำแสงอิเล็กตรอนของ JEOL ได้ประสบความสำเร็จในการพิมพ์ชิ้นส่วนทังสเตนบริสุทธิ์ โดยการผสมผสานการออกแบบทนความร้อนที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งสามารถทนต่อสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง และการควบคุมการสแกนลำแสงเพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวจากความร้อนของทังสเตน นอกจากนี้ ปัจจุบันมีเพียงบริษัท JEOL เท่านั้นที่ประสบความสำเร็จในการพิมพ์ชิ้นส่วนทังสเตนขนาดใหญ่โดยปราศจากรอยแตกร้าวใดๆ
5 ข้อสรุป
ทังสเตนเป็นวัสดุสำคัญในหลายสาขา เช่น เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่น อวกาศ และการแพทย์ อย่างไรก็ตาม การผลิตชิ้นส่วนจากทังสเตนด้วยกระบวนการแบบดั้งเดิมนั้นทำได้ยาก การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุด้วยการพิมพ์ 3 มิติ เป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่ช่วยแก้ไขข้อจำกัดนี้ และขยายขอบเขตของอิสระในการออกแบบได้อย่างมาก
ในทางกลับกัน ปัญหาของ LB-PBF คือความหนาแน่นที่ไม่เพียงพอเนื่องจากรอยแตกที่เกิดจากการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว สำหรับปัญหานี้ EB-PBF (Electron beam powder bed fusion method) ช่วยให้สามารถพิมพ์ชิ้นงานที่มีความหนาแน่นสูงโดยไม่มีรอยแตกได้ ด้วยการลดความแตกต่างของอุณหภูมิผ่านกระบวนการความร้อน เครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติด้วยลำแสงอิเล็กตรอน "JAM-5200EBM" ของ JEOL เป็นตัวเลือกชั้นนำสำหรับการประยุกต์ใช้งานจริงในการผลิตทังสเตน
ในอนาคต การคัดเลือกกระบวนการที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานและความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการประกันคุณภาพจะช่วยเร่งการแพร่หลายของการพิมพ์ 3 มิติด้วยทังสเตนให้เร็วขึ้นไปอีก
สินค้าที่เกี่ยวข้อง
JAM-5200EBM เครื่องยิงลำแสงอิเล็กตรอนแบบโลหะ AM
เราได้พัฒนาเครื่องพิมพ์ 5200 มิติโลหะแบบฟิวชั่นผงลำแสงอิเล็กตรอน (EB-PBF) รุ่น "JAM-3EBM" โดยนำเทคโนโลยีลำแสงอิเล็กตรอนที่เราได้พัฒนาขึ้นในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนและระบบลิโธกราฟีลำแสงอิเล็กตรอนมาประยุกต์ใช้ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์
วิธีการหลอมผงโลหะสามารถผลิตแม่พิมพ์ที่มีความหนาแน่นและความแข็งแกร่งสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการพิมพ์โลหะ 3 มิติแบบอื่น และสามารถขึ้นรูปรูปร่างที่ซับซ้อนได้อย่างแม่นยำสูง JAM-5200EBM ไม่ต้องใช้ก๊าซเฉื่อยในการขึ้นรูป มีแคโทดอายุการใช้งานยาวนาน และใช้เทคโนโลยีแก้ไขลำแสงอัตโนมัติความละเอียดสูงเพื่อให้มั่นใจว่าการผลิตสามารถทำซ้ำได้สูง JAM-5200EBM สามารถขึ้นรูปโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงและทองแดงบริสุทธิ์ ซึ่งยากต่อการขึ้นรูปด้วยเครื่องพิมพ์เลเซอร์
6 การอ้างอิง
Li, H., Shen, Y., Wu, X., Wang, D., & Yang, Y. (2024). ความก้าวหน้าในการหลอมผงเลเซอร์ของทังสเตน โลหะผสมทังสเตน และวัสดุคอมโพสิตฐานทังสเตน ไมโครแมชชีนส์ 15(8), 966.
https://doi.org/10.3390/mi15080966
Howard, L., Parker, GD, & Yu, X.-Y. (2024). ความก้าวหน้าและความท้าทายของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุของทังสเตนและโลหะผสมในฐานะวัสดุที่ใช้กับพลาสมา วัสดุ, 17(9), 2104.
https://doi.org/10.3390/ma17092104
บริษัท จอล จำกัด
นับตั้งแต่ก่อตั้งในปี 1949 JEOL ได้มุ่งมั่นพัฒนาเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์และมาตรวิทยาที่ล้ำสมัย รวมถึงอุปกรณ์อุตสาหกรรมและการแพทย์
ปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์หลายอย่างของเราถูกนำไปใช้ทั่วโลก และเราได้รับการยอมรับอย่างสูงในฐานะบริษัทระดับโลกอย่างแท้จริง
เรามุ่งมั่นที่จะเป็น 'บริษัทชั้นนำเฉพาะกลุ่มที่ให้การสนับสนุนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีทั่วโลก' และเราจะยังคงตอบสนองความต้องการที่ซับซ้อนและหลากหลายมากขึ้นของลูกค้าของเราอย่างแม่นยำต่อไป
