เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบลำแสงอิเล็กตรอน (เครื่องจักรผลิตสารเติมแต่ง)

เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่ง 3 มิติด้วยลำแสงอิเล็กตรอน

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ใช้เรซินจากข้อมูล 3 มิติแบบดิจิทัลทำให้บริษัทต่างๆ สามารถผลิตต้นแบบและชิ้นส่วนจำนวนน้อยได้ และบุคคลทั่วไปก็สามารถเพลิดเพลินไปกับการสร้างผลิตภัณฑ์ที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัวได้ เครื่องจักรผลิตแบบเติมแต่ง 3 มิติที่ใช้โลหะเป็นเครื่องพิมพ์ 3 มิติประเภทหนึ่ง โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับการสร้างต้นแบบและการผลิตชิ้นส่วนในภาคอุตสาหกรรม และไม่ค่อยมีให้เห็นในสายตาประชาชนทั่วไป
ประวัติศาสตร์ของเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่งนั้นกล่าวกันว่าย้อนกลับไปถึงช่วงทศวรรษที่ 1980 เมื่อนายโคดามะจากสถาบันวิจัยเทคโนโลยีอุตสาหกรรมเทศบาลนาโกย่าได้พัฒนาเทคโนโลยีการเคลือบโดยใช้เรซินที่บ่มด้วยแสงยูวี ต่อมาเมื่อนายฮัลล์ (ปัจจุบันคือ 3D Systems, Inc.) เข้ามาจำหน่ายในสหรัฐอเมริกา เทคโนโลยีดังกล่าวก็เริ่มแพร่หลาย การเปลี่ยนแปลงไปสู่การผลิตแบบเติมแต่งโลหะ (การเคลือบ) เริ่มต้นจากการพัฒนาวิธีการหลอมโลหะด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุดโดยใช้ผงโลหะ ซึ่งนำโดยเด็คการ์ดและบีแมนแห่งมหาวิทยาลัยเท็กซัสในเมืองออสติน ตามมาด้วยการจำหน่ายเชิงพาณิชย์ และการพัฒนาระบบการผลิตแบบเติมแต่งโลหะ (การเคลือบ) โดยใช้เลเซอร์ในปี 1992 ตามมาด้วยการพัฒนาวิธีการใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเป็นแหล่งหลอมละลายโดยบริษัท ArcamAB ของสวีเดนในปี 1997
จนถึงปัจจุบัน การผลิตแบบเติมแต่งถูกนำมาใช้เพื่อยืนยันรูปร่างและการออกแบบ และเพื่อสร้างต้นแบบชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบาและแข็งแรง อย่างไรก็ตาม เมื่อไม่นานมานี้ เวลาในการพัฒนาโดยรวมที่สั้นซึ่งจำเป็นในการผลิตต้นแบบ และความสามารถในการผลิตโดยตรงจากข้อมูลดิจิทัล (CAD) ได้รับความสนใจ การใช้เป็นวิธีการผลิตชิ้นส่วนอุตสาหกรรมกำลังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

หลักการของการผลิตแบบเติมแต่ง

ที่นี่เราจะอธิบายหลักๆ เกี่ยวกับการไหลของชิ้นส่วนขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรผลิตโลหะแบบสามมิติโดยใช้ลำแสงอิเล็กตรอน

กระแสการไหลนี้คือการกระจายชั้นของวัตถุดิบผงโลหะและหลอมชิ้นส่วนที่จะขึ้นรูปโดยใช้แหล่งความร้อน เช่น ลำแสงเลเซอร์หรือลำแสงอิเล็กตรอนและแบ่งชั้น
ดำเนินการแบ่งชั้นและละลายต่อไป จากนั้นเมื่อทำเสร็จแล้ว ให้เอาผงออกจากส่วนที่แบ่งชั้นอย่างสมบูรณ์เพื่อทดสอบคุณภาพเพิ่มเติม
ทั้งสองวิธีมีสรุปไว้ที่นี่

วิธีการทำเตียงแป้ง

ผงโลหะที่ใช้เป็นวัตถุดิบจะถูกกระจายโดยกลไกหัวที่สามารถกระจายได้ในความหนาคงที่

ชั้นแรกของวัสดุจะถูกแผ่ออกและพื้นที่ที่จะขึ้นรูปซึ่งสร้างขึ้นในข้อมูล CAD จะถูกหลอมโดยใช้ลำแสงอิเล็กตรอนหรือเลเซอร์เป็นแหล่งความร้อน

หลังจากเลื่อนแกน Z ตามความหนาของชั้นแล้ว ผงโลหะชั้นที่สองก็จะถูกกระจายออกไป และส่วนที่ต้องการก็จะถูกหลอมละลาย
กระบวนการนี้จะถูกทำซ้ำเพื่อสร้างรูปทรงที่ต้องการ

ผงที่ยังไม่ละลายจะถูกกำจัดออกโดยอุปกรณ์พ่นทราย ฯลฯ ชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปแล้วจะถูกนำออกมาและตรวจสอบรูปร่างและข้อบกพร่องภายใน ฯลฯ
กระบวนการข้างต้นเป็นวิธีการขึ้นรูปชิ้นส่วนต่างๆ

วิธีการฝากเงิน

วิธีการนี้ใช้ฉีดผงโลหะเป็นชั้นๆ โดยฉีดผงโลหะผ่านหัวฉีดเพื่อสร้างรูปร่างตามที่ต้องการโดยโปรแกรม CAD โดยเคลื่อนหัวฉีดหรือแท่นหลอมโลหะ วัสดุผงโลหะจะถูกป้อนโดยใช้ก๊าซและหลอมด้วยแหล่งความร้อนสำหรับการขึ้นรูป
ต่างจากวิธีการแบบใช้ผง ซึ่งไม่จำเป็นต้องเอาผงออกหลังจากเสร็จสิ้นการหล่อ วิธีนี้ใช้สำหรับการประมวลผลเพิ่มเติม (การเชื่อมทับ) กับวัสดุโลหะหรือการหล่อที่มีรูปร่างทั่วไป แทนที่จะใช้สำหรับการหล่อแบบฟรีฟอร์ม เนื่องจากรูปร่างที่จะหล่อถูกจำกัดด้วยระยะเอื้อมของส่วนหัว

คุณสมบัติของการผลิตแบบเติมแต่ง

เนื่องจากความสามารถในการหลอมและขึ้นรูปวัสดุโดยตรงจากข้อมูลการออกแบบ CAD การผลิตแบบเติมแต่งจึงถูกนำมาใช้กับชิ้นส่วนที่มีมูลค่าเพิ่มสูงซึ่งต้องใช้ต้นแบบหลายชิ้นและปริมาณน้อย การออกแบบความแข็งแรง การศึกษาการออกแบบ และการใช้งานการผลิตอื่นๆ นอกจากนี้ การขึ้นรูปแบบฟรีฟอร์มยังถูกนำมาใช้เพื่อลดการใช้วัสดุผ่านการออกแบบน้ำหนักเบาและการปรับรูปทรงให้เหมาะสม และเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงโดยการลดน้ำหนัก

เครื่องจักรผลิตสารเติมแต่งโลหะแบบ 3 มิติด้วยลำแสงอิเล็กตรอน

วัสดุและการขึ้นรูป

เนื่องจากลำแสงอิเล็กตรอนเหมาะสำหรับการหล่อโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง จึงใช้วัสดุสำหรับภาคอุตสาหกรรม ผงหล่อ เช่น Ti-6Al-4V และ Inconel718 ส่วนใหญ่ใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ในขณะที่วัสดุที่มีส่วนประกอบของ CoCr ใช้ในสาขาการแพทย์เนื่องจากมีความคล้ายคลึงกับวัสดุชีวภาพ ผงทรงกลมขนาดหลายสิบไมโครเมตรใช้เป็นผงโลหะ หลังจากผลิตด้วยกระบวนการทำให้เป็นละอองด้วยก๊าซหรืออิเล็กโทรดหมุนด้วยพลาสมาแล้ว ผงโลหะจะถูกเลือกตามการกระจายเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคตามเครื่องจักรผลิตสารเติมแต่งหรือคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ต้องการหล่อ

ใบสมัครสำหรับการผลิตสารเติมแต่งลำแสงอิเล็กตรอน

ลำแสงอิเล็กตรอนที่ใช้ในการผลิตแบบเติมแต่งนั้นใช้ในการสร้างกระแสลำแสงตั้งแต่หลายมิลลิแอมป์ถึงหลายร้อยมิลลิแอมป์ที่แรงดันไฟฟ้าเร่งหลายสิบกิโลโวลต์ ซึ่งจำเป็นต่อการหลอมผงโลหะ ลำแสงอิเล็กตรอนเป็นฟลักซ์ของอิเล็กตรอน และเมื่อชนกับผงโลหะแล้ว พลังงานจลน์จะกลายเป็นพลังงานสั่นสะเทือนของโครงตาข่ายเป้าหมายและแปลงเป็นความร้อน ในขณะที่ลำแสงสร้างการสะท้อนและประสิทธิภาพการแปลงจะแตกต่างกันไปตามวัสดุ ประสิทธิภาพการแปลงความร้อนของลำแสงอิเล็กตรอนนั้นสูงมาก โดยมากกว่า 80% ของพลังงานอินพุตจะถูกแปลงเป็นความร้อน เพื่อฉายลำแสงอิเล็กตรอนไปยังตำแหน่งที่ต้องการซึ่งจัดทำโดยข้อมูลดิจิทัล การเบี่ยงเบนโดยใช้เลนส์แม่เหล็กทำให้สามารถสแกนด้วยความเร็วสูงได้ เนื่องจากเป็นการสแกนด้วยไฟฟ้ามากกว่าการสแกนด้วยกลไก

แหล่งอิเล็กตรอนสำหรับการผลิตสารเติมแต่ง

ปืนอิเล็กตรอนสร้างลำแสงอิเล็กตรอน ควบคุมรูปร่างของลำแสงและตำแหน่งการฉาย และฉายลำแสงอิเล็กตรอนไปยังวัตถุเป้าหมายเพื่อประมวลผล โครงสร้างของระบบฉายลำแสงอิเล็กตรอนทั่วไปแสดงไว้ในรูปที่ 7 ประกอบด้วยเครื่องกำเนิดลำแสงอิเล็กตรอน ส่วนรวมลำแสงอิเล็กตรอน และตัวเบี่ยงลำแสงอิเล็กตรอน

ข้อดีของการใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเป็นแหล่งความร้อน

• การประมวลผลในสุญญากาศ
  ลำแสงอิเล็กตรอนถูกสร้าง แพร่กระจาย และฉายรังสีในสุญญากาศ ในกระบวนการหลอมโลหะ การทำเช่นนี้จะช่วยลดการรวมตัวของสิ่งเจือปนเข้าไปในส่วนหลอมโลหะ ส่งผลให้ได้วัสดุที่มีคุณภาพสูงขึ้น
• การสแกนด้วยความเร็วสูง
  เนื่องจากตำแหน่งการฉายรังสีของลำแสงอิเล็กตรอนถูกควบคุมโดยใช้ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า จึงสามารถสแกนบนพื้นผิวเป้าหมายการประมวลผลด้วยความเร็วสูงมากได้ ด้วยปืนอิเล็กตรอนที่ใช้ในกระบวนการผลิตโลหะแบบเติมแต่ง ทำให้สามารถสแกนลำแสงอิเล็กตรอนด้วยความเร็วหลาย 1,000 ม./วินาทีหรือสูงกว่านั้นได้
• การส่งข้อมูลอย่างมีประสิทธิภาพสูง
  เนื่องจากไม่มีชิ้นส่วนออปติกที่อาจทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานระหว่างแคโทดซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดและเป้าหมายการประมวลผล ลำแสงอิเล็กตรอนจึงไม่ได้รับผลกระทบจากอัตราการสะท้อนและอัตราการส่ง ดังนั้น จึงสามารถควบคุมพลังงานการฉายรังสีได้อย่างแม่นยำสำหรับเป้าหมายการประมวลผล
• อัตราการดูดซึมสูง
  เนื่องจากลำแสงอิเล็กตรอนเป็นกระแสอิเล็กตรอนความเร็วสูง ดังนั้นส่วนใหญ่จึงถูกดูดซับเข้าไปในเป้าหมายการประมวลผลโดยไม่สะท้อน และแปลงเป็นความร้อนหลอมเหลว

การประเมินคุณภาพผลิตภัณฑ์การผลิตแบบเติมแต่ง

การอภิปรายกำลังดำเนินอยู่เกี่ยวกับการกำหนดมาตรฐานสากลสำหรับชิ้นส่วนทดสอบการขึ้นรูปมาตรฐานและการประเมินในการผลิตแบบเติมแต่งโลหะ โดยคณะกรรมการเทคนิค ISO/TC261 และคณะกรรมการ ASTM F42 เกี่ยวกับเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่ง การประเมินการขึ้นรูปต้องใช้เทคนิคการวัดที่หลากหลายตั้งแต่ชิ้นส่วนทดสอบมาตรฐานไปจนถึงการตรวจสอบการขึ้นรูปเพื่อรักษาคุณภาพ หัวข้อนี้จะอธิบายเกี่ยวกับมาตรฐานทั่วไปและวิธีการประเมินและวิเคราะห์ที่มีประสิทธิภาพสำหรับวิธีการผลิตแบบเติมแต่ง

วิธีการวัดรูปทรง

การสังเกตเนื้อเยื่อ

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และเครื่องวิเคราะห์พื้นผิว (EPMA) ไม่เพียงแต่สามารถสังเกตพื้นผิวของวัสดุเท่านั้น แต่ยังวิเคราะห์ธาตุและสังเกตทิศทางของผลึกโดยใช้เครื่องตรวจจับบนเครื่องได้อีกด้วย มีการใช้กันอย่างแพร่หลายตั้งแต่การตรวจสอบพื้นผิวแบบไม่ทำลายไปจนถึงการตรวจสอบแบบทำลายโดยการตัดส่วนตัดขวาง
เมื่อฉายลำแสงอิเล็กตรอนที่โฟกัสไปที่วัสดุที่ต้องการสังเกต ข้อมูลเกี่ยวกับการสร้างควอนตัม เช่น อิเล็กตรอนรองในทิศทางความลึก จะได้รับขึ้นอยู่กับองค์ประกอบนั้นๆ การวิเคราะห์สามารถทำได้โดยใช้เครื่องตรวจจับที่แปลงควอนตัมที่สร้างขึ้นเหล่านี้เป็นสัญญาณ

ตารางที่ 1 ข้อมูลที่ได้จากตัวอย่างที่วิเคราะห์

นี่คือผลลัพธ์ของการวิเคราะห์ธาตุ EDS ของผง Ti-6Al-4V ที่ใช้สำหรับเครื่องจักรการผลิตแบบเติมแต่ง เพื่อยืนยันองค์ประกอบของ Ti, Al และ V

ภาพที่ 8 รูปลักษณ์ของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ใช้สำหรับการสังเกตระดับอะตอม อิเล็กตรอนไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระในอากาศ แต่จะอยู่ในสุญญากาศ ซึ่งแตกต่างจากกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอล กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจะรักษาสุญญากาศสูงในคอลัมน์เพื่อช่วยให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนที่เรียกว่าปืนอิเล็กตรอนจะถูกเร่งความเร็วและฉายรังสีไปที่พื้นผิวการฉายรังสี อิเล็กตรอนจะส่งตัวอย่างหรือกระจัดกระจาย อิเล็กตรอนจะบรรจบกันหรือกระจัดกระจายโดยใช้เลนส์อิเล็กตรอน (สนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก) เพื่อสร้างภาพ โดยทั่วไป ภาพจะขยายใหญ่บนแผ่นเรืองแสงและสังเกตด้วยตาของมนุษย์ แต่ปัจจุบันกระแสหลักคือการแปลงภาพเป็นสัญญาณไฟฟ้าโดยใช้เซ็นเซอร์ภาพ เช่น CCD และแสดงผลเป็นหน้าจอแบบดิจิทัล แสงที่ดวงตาของมนุษย์สามารถแยกแยะได้ (แสงที่มองเห็นได้) คือ 400 นาโนเมตรถึง 800 นาโนเมตร กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านโดยทั่วไปใช้แรงดันไฟฟ้าเร่งสูงมากกว่า 100 กิโลโวลต์ ความยาวคลื่น 100 กิโลโวลต์มีค่าเท่ากับ 0.0037 นาโนเมตร ซึ่งบ่งบอกถึงความละเอียด ซึ่งหมายความว่ามีความละเอียดเพียงพอที่จะสังเกตอะตอมขนาดหลายนาโนเมตรได้

การทดสอบแบบไม่ทำลาย

เนื่องจากเป็นวิธีการตรวจสอบแบบไม่ทำลายสำหรับข้อบกพร่องและช่องว่างโดยใช้ภาพ จึงสามารถใช้ X-ray CT เพื่อตรวจสอบผลิตภัณฑ์รูปทรงอิสระในการผลิตแบบเติมแต่งได้ X-ray CT ช่วยให้วัดตัวอย่างใน 5 แกนและตรวจจับตำแหน่งข้อบกพร่องด้วยการแสดงผลแบบ 3 มิติ
ความละเอียดและความสามารถในการส่งผ่านขึ้นอยู่กับเอาต์พุตของแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ไมโครโฟกัส แต่โดยทั่วไปจะใช้ 150 กิโลโวลต์ถึง 45 กิโลโวลต์ ความละเอียดจะอยู่ระหว่างไม่กี่ไมโครเมตรถึงหลายร้อยไมโครเมตร ขึ้นอยู่กับขนาดของการวัดและการส่งผ่านของวัสดุ แม้ว่าเอาต์พุตที่สูงขึ้นจะช่วยเพิ่มความละเอียดได้ แต่ก็ต้องใช้วิธีรับมือการรั่วไหลของรังสีเอกซ์ด้วย และวิธีรับมือเหล่านี้ก็มีขอบเขตกว้างขวางกว่า

สรุป

การผลิตแบบ 3 มิติโดยใช้โลหะกำลังได้รับความสนใจเนื่องจากเป็นวิธีการผลิตชิ้นส่วนที่ต้องการโดยตรงจากข้อมูลดิจิทัล นอกจากนี้ การใช้ความสามารถในการขึ้นรูปฟรีฟอร์มซึ่งเป็นคุณลักษณะของการขึ้นรูป 3 มิติยังถือเป็นการขยายการใช้งานในอนาคตเพื่อการออกแบบความแข็งแรงที่เหมาะสมที่สุดและเป็นวิธีการผลิตที่ประหยัดพลังงานอีกด้วย
เนื่องจากไม่จำเป็นต้องมีสิ่งอำนวยความสะดวกมากมาย จึงถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของวิธีการผลิตแบบกระจายที่ถือว่าอุปกรณ์การผลิตมีการเชื่อมต่อเครือข่ายในยุค IoT
JEOL สนับสนุนความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีด้วยการผสานเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่งซึ่งอาจก่อให้เกิดนวัตกรรมใหม่ ร่วมกับเทคโนโลยีการวัดและการวิเคราะห์เพื่อรักษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์
ผลลัพธ์ที่ได้มาจากโครงการที่กระทรวงเศรษฐกิจ การค้า และอุตสาหกรรม (METI) มอบหมายให้พัฒนาเทคโนโลยีเครื่องพิมพ์ 3 มิติสำหรับอุตสาหกรรมรุ่นต่อไปและเทคโนโลยีระบบการขึ้นรูป 3 มิติที่มีความแม่นยำสูง เราขอขอบคุณองค์กรต่อไปนี้ที่ให้การสนับสนุนระหว่างการวิจัยของเรา

• กระทรวงเศรษฐกิจการค้าและอุตสาหกรรม
• สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอุตสาหกรรมขั้นสูงแห่งชาติ (AIST)
• ศาสตราจารย์พิเศษ ฮิเดกิ เคียวโกกุ ภาควิชาวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยคินได
• อากิฮิโกะ ชิบะ ศาสตราจารย์ สถาบันวิจัยวัสดุ (ในขณะนั้น) มหาวิทยาลัยโทโฮกุ
• สมาคมวิจัยเทคโนโลยีเพื่อการผลิตแบบเติมแต่งในอนาคต (TRAFAM)

อ้างอิง

• เอกสารนี้จัดทำโดยสมาคมวิจัยเทคโนโลยีเพื่อการผลิตแบบเติมแต่งในอนาคต (TRAFAM) ซึ่งดำเนินการเรื่อง "การพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องพิมพ์ 3 มิติในอุตสาหกรรมรุ่นถัดไปและการพัฒนาเทคโนโลยีระบบการขึ้นรูป 3 มิติที่แม่นยำสูง" ซึ่งได้รับมอบหมายจากกระทรวงเศรษฐกิจ การค้า และอุตสาหกรรม
  https://trafam.or.jp/top/

• เนื้อหาจัดทำโดย Nikon Metrology Inc. (เว็บไซต์)
  https://industry.nikon.com/en-us/

• วัสดุจัดทำโดย LPW Technology Ltd.(ในขณะนั้น)/Aichi Sangyo Co., Ltd.

• โปรดหลีกเลี่ยงการพิมพ์ซ้ำหรือดัดแปลงเนื้อหานี้