การพิมพ์ 3 มิติของทองแดง: ความท้าทายทางเทคนิคและวิธีแก้ปัญหา

ทองแดงถูกนำมาใช้ในหลากหลายสาขา เช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและสายส่งไฟฟ้า เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพที่เหนือกว่า การใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติในการผลิตทองแดงแบบเติมแต่ง ทำให้ปัจจุบันสามารถผลิตทองแดงที่มีรูปร่างซับซ้อนซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีการประมวลผลแบบดั้งเดิม ซึ่งได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงไม่นานมานี้
คอลัมน์นี้ให้คำอธิบายที่เข้าใจง่ายเกี่ยวกับการผลิตทองแดงโดยใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ

1. เหตุผลที่การพิมพ์ทองแดงแบบ 3 มิติได้รับความสนใจ

ทองแดงเป็นวัสดุที่จำเป็นในอุตสาหกรรมสมัยใหม่ เนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพ เช่น การนำความร้อนสูง การนำไฟฟ้าสูง และความเหนียวที่ดีเยี่ยม ตัวอย่างเช่น เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนใช้ท่อทองแดงเป็นท่อภายในเพื่อให้แลกเปลี่ยนความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ ทองแดงยังใช้ทำแผงวงจรพิมพ์และสายไฟฟ้า เนื่องจากทองแดงมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม
นอกจากนี้ ในช่วงไม่นานมานี้ แนวคิดเรื่องการให้ความสำคัญกับความยั่งยืนของธุรกิจได้แพร่หลายมากขึ้นตามเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน จึงถือได้ว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติมีบทบาทสำคัญ บริษัทและสถาบันวิจัยหลายแห่งให้ความสนใจกับการผลิตแบบเติมแต่งสำหรับทองแดง เนื่องจากเชื่อว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติจะช่วยให้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนและการนำไฟฟ้ามีประสิทธิภาพมากขึ้น เครื่องพิมพ์ 3 มิติสามารถสร้างรูปร่างได้อย่างอิสระ ทำให้สามารถสร้างรูปร่างที่ไม่สามารถทำได้มาก่อนด้วยวิธีการประมวลผลแบบเดิม เช่น การกลึง การตัด และการกด ตัวอย่างเช่น บริษัทหลายแห่งกำลังพิจารณาความเป็นไปได้ในการผลิตมอเตอร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยการผลิตชิ้นส่วนกิ๊บติดผมในคอยล์ที่ใช้ในยานยนต์ไฟฟ้าโดยใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ หากประสิทธิภาพของมอเตอร์ดีขึ้น ระยะทางการเดินทางของยานยนต์ไฟฟ้าก็จะดีขึ้น นอกจากนี้ ความสามารถในการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพจะนำไปสู่การลดคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมาจากโรงไฟฟ้าพลังความร้อน นี่อาจเป็นแนวทางที่ชัดเจนสำหรับธุรกิจที่ยั่งยืนซึ่งระบุไว้ในเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน ซึ่งใช้ได้กับตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเช่นกัน การเกิดขึ้นของผลิตภัณฑ์ประสิทธิภาพสูงที่ใช้รูปทรงอิสระส่งผลให้การใช้พลังงานขั้นต้นลดลง ส่งผลให้เกิดอุตสาหกรรมที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

2. ประเภทเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ที่สามารถผลิตทองแดงได้

ประเภทของเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่สามารถใช้ทองแดงหรือโลหะผสมทองแดงเป็นผงวัตถุดิบได้แบ่งประเภทดังต่อไปนี้

• วิธีการหลอมรวมผง (PBF) (ลำแสงเลเซอร์/ลำแสงอิเล็กตรอน)
• วิธีการสะสมพลังงานแบบกำหนดทิศทาง (DED)
• วิธีการสร้างแบบจำลองการสะสมแบบหลอมรวม (FDM)
• วิธีการเจ็ทยึดเกาะ

คุณสมบัติของวิธีการพิมพ์แต่ละแบบจะอธิบายไว้ในคอลัมน์ด้านล่าง โปรดดูรายละเอียดเพิ่มเติม

3. การเปรียบเทียบวัสดุทองแดงสำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

3-1. การเปรียบเทียบระหว่างทองแดงบริสุทธิ์และทองแดงผสม

วัสดุทองแดงที่ใช้กับเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบโลหะนั้นแบ่งออกเป็น "ทองแดงบริสุทธิ์" และ "โลหะผสมทองแดง" โดยแต่ละชนิดจะมีลักษณะเฉพาะของตัวเอง และต้องเลือกวัสดุที่เหมาะสมกับจุดประสงค์

ทองแดงบริสุทธิ์มีค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนสูงมาก จึงเหมาะสำหรับการใช้งานที่มีกระแสไฟฟ้าสูง เช่น บัสบาร์และอิเล็กโทรด ตลอดจนตัวระบายความร้อนที่ต้องการการระบายความร้อนที่ดีเยี่ยม สำหรับการใช้งานเหล่านี้ จำเป็นต้องส่งไฟฟ้าหรือความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ดังนั้นจึงใช้ลักษณะของทองแดงบริสุทธิ์ อย่างไรก็ตาม ความแข็งแรงของทองแดงบริสุทธิ์มีแนวโน้มที่จะลดลงในอุณหภูมิสูง และการเกิดออกซิเดชันจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเกิน 300℃ ดังนั้น จึงต้องเอาใจใส่ในการใช้งานในอุณหภูมิสูง นอกจากนี้ การพิมพ์โดยใช้ลำแสงเลเซอร์นั้นทำได้ยาก และวิธีการลำแสงอิเล็กตรอนนั้นดีกว่าสำหรับการพิมพ์ที่เชื่อถือได้ ในทางกลับกัน โลหะผสมทองแดงมีความแข็งแรงเชิงกลและทนความร้อนได้ดีขึ้นเมื่อเทียบกับทองแดงบริสุทธิ์ และเหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงหรือชิ้นส่วนที่ต้องทนต่อการสึกกร่อน ตัวอย่างเช่น โลหะผสม CuCrZr มีแนวโน้มที่จะรักษาความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง และใช้สำหรับหัวฉีดจรวดและชิ้นส่วนเครื่องยนต์ยานยนต์ โลหะผสม Cu-Ni มีคุณสมบัติป้องกันการเกิดออกซิเดชันสูงและมักใช้ในสภาพแวดล้อมทางทะเล โลหะผสมทองแดงไม่มีคุณสมบัติในการนำความร้อนหรือการนำไฟฟ้าเท่ากับทองแดงบริสุทธิ์ แต่สามารถนำไปใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ ได้หลากหลาย เนื่องจากมีความแข็งแรงและทนความร้อนได้ดีขึ้น โลหะผสมทองแดงผลิตได้ง่ายกว่าทองแดงบริสุทธิ์เมื่อพิจารณาถึงการผลิตด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

3-2. การเปรียบเทียบวัสดุผงและวัสดุลวด

เมื่อแบ่งตามรูปร่างของวัสดุ “ผง” และ “ลวด” ถือเป็นวัสดุทั่วไป

ผงทองแดงใช้กับวิธีการหลอมรวมผง วิธี DED และวิธีเจ็ทยึดเกาะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ในการหลอมรวมผง ผงทองแดงจะมีลักษณะเฉพาะคือสามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีความหนาแน่นสูงที่มีรูปทรงละเอียดและซับซ้อน วัสดุผงสามารถรักษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์ให้สม่ำเสมอและสามารถเพิ่มคุณสมบัติของทองแดงบริสุทธิ์และโลหะผสมทองแดงให้เหมาะสมที่สุด อย่างไรก็ตาม ความเร็วในการพิมพ์ค่อนข้างช้า และการจัดการผงอาจทำได้ยาก นอกจากนี้ การนำผงกลับมาใช้ใหม่และการจัดเก็บยังต้องได้รับความใส่ใจ และต้องมีการจัดการสิ่งแวดล้อมและมาตรการด้านความปลอดภัยด้วย
ในทางกลับกัน วัสดุที่เป็นลวดจะถูกใช้กับวิธี DED โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิมพ์โดยใช้การคายประจุไฟฟ้าแบบอาร์กเป็นแหล่งความร้อน จะเรียกว่าการผลิตแบบเติมลวดแบบอาร์ก (WAAM)
เมื่อใช้ลวด ความเร็วในการพิมพ์จะเร็วกว่าการพิมพ์ผงวัสดุ จึงเหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนขนาดใหญ่และงานซ่อมแซม การจัดหาวัสดุของลวดมีเสถียรภาพและลวดมีประสิทธิภาพด้านต้นทุนที่ยอดเยี่ยม เมื่อจำเป็นต้องพิมพ์ชิ้นส่วนขนาดใหญ่และผลิตอย่างรวดเร็ว ถือเป็นข้อได้เปรียบที่ยอดเยี่ยม นอกจากนี้ยังมีวิธีการที่เรียกว่าการสร้างแบบจำลองการสะสมแบบหลอมรวม (FDM) ซึ่งใช้เส้นใยผสมกับอนุภาคทองแดงเป็นวัตถุดิบ

4. ปัญหาและแนวทางแก้ไขสำหรับการพิมพ์ 3 มิติของทองแดง

การพิมพ์วัสดุทองแดงโดยใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบโลหะมีปัญหาหลายประการ ในที่นี้ จะกล่าวถึงปัญหาสามประการ และแสดงวิธีแก้ไขโดยใช้เลเซอร์และลำแสงอิเล็กตรอน

ประเด็นที่ 1: อัตราการสะท้อนสูงของทองแดงบริสุทธิ์

ทองแดงบริสุทธิ์มีอัตราการสะท้อนที่พื้นผิวสูง การหลอมละลายด้วยไฟเบอร์เลเซอร์ที่ใช้กันทั่วไปนั้นทำได้ยากเนื่องจากมีอัตราการดูดซับพลังงานต่ำ
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงได้มีการนำเสนอแนวทางสามวิธี ได้แก่ "เปลี่ยนความยาวคลื่นเลเซอร์" "เพิ่มกำลังเลเซอร์" และ "การใช้ลำแสงอิเล็กตรอน"

・เปลี่ยนความยาวคลื่นเลเซอร์

อัตราการดูดซับของทองแดงด้วยเลเซอร์เปลี่ยนแปลงอย่างมากเนื่องจากความยาวคลื่น
อัตราการดูดซับของเลเซอร์อินฟราเรดอยู่ที่ประมาณ 5% แต่ทั้งเลเซอร์สีเขียวและเลเซอร์สีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่นสั้นต่างก็มีอัตราการดูดซับพลังงานสูง ซึ่งส่งเสริมการหลอมละลาย
อย่างไรก็ตาม การจะได้รับพลังงานสูงด้วยเลเซอร์สีเขียวหรือเลเซอร์สีน้ำเงินเป็นเรื่องยาก
เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ใช้สิ่งนี้มีอยู่ไม่มากนัก

・เพิ่มกำลังเลเซอร์

การเพิ่มกำลังเลเซอร์และความหนาแน่นของพลังงานทำให้สามารถหลอมทองแดงในพื้นที่ได้ แม้ในกรณีที่เลเซอร์ส่วนใหญ่สะท้อนกลับก็ตาม

・การใช้วิธีการลำแสงอิเล็กตรอน

เนื่องจากประสิทธิภาพการแปลงพลังงานของลำแสงอิเล็กตรอนสูงถึง 80% หรือสูงกว่า จึงเหมาะสมกว่าการใช้เลเซอร์ในการขึ้นรูปทองแดงบริสุทธิ์ ทองแดงบริสุทธิ์มีความสามารถในการนำความร้อนสูง และแม้ว่าจะละลายได้ก็จะเย็นตัวลงและแข็งตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้ยากที่จะบรรลุความหนาแน่นสูงด้วยเลเซอร์ ในทางกลับกัน วิธีการใช้ลำแสงอิเล็กตรอนมีกำลังและประสิทธิภาพสูง และเป็นกระบวนการร้อนที่มีการให้ความร้อนล่วงหน้า จึงสามารถขึ้นรูปด้วยความหนาแน่นสูงได้

ประเด็นที่ 2 : การเสื่อมคุณภาพจากการเกิดออกซิเดชัน

ทองแดงทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้ง่าย และเมื่อเกิดออกไซด์ของทองแดงระหว่างการพิมพ์ ความแข็งแรงเชิงกลและการนำไฟฟ้าจะลดลง มาตรการรับมือกับการเกิดออกซิเดชันระหว่างการพิมพ์โดยใช้ลำแสงเลเซอร์ คือ การพิมพ์ภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีก๊าซเฉื่อย เช่น อาร์กอนและไนโตรเจน และใช้ผงวัสดุหลังจากการเคลือบพื้นผิว

ในทางกลับกัน วิธีการลำแสงอิเล็กตรอนจะทำการพิมพ์ในสุญญากาศและสามารถลดผลกระทบจากการเกิดออกซิเดชันได้

ประเด็นที่ 3: การโค้งงอและการแตกร้าวอันเนื่องมาจากแรงตกค้าง

ความเค้นตกค้างหมายถึงความเค้นที่หลงเหลืออยู่ภายในวัสดุหลังจากกำจัดแรงภายนอกออกไป เมื่อพิมพ์โลหะด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ วัสดุจะขยายตัวและหดตัวโดยการให้ความร้อนและทำความเย็นซ้ำๆ ในระหว่างกระบวนการนี้ แม้ว่าชิ้นส่วนหนึ่งจะเย็นลงและพยายามหดตัวเร็วขึ้น แต่พื้นที่โดยรอบจะป้องกันไม่ให้เกิดการเคลื่อนตัวดังกล่าว ส่งผลให้เกิดแรงดึงและแรงอัดภายใน นี่คือความเค้นตกค้าง
เมื่อความเค้นตกค้างสะสมในผลิตภัณฑ์พิมพ์ จะทำให้เกิดความโค้งและรอยแตกร้าว

มาตรการความละเอียดในการลดการเปลี่ยนรูปจากความเค้นตกค้าง ได้แก่ การลดช่องว่างอุณหภูมิระหว่างขั้นตอนการหลอมละลายและการทำความเย็นโดยการให้ความร้อนล่วงหน้า อีกวิธีหนึ่งคือการควบคุมการเปลี่ยนรูปโดยรวมโดยการออกแบบรูปร่างของเป้าหมายการพิมพ์ การปรับมุมการพิมพ์ และการกำหนดวิธีการติดวัสดุรองรับ นอกจากนี้ ยังสามารถใช้ความต่างศักย์ของความเค้นตกค้างในพื้นที่ได้โดยการปรับทิศทางการสแกนของเลเซอร์

5.ตัวอย่างการพิมพ์ 3 มิติสำหรับทองแดง

นี่คือกรณีเปิดตัวของบริษัท NDK Inc. ซึ่งยึดมั่นกับทองแดงบริสุทธิ์แทนโลหะผสมทองแดง และเปิดตัวเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติที่ใช้วิธีการลำแสงอิเล็กตรอน

6 ข้อสรุป

ทองแดงถูกนำไปใช้งานในหลากหลายสาขาเนื่องจากมีคุณสมบัติที่โดดเด่น เมื่อไม่นานมานี้ ชิ้นส่วนทองแดงที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติก็เริ่มถูกนำมาใช้ อย่างไรก็ตาม การพิมพ์ทองแดงนั้นมีปัญหาทางเทคนิคมากมาย จึงจำเป็นต้องใช้วิธีการพิมพ์ที่เหมาะสมและการเลือกรูปทรงของวัสดุ

วิธีการแต่ละวิธี: วิธีการลำแสงเลเซอร์และวิธีการลำแสงอิเล็กตรอนมีข้อดีของตัวเอง ขอแนะนำให้พิจารณาความแตกต่างระหว่างทองแดงบริสุทธิ์และโลหะผสมทองแดง วัสดุผงและลวด และเลือกวิธีการพิมพ์ที่เหมาะสมที่สุด

รายการสินค้า ที่เกี่ยวข้อง

เคล็ดลับการพัฒนา