การปฏิวัติพัฒนาวัสดุโดยการผลิตแบบเติมเข้าไป (additive manufacturing)โดยใช้การหลอมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน
 －จากมรดกตกทอดมานับพันปี

สัมภาษณ์ 10

อากิฮิโกะ ชิบะ
ศาสตราจารย์, การแปรรูปการเสียรูป, สถาบันวิจัยวัสดุ, มหาวิทยาลัยโทโฮคุ

การปฏิวัติพัฒนาวัสดุโดยการผลิตแบบเติมเข้าไป (additive manufacturing)โดยใช้การหลอมด้วยลำแสงอิเล็กตรอน

เทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งที่ใช้เครื่อง AM ในการผลิตชิ้นส่วนโลหะ คาดว่าจะปฏิวัติชิ้นส่วนสำหรับเครื่องบินและจรวดซึ่งต้องการความแข็งแกร่งและความน่าเชื่อถือ เราถามศาสตราจารย์อากิฮิโกะ ชิบะ จากสถาบันวิจัยวัสดุแห่งมหาวิทยาลัยโทโฮคุ ซึ่งเป็นผู้นำด้านเทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งโลหะในญี่ปุ่น เกี่ยวกับศักยภาพของเทคโนโลยีนี้

กำเนิดของการแปรรูปโลหะใหม่

เผ่าพันธุ์มนุษย์อาจมีความก้าวหน้าอีกครั้งด้วยสิ่งนี้ ไม่ใช่ AI (ปัญญาประดิษฐ์) แต่เป็นเทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งสำหรับโลหะ

การผลิตเพิ่มเติมหมายถึงเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่เรียกว่า (หรือ AM Machine) ถือกำเนิดขึ้นในช่วงปลายทศวรรษ 1980 สำหรับการใช้พลาสติก แต่ในปี 2000 อุปกรณ์ที่เปิดใช้งานการผลิตแบบเพิ่มเนื้อโดยใช้โลหะก็ปรากฏขึ้นเช่นกัน
"เมื่อฉันดูผลิตภัณฑ์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ฉันเห็นได้ว่าผลึกเดี่ยวใสก่อตัวขึ้น เรียกได้ว่าเป็นกระบวนการแปรรูปโลหะแบบใหม่ ฉันสนใจเรื่องนี้มาก"

ศาสตราจารย์เล่าถึงครั้งแรกที่เขาเห็นการผลิตสารเติมแต่งโดยใช้ลำแสงอิเล็กตรอน เดิมทีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อควรจะเป็นเทคโนโลยีการประมวลผลที่เหมาะสมสำหรับการผลิตต้นแบบอย่างง่าย อย่างไรก็ตามความจริงที่ว่าคริสตัลเรียงกันอย่างสวยงามหมายความว่ามีความแข็งแกร่งเพียงพอ จากนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะนับการผลิตสารเติมแต่งเป็นเทคโนโลยีการแปรรูปโลหะสำหรับผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

ศาสตราจารย์เป็นผู้บุกเบิกการพัฒนาวัสดุโลหะ และได้ทำการวิจัยเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของโลหะโดยการ "ย่อขนาด" ของโครงสร้างและขจัดความไม่เท่าเทียมกันของธาตุ เขายังคงค้นหาวัสดุโลหะที่เหมาะสมสำหรับข้อต่อเทียมหรือรากฟันเทียม

"เราผสมธาตุโลหะเข้าด้วยกัน หลอม แข็งตัว ให้ความร้อน และหลอม นั่นคือสิ่งที่หมายถึงการพัฒนาวัสดุใหม่" เขาจึงให้คำจำกัดความงานวิจัยของเขา

แม้ว่าจะมีความแข็งแรงพอที่จะไม่ทำให้เสียรูปได้ง่ายที่อุณหภูมิห้อง แต่ก็สามารถหลอมและเทลงในแม่พิมพ์ได้ และสามารถแปรรูปเป็นรูปทรงต่างๆ ได้โดยการตัดและดัด อีกทั้งไม่ผุเหมือนไม้ โลหะเป็นวัตถุดิบทางอุตสาหกรรมในอุดมคติ ตั้งแต่เริ่มต้นของประวัติศาสตร์ ผู้คนได้ประดิษฐ์สิ่งประดิษฐ์มากมายโดยการแปรรูปโลหะ เริ่มด้วยอาวุธและวัตถุมงคล โลหะถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในวัสดุก่อสร้าง ชิ้นส่วนรถยนต์ คอมพิวเตอร์ และชิ้นส่วนเครื่องบิน การพัฒนาวัสดุเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการประมวลผลเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความแม่นยำในการแปรรูปกลายเป็นรากฐานสำหรับการประดิษฐ์ใหม่ ซึ่งจะสร้างความต้องการใหม่และกระตุ้นให้เกิดการประดิษฐ์ครั้งต่อไป

ปัจจุบันสิ่งที่ตลาดคาดหวังมากที่สุดคือ "ความแข็ง" คาดว่าวัสดุโลหะจะมีความแข็งแรงทนทานต่อการใช้งานหนักและหนัก และเพื่อให้ผลิตภัณฑ์มีความน่าเชื่อถืออย่างแท้จริง หัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงและใบพัดเทอร์ไบน์ของเครื่องยนต์เจ็ทคือตัวอย่างที่ดีที่สุดของสิ่งนี้

"ความต้องการของตลาดสำหรับวัสดุแข็งมีมาก และเราสามารถบรรลุถึงความแข็งเพื่อตอบสนองมัน อย่างไรก็ตาม เราไม่สามารถมีความสุขได้เพียงเพราะเราได้ผลิตเหล็กเส้นกลมหรือแท่งโลหะแข็ง เมื่อเราสามารถแปรรูปเป็นชิ้นส่วนที่ เราสามารถนำไปใช้งานได้จริง อย่างไรก็ตาม บางครั้งวัสดุก็ยากเกินกว่าจะตัดเฉือนได้ ในการพัฒนาวัสดุ จำเป็นต้องพิจารณาไม่เพียงแต่องค์ประกอบเท่านั้น แต่ยังรวมถึงกระบวนการแปรรูปที่ตามมาด้วย" ตัวอย่างเช่น ไททาเนียมมีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กกล้า และมีมวลเหล็กประมาณครึ่งหนึ่ง ทำให้เป็นหนึ่งในวัสดุในอุดมคติในด้านการบินและอวกาศ อย่างไรก็ตาม มีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบต่างๆ ที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นการปลอมและการเชื่อมจึงต้องใช้กระบวนการพิเศษ ไททาเนียมที่หลอมละลายจะถูกเทลงในแม่พิมพ์ในสภาพแวดล้อมที่ป้องกันจากออกซิเจนและไนโตรเจน หรือหากไม่สามารถทำได้ ไททาเนียมที่หลอมละลายจะถูกเทลงในแม่พิมพ์โดยเป็นส่วนที่มีความหนามากกว่าสองเท่าแล้วโกนให้ได้ความหนาตามต้องการ โดยธรรมชาติแล้วต้นทุนการผลิตจะเพิ่มขึ้น

"ฉันมีปัญหามากมายกับไททาเนียม" ศาสตราจารย์กล่าว เขาหวังว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติ (AM Machine) จะสามารถลดแรงงานที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการขึ้นรูปได้

จากความคาดหวังสู่ความมั่นใจ
 "ลำแสงอิเล็กตรอนทำให้มันเป็นไปได้"

อย่างไรก็ตาม เครื่องพิมพ์ 3 มิติ (AM Machine) ที่เขาเห็นในต้นปี 2000 เป็นครั้งแรกนั้นน่าผิดหวังอย่างยิ่ง

"มันเป็นวิธีการขึ้นรูปผงโลหะโดยการฉายรังสีด้วยเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อผมดูชิ้นส่วนที่ทำเสร็จแล้ว ผมพบว่ามีความแข็งแรงต่ำเกินไป และถึงแม้จะดีสำหรับการสร้างต้นแบบ แต่ผมรู้สึกว่ามันจะเป็น นานมากแล้วกว่าฉันจะได้ใช้มันสำหรับผลิตภัณฑ์”

ตอนนั้นหัวที่ใช้คือเลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ เนื่องจากมีความยาวคลื่นที่ยาวกว่า จึงสะท้อนออกจากพื้นผิวของโลหะ เช่น อะลูมิเนียม ทองแดง และไททาเนียม ส่งผลให้หลอมละลายไม่เพียงพอ ปฏิกิริยากับออกซิเจนและสารอื่นๆ ในระหว่างกระบวนการที่อุณหภูมิสูงก็ถือว่านำไปสู่การเสื่อมสภาพเช่นกัน

หลายปีต่อมา เขาได้รับการแนะนำให้รู้จักกับวิธีการผลิตสารเติมแต่งโดยใช้ลำแสงอิเล็กตรอนโดยบริษัทที่อยู่ในการประชุมวิชาการเดียวกัน ศาสตราจารย์ตอบสนองอย่างรวดเร็วกับคำว่า "ลำแสงอิเล็กตรอน"

ด้วยความหลงใหลในความเป็นไปได้ ศาสตราจารย์จึงซื้ออุปกรณ์และทำการวิจัยอย่างละเอียดถี่ถ้วนเกี่ยวกับคุณลักษณะของวัสดุของ "การแปรรูปโลหะใหม่ทั้งหมด"

ผลที่ได้ ปรากฏชัดว่า ไกลจากการด้อยกว่าวิธีการประมวลผลแบบเดิม มีข้อได้เปรียบที่ไม่มีวิธีการประมวลผลอื่นใดที่สามารถทำได้ นั่นคือ "ความสม่ำเสมอของการกระจายวัสดุ"

โดยปกติ เมื่อทำโลหะผสม โลหะจะหลอมรวมกันแล้วเย็นลงเพื่อสร้างแท่งโลหะ ในระหว่างกระบวนการทำความเย็น องค์ประกอบที่หนักกว่าจะจมลงไปด้านล่างและองค์ประกอบที่เบากว่าจะรวมตัวกันที่ด้านบน ด้วยวิธีนี้ ความไม่สม่ำเสมอของวัสดุ (=การแบ่งแยก) เกิดขึ้นในแท่งโลหะ หากวัสดุเป็นเนื้อเดียวกัน คุณสมบัติเช่นความแข็งแรงก็จะไม่เป็นเนื้อเดียวกัน นี่อาจไม่ใช่ปัญหาสำหรับแท่งโลหะขนาดเล็ก แต่สำหรับแท่งโลหะขนาดใหญ่ที่มีด้านหลายเมตร ต้องใช้เวลาในการแข็งตัวและการแยกตัวออกจากกันไม่สำคัญ อย่างไรก็ตาม ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันนี้ไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในการผลิตสารเติมแต่งซึ่งผงจะหลอมละลายและก่อตัวขึ้นทันที

นอกจากนี้ เมื่อเทลงในแม่พิมพ์ในการหล่อ ส่วนที่ใกล้กับแม่พิมพ์จะถูกทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว ในขณะที่ส่วนที่อยู่ไกลออกไปจะแข็งตัวช้า เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น โพรงอาจเกิดขึ้นตรงกลาง
“โดยปกตินี่เป็นข้อบกพร่องร้ายแรง แต่เนื่องจากไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ เราจึงมีประวัติว่าต้องตกลงกับมัน อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ไม่เป็นที่ยอมรับสำหรับชิ้นส่วนที่มีความสำคัญต่อความปลอดภัย เช่น เทอร์ไบน์เครื่องยนต์ไอพ่น ด้วยการผลิตแบบเพิ่มเนื้อ สิ่งนี้สามารถ หลีกเลี่ยง"

การทดสอบความแข็งแรงแสดงให้เห็นว่าชิ้นส่วนที่ผลิตขึ้นโดยการผลิตแบบเพิ่มเนื้อมีความแข็งแรงกว่าชิ้นส่วนที่หลอมซึ่งหล่อในแม่พิมพ์แล้วตีหรือให้ความร้อนต่อไปเพื่อเพิ่มความแข็งแรง ความท้าทายคือเวลาและต้นทุนที่จำเป็นสำหรับการผลิต แต่ "วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมีการพัฒนาให้ดีขึ้นอยู่เสมอ ฉันหวังว่าปัญหานี้จะได้รับการแก้ไขในสักวันหนึ่ง"

ร่วมพัฒนากับ JEOL ผู้ทรงคุณวุฒิด้านลำแสงอิเล็กตรอน

โพสต์เมื่อ พฤษภาคม 2021

เครื่อง AM โลหะลำแสงอิเล็กตรอน