เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบลำแสงอิเล็กตรอน (เครื่องจักรผลิตสารเติมแต่ง)

การจำแนกประเภทของเครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะ

เครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะสามารถจำแนกประเภทได้ดังนี้ ตามประเภทของวัสดุ แหล่งความร้อน และวิธีการสร้าง วิธีการพิมพ์ JAM-5200EBM ที่ผลิตโดย JEOL จัดอยู่ในประเภทผงพิมพ์แบบลำแสงอิเล็กตรอน (EBM หรือ EB-PBF)

โปรดตรวจสอบคอลัมน์ต่อไปนี้เพื่อดูคุณลักษณะของเครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะแต่ละประเภทและการผลิตแบบเติมแต่ง (AM)

เครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะลำแสงอิเล็กตรอนคืออะไร?

เครื่องพิมพ์สามมิติโลหะแบบลำแสงอิเล็กตรอนเป็นเครื่องจักรผลิตแบบเติมแต่งที่สร้างชิ้นส่วน 3 มิติจากผงโลหะ โดยทั่วไปจะใช้วิธีการแบบผงโลหะ วัตถุดิบผงโลหะจะถูกกระจายตัวในห้องสุญญากาศ จากนั้นพื้นที่ที่จะสร้างจะถูกหลอมละลายอย่างเฉพาะเจาะจงโดยใช้แหล่งความร้อน เช่น ลำแสงอิเล็กตรอน หลังจากนั้น ผงโลหะอีกชั้นหนึ่งจะถูกกระจายตัวและหลอมละลาย ทำให้เกิดการเพิ่มชั้นของชั้นโลหะอย่างต่อเนื่อง (การผลิตแบบเติมแต่ง) ชิ้นส่วนจะถูกสกัดออกมาโดยการเอาผงส่วนเกินที่อยู่รอบๆ ออก

โครงสร้างของเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติแบบลำแสงอิเล็กตรอน

แหล่งกำเนิดลำแสงอิเล็กตรอนของเครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะลำแสงอิเล็กตรอนประกอบด้วยแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน เลนส์สนามแม่เหล็ก และขดลวดเบี่ยงเบนเป็นหลัก อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทด (แหล่งกำเนิดอิเล็กตรอน) จะถูกเร่งด้วยแรงดันไฟฟ้าสูง และควบแน่นเป็นลำแสงโดยเลนส์สนามแม่เหล็ก นอกจากนี้ ขดลวดเบี่ยงเบนยังใช้เพื่อย้ายลำแสงอิเล็กตรอนที่โฟกัสไปยังตำแหน่งที่ต้องการและทำการสแกน
ภายในห้องสุญญากาศมีถังเก็บผงโลหะสำหรับเก็บและปล่อยผงโลหะลงไปด้านล่าง เครื่องเคลือบผงโลหะ (Recoater) ซึ่งดันผงโลหะที่ปล่อยออกมาลงบนโต๊ะขึ้นรูปและทำให้เรียบ และแผ่นป้องกันความร้อนที่ช่วยรักษาอุณหภูมิของพื้นผิวชิ้นงานและป้องกันการสะสมของโลหะบนพื้นผิวโดยรอบ นอกจากนี้ยังมีระบบขับเคลื่อนแกน Z ที่สามารถเลื่อนพื้นผิวชิ้นงาน (แผ่นฐาน) ขึ้นหรือลง และถังสำหรับขึ้นรูปซึ่งสามารถเก็บชิ้นส่วนที่หลอมละลายและผ่านการเผาผนึกบนแผ่นฐานและผงโลหะโดยรอบได้โดยการลดระดับระบบขับเคลื่อนแกน Z

กระบวนการสร้างในวิธีผงเตียงลำแสงอิเล็กตรอน

4 ขั้นตอนต่อไปนี้ประกอบเป็นกระบวนการหลักของวิธีผงเตียงลำแสงอิเล็กตรอน

ข้อมูลการออกแบบดิจิทัล 3 มิติจะถูกโหลดเข้าสู่ซอฟต์แวร์เฉพาะ ตั้งค่าวัสดุรองรับ และเตรียมข้อมูลสไลซ์ 2 มิติสำหรับแต่ละชั้น รวมถึงเงื่อนไขการฉายรังสีของลำแสงอิเล็กตรอน

ข้อมูลที่เตรียมไว้จะถูกโหลดเข้าในเครื่องพิมพ์ 3 มิติ และเครื่องพิมพ์ 3 มิติจะถูกอพยพออก

การสแกนลำแสงอิเล็กตรอนจะอุ่นแผ่นฐานทั้งหมดไว้ล่วงหน้า

ขั้นตอนที่ 1: การลดระดับแกน Z

แผ่นฐาน (แท่นแกน Z) ในถังสร้างจะลดลงหนึ่งชั้น

ขั้นตอนที่ 2: การเกลี่ยผง

เครื่องเคลือบเคลื่อนที่ไปทางขวาและซ้ายเพื่อกระจายผงโลหะให้สม่ำเสมอเพื่อสร้างชั้นผง

ขั้นตอนที่ 3: อุ่นล่วงหน้า (พื้นผิวของผงทั้งหมด)

ลำแสงอิเล็กตรอนจะถูกฉายลงบนพื้นผิวผงทั้งหมดของพื้นที่สร้างด้วยความเร็วสูงเพื่ออุ่นผงโลหะก่อน การอุ่นนี้จะช่วยยึดผงโลหะเข้าด้วยกันเล็กน้อยและป้องกันไม่ให้ผงกระจายตัวในระหว่างการสร้าง

ขั้นตอนที่ 4: การหลอม (พื้นที่สร้าง)

พื้นที่ที่จะสร้างจะได้รับการฉายรังสีอิเล็กตรอนแบบเลือกจุดเพื่อให้ความร้อนจนทำให้ผงโลหะละลายและแข็งตัว

กระบวนการนี้จะถูกทำซ้ำเพื่อสร้างโครงสร้าง 3 มิติโดยอิงจากข้อมูล 3 มิติ ทีละชั้น

หลังจากสร้างชั้นสุดท้ายแล้ว ปริมาตรการสร้างทั้งหมดภายในถังสร้างจะถูกทำให้เย็นลง และเครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะจะถูกระบายอากาศ ชิ้นส่วนจะถูกนำออกมาเป็นมวลที่ล้อมรอบด้วยผงเผาชั่วคราว (เค้กผง) ชิ้นส่วนภายในจะถูกสกัดออกโดยการพ่นผงเผาชั่วคราวออกด้วยระบบกู้คืนผง (PRS)

ข้อดีของการใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเป็นแหล่งความร้อน

• พลังงานสูง

  มีการติดตั้งแหล่งกำเนิดลำแสงอิเล็กตรอนกำลังสูงขนาด 4.5 กิโลวัตต์ถึง 6 กิโลวัตต์เพื่อใช้เป็นแหล่งอิเล็กตรอนโดยทั่วไป เพื่อให้สามารถสร้างชิ้นงานความเร็วสูงและชิ้นงานโลหะทนไฟได้

• ประสิทธิภาพการส่งผ่านสูง

  ลำแสงอิเล็กตรอนช่วยให้ส่งพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากไม่มีส่วนประกอบออปติกที่ทำให้สูญเสียพลังงานระหว่างแคโทด (แหล่งอิเล็กตรอน) และเป้าหมายการฉายรังสี

• อัตราการแปลงพลังงานสูง

  ลำแสงอิเล็กตรอนคือกระแสอิเล็กตรอนความเร็วสูง และพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อนเมื่อถูกฉายลงบนเป้าหมาย แม้ว่าอัตราการดูดกลืนของเลเซอร์ (รูปแบบหนึ่งของแสง) จะแตกต่างกันไปตามการสะท้อนแสงของวัสดุแต่ละชนิด แต่ประสิทธิภาพการแปลงความร้อนของลำแสงอิเล็กตรอนนั้นสูงถึง 80% หรือมากกว่า ไม่ว่าจะใช้วัสดุชนิดใดก็ตาม

• การสแกนด้วยความเร็วสูง

  เนื่องจากตำแหน่งการฉายรังสีของลำแสงอิเล็กตรอนถูกควบคุมด้วยไฟฟ้าโดยใช้ขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า จึงสามารถสแกนด้วยความเร็วสูงมากได้ ด้วยแหล่งกำเนิดลำแสงอิเล็กตรอนที่ใช้ในการผลิตแบบเติมแต่งโลหะ ทำให้สามารถเคลื่อนที่ลำแสงอิเล็กตรอนด้วยความเร็วเกิน 1,000 เมตรต่อวินาที

• อุ่น

  เนื่องจากลำแสงอิเล็กตรอนช่วยให้สามารถสแกนด้วยกำลังสูงและความเร็วสูงได้ จึงสามารถอุ่นพื้นผิวผงบนแผ่นฐานได้ตั้งแต่อุณหภูมิไม่กี่ร้อยองศาเซลเซียสไปจนถึงมากกว่า 1000 องศาเซลเซียสในเวลาอันสั้น ขั้นตอนการอุ่นนี้ช่วยลดความเค้นตกค้างในชิ้นส่วนที่สร้างขึ้น เพื่อช่วยปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลและป้องกันการเสียรูปหรือการแตกร้าวของชิ้นส่วนที่สร้างขึ้น

• การประมวลผลในสุญญากาศ

  การฉายรังสีอิเล็กตรอนจะดำเนินการในสุญญากาศ ขั้นตอนการประมวลผลแบบสุญญากาศนี้สามารถลดสิ่งเจือปนในกระบวนการหลอมโลหะ ส่งผลให้ชิ้นงานมีคุณภาพสูง อย่างไรก็ตาม เครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะที่ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนบางรุ่นจำเป็นต้องเติมก๊าซเฉื่อยในระหว่างการสร้าง

วัสดุสำหรับสร้างเครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติแบบลำแสงอิเล็กตรอน

เนื่องจากวิธีการใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเหมาะสำหรับการสร้างโดยใช้โลหะหลายชนิด จึงใช้วัสดุตามสาขาอุตสาหกรรม

• โลหะผสมไททาเนียม: การบินและอวกาศ/ชีวการแพทย์
• โลหะผสมนิกเกิล: การบินและอวกาศ/การผลิตพลังงาน
• ทองแดงบริสุทธิ์: คอยล์/ชิ้นส่วนตัวนำ/ตัวแลกเปลี่ยนความร้อน

สรุป

เครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะลำแสงอิเล็กตรอนใช้สภาพแวดล้อมสุญญากาศและลำแสงอิเล็กตรอนความหนาแน่นพลังงานสูง เพื่อให้ได้ชิ้นงานที่มีความหนาแน่นสูงโดยใช้โลหะที่ไวต่อความร้อนและโลหะที่ทนไฟ กระบวนการร้อนพร้อมการอุ่นล่วงหน้าช่วยลดการบิดเบี้ยวของชิ้นส่วน เครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะลำแสงอิเล็กตรอนได้สร้างผลงานที่แข็งแกร่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตชิ้นงานที่ใช้วัสดุที่ยากต่อการตัดเฉือน เช่น โลหะผสมไทเทเนียม โลหะผสมนิกเกิล และทังสเตน ซึ่งจำเป็นในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การแพทย์ และพลังงาน

ในอนาคต คาดว่าฟังก์ชันความแม่นยำในการสร้างและการตรวจสอบจะได้รับการพัฒนา ซึ่งจะนำไปสู่การใช้งานที่เพิ่มมากขึ้นในโรงงานผลิต คาดว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะลำแสงอิเล็กตรอนในโรงงานผลิตที่ให้ความสำคัญกับความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพการผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อนและมีมูลค่าเพิ่มสูง จะยิ่งเสริมความแข็งแกร่งในฐานะเทคโนโลยีเชิงกลยุทธ์ JEOL จะยังคงสนับสนุนการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง โดยผสานรวมเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่ง (Additive Manufacturing) ซึ่งมีศักยภาพในการขับเคลื่อนนวัตกรรม เข้ากับเทคโนโลยีการวัดและการวิเคราะห์ เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพที่สม่ำเสมอ