วิธีสร้างชิ้นงานโลหะด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ / Making Metal Parts with 3D Printing

การขึ้นรูปชิ้นงานโลหะมีอยู่หลากหลายกระบวนการ ทั้งการหล่อขึ้นรูป การปั๊มขึ้นรูป หรือการขึ้นรูปโดยเครื่องจักร (Machining) ในบทความนี้เราจะแนะนำการใช้เทคโนโลยี 3D Printing ในการผลิตชิ้นงานโลหะด้วยวิธีต่างๆ และเปรียบเทียบข้อดี-ข้อเสียของแต่ละวิธี เพื่อที่จะเลือกเทคนิคการผลิตได้อย่างเหมาะสมในแต่ละสถานการณ์

การพิมพ์ 3 มิติ (3D Printing) มีความได้เปรียบการผลิตแบบดั้งเดิมเช่น CNC Machining ในหลายด้าน ทั้งในด้านต้นทุน ด้าน Lead time ความสามารถในการสร้างรูปทรงที่ซับซ้อน และมีกระบวนการทำงานที่เรียบง่ายกว่า การใช้เทคโนโลยี 3D Printing ในกระบวนการขึ้นรูปโลหะสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและลดต้นทุนได้อย่างมาก โดยสามารถแบ่งเป็น 3 รูปแบบดังนี้

1. DMLS (Direct Metal Laser Sintering) / การพิมพ์โลหะโดยตรง

DMLS เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติด้วยวัสดุโลหะโดยตรง ทำงานโดยใช้แสงเลเซอร์เชื่อมผงโลหะ (เช่นอลูมิเนียม ไททาเนียม เหล็กแสตนเลส) ให้จับเป็นก้อนทีละชั้น ซ้อนกันจนได้เป็นชิ้นงานที่ต้องการ เป็นกระบวนการที่สร้างชิ้นงานได้ความแม่นยำสูง และรองรับการสร้างชิ้นงานที่มีรูปทรงซับซ้อน มักพบในอุตสาหกรรมอวกาศยาน (Aerospace) เพื่อสร้างชิ้นส่วนเครื่องบินที่มีน้ำหนักเบา หรืออุตสาหกรรมการแพทย์และทันตกรรม

ข้อจำกัดของเทคโนโลยี DMLS คือมีราคาสูงมาก ขนาดพิมพ์ค่อนข้างเล็ก และต้องใช้ Support ในการพิมพ์ชิ้นงานทุกครั้ง เพื่อถ่ายเทความร้อนจากการเชื่อมผงโลหะและป้องกันชิ้นงานบิดเบี้ยว

ตัวอย่างการพิมพ์ชิ้นส่วนทันตกรรมด้วยเทคโนโลยี DMLS

2. Castable SLA Pattern / การพิมพ์แม่แบบสำหรับหล่อด้วย SLA

การหล่อขึ้นรูป (Investment casting / Lost wax casting) เป็นการขึ้นรูปโลหะโดยใช้แม่แบบ (Master pattern) เพื่อทำแม่พิมพ์ในการหล่อโลหะ มีกระบวนการหลายขั้นตอนดังรูปประกอบด้านล่าง

แต่เดิมการทำแม่แบบ (Pattern) ใช้วิธีขึ้นรูปขี้ผึ้งด้วยแม่พิมพ์โลหะ หรือใช้เครื่อง CNC แกะสลักก้อนขี้ผึ้งให้เป็นรูปแม่แบบที่ต้องการ วิธีดังกล่าวมีต้นทุนสูงถึงสูงมาก และใช้เวลานานหลายสัปดาห์ การใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติชนิด SLA/DLP ช่วยลดต้นทุนและเวลาในการสร้างแม่แบบได้อย่างมาก มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมผลิตเครื่องประดับและทันตกรรม โดยขึ้นรูปชิ้นงานเป็นวัสดุเรซิ่นสำหรับงานหล่อโดยเฉพาะ (Castable Resin) ที่สามารถใช้ทดแทนขี้ผึ้งได้โดยตรง เครื่องพิมพ์ชนิด SLA สามารถสร้างชิ้นงานที่มีผิวเรียบเนียน และเก็บรายละเอียดชิ้นงานได้คมชัด แต่ก็ยังมีข้อจำกัดคือขนาดพิมพ์ค่อนข้างเล็ก และวัสดุพิมพ์มีราคาแพง

ตัวอย่างการพิมพ์ชิ้นงาน Jewelry ด้วยเทคโนโลยี SLA

3. Castable FDM Pattern / การพิมพ์แม่แบบสำหรับหล่อด้วย FDM (PolyCast)

สำหรับการหล่อชิ้นงานโลหะขนาดใหญ่ การสร้างแม่แบบด้วยเครื่องพิมพ์ชนิด FDM (ระบบเส้นพลาสติก) เป็นทางเลือกที่ตอบโจทย์ที่สุด เนื่องจากมีต้นทุนถูก พิมพ์ชิ้นงานได้ขนาดใหญ่และทำซ้ำได้รวดเร็วกว่าวิธีอื่นๆ นอกจากนี้ยังสามารถอบผิวชิ้นงานให้เรียบด้วยแอลกอฮอล์ ทำให้ผิวชิ้นงานโลหะที่หล่อออกมาเรียบเนียนได้คุณภาพ

ข้อดีของการใช้เทคโนโลยีพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM เพื่อสร้างแม่แบบในการหล่อขึ้นรูปโลหะมีดังนี้:

• สามารถสร้างชิ้นงานได้รวดเร็ว เมื่อเทียบกับ CNC ซึ่งใช้เวลา Setup / Programming เยอะและมีขั้นตอนซับซ้อนกว่า
• ต้นทุนถูกกว่า FDM เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่มีราคาถูกที่สุด เมื่อเทียบกับ SLA หรือ DMLS
• ขนาดพิมพ์ใหญ่กว่า เครื่องพิมพ์แบบ FDM มีขนาดพิมพ์สูงสุดค่อนข้างใหญ่ เช่น 450 x 450 x 650 mm
• หล่อชิ้นงานได้เรียบเนียน วัสดุพิมพ์ FDM ชนิดหล่อได้ (Castable) ออกแบบมาให้เผาไหม้อย่างหมดจด ไม่มีขี้เถ้าหลงเหลือในแม่พิมพ์ ทำให้หล่อชิ้นงานโลหะได้คุณภาพสูง

Credit: 3D Hubs