การผลิตแบบเติมแต่งด้วยผงแป้ง (Powder Bed Fusion: PBF) เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์โลหะ 3 มิติที่เติบโตเร็วที่สุดและได้รับความนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด PBF มีข้อได้เปรียบหลายประการ เช่น ความแม่นยำในการขึ้นรูปสูง คุณสมบัติเชิงกลที่ดี ส่วนประกอบที่ซับซ้อน และประสิทธิภาพการขึ้นรูปสูง ผงโลหะที่ใช้ในการผลิตแบบเติมแต่งด้วยผงแป้ง ได้แก่ โลหะผสมไทเทเนียม โลหะผสมนิกเกิล โลหะผสมเหล็ก โลหะผสมโคบอลต์-โครเมียม โลหะผสมอะลูมิเนียม โลหะผสมทองแดง และโลหะทนไฟ เช่น ทังสเตน โมลิบดีนัม แทนทาลัม และไนโอเบียม
ในฐานะวัตถุดิบ คุณภาพของผงโลหะเป็นตัวกำหนดคุณภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเป็นส่วนใหญ่ ความสะอาด สัณฐานวิทยา และการกระจายตัวของขนาดอนุภาคของผงโลหะเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการขึ้นรูปของชิ้นส่วน
ความสะอาดของผง
องค์ประกอบทางเคมีของผงโลหะสำหรับการพิมพ์ 3 มิติประกอบด้วยธาตุโลหะและสิ่งเจือปน ธาตุโลหะทั่วไป ได้แก่ Fe, Ti, Ni, Al, Cu, Co, Cr และโลหะมีค่า เช่น Ag และ Au สิ่งเจือปนส่วนใหญ่ประกอบด้วยสารประกอบโลหะหรือส่วนประกอบที่ไม่ใช่โลหะ เช่น Si, Mn, C, S, P, O และอื่นๆ ที่มีอยู่ในเหล็กรีดิวซ์ อาจมีสิ่งเจือปนเชิงกล เช่น SiO2, Al2O3, ซิลิเกต, คาร์ไบด์โลหะที่ไม่ละลายน้ำ และสารอื่นๆ ที่ไม่ละลายในกรด ปนเปื้อนในระหว่างกระบวนการผลิตวัตถุดิบและผงโลหะ นอกจากนี้ ออกซิเจน ไอน้ำ และก๊าซอื่นๆ อาจถูกดูดซับบนพื้นผิวของผงโลหะด้วย
เมื่อเลเซอร์หรือลำแสงอิเล็กตรอนสแกนผงโลหะ สิ่งเจือปนอาจทำปฏิกิริยากับโลหะพื้นฐาน ทำให้คุณสมบัติเปลี่ยนแปลงและส่งผลกระทบต่อคุณภาพของชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติ นอกจากนี้ สิ่งเจือปนยังทำให้ผงโลหะหลอมเหลวไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องภายในชิ้นงานขั้นสุดท้าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งเจือปนเชิงกล ลดความเหนียวของชิ้นส่วนลงอย่างมาก โดยเฉพาะความเหนียวจากแรงกระแทก การกระจายตัวและรูปร่างของสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่โลหะยังส่งผลต่อชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วย
ในกรณีที่มีปริมาณออกซิเจนสูง การเกิดออกซิเดชันของโลหะพื้นฐานที่อุณหภูมิสูงจะก่อให้เกิดฟิล์มออกไซด์หนาแน่น ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงาน และอาจนำไปสู่การเกิดทรงกลม ส่งผลให้ทั้งความหนาแน่นและคุณภาพการขึ้นรูปของชิ้นส่วนลดลง ธาตุต่างๆ เช่น คาร์บอน ฟอสฟอรัส กำมะถัน ออกซิเจน และไนโตรเจนในเหล็ก เป็นอันตรายต่อความเหนียวเป็นพิเศษ ดังนั้น ควรควบคุมระดับสิ่งเจือปนและสิ่งเจือปนในผงโลหะอย่างเข้มงวด เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของกระบวนการผลิตแบบเติมแต่งและประสิทธิภาพของชิ้นส่วนขั้นสุดท้าย
สัณฐานวิทยาของผง
เดอะ สัณฐานวิทยา ของผงส่งผลโดยตรงต่อความหนาแน่นและความเป็นของเหลว ซึ่งส่งผลต่อกระบวนการป้อนผงและประสิทธิภาพขั้นสุดท้ายของชิ้นส่วน
ในการผลิตสารเติมแต่งแบบฟิวชันเบดแบบผง กลไกการกระจายผงช่วยให้มั่นใจได้ว่าอนุภาคผงจะกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในพื้นที่ขึ้นรูป การไหลที่ดีเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเพื่อให้ได้เบดผงที่สม่ำเสมอและแบนราบ ผงทรงกลมและเกือบทรงกลมมีการไหลที่ดี มีความหนาแน่นสูง และมีโครงสร้างที่สม่ำเสมอ ทำให้เป็นวัตถุดิบที่นิยมใช้ในการผลิตสารเติมแต่งแบบฟิวชันเบดแบบผง
อย่างไรก็ตาม หากมีผงกลวงหรือผงดาวเทียมในผงทรงกลมและเกือบทรงกลม ประสิทธิภาพขั้นสุดท้ายของชิ้นส่วนจะลดลง ผงกลวงมักพบในผงที่มีขนาดอนุภาคใหญ่กว่า 70 ไมโครเมตร ซึ่งนำไปสู่ข้อบกพร่อง เช่น รูพรุน ที่ยากต่อการกำจัดในชิ้นส่วนที่ขึ้นรูป ผงดาวเทียมจะลดความลื่นไหลและขัดขวางการสะสมของผงอย่างสม่ำเสมอ กระบวนการนี้เกิดขึ้นระหว่างการแพร่กระจายของชั้นผงที่ต่อเนื่องกัน ส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องในชิ้นส่วน ดังนั้น ผงโลหะสำหรับการผลิตแบบเติมแต่งด้วยผงหลอมรวม (Powder Bed Fusion Additive Manufacturing) ควรลดสัดส่วนของผงกลวงและผงดาวเทียมให้น้อยที่สุด
การกระจายขนาดอนุภาคผง
การกระจายตัวของขนาดอนุภาคผงเป็นตัวกำหนดองค์ประกอบและความแตกต่างของอนุภาคที่มีขนาดแตกต่างกันในระบบผง ถือเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการอธิบายลักษณะของอนุภาคผง ขนาดอนุภาคส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของการเรียงตัวของผง ความเร็วในการขึ้นรูป ความแม่นยำ และความสม่ำเสมอของโครงสร้างในกระบวนการผลิตแบบเติมแต่ง กระบวนการต่างๆ จำเป็นต้องใช้ขนาดอนุภาคผงที่แตกต่างกัน เทคโนโลยีการหลอมแบบเลือกสรรด้วยเลเซอร์ (SLM) ใช้ผงที่มีขนาดอนุภาค 15-45 ไมโครเมตร ในขณะที่เทคโนโลยีการหลอมแบบเลือกสรรด้วยลำแสงอิเล็กตรอน (SEBM) ใช้ผงที่มีขนาด 45-106 ไมโครเมตร
จากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์ อนุภาคผงขนาดเล็กจะมีพื้นที่ผิวที่ใหญ่กว่า ซึ่งเพิ่มแรงขับเคลื่อนในการเผาผนึก อนุภาคขนาดเล็กช่วยในการขึ้นรูปชิ้นงาน อย่างไรก็ตาม ผงละเอียดมากเกินไปจะลดความลื่นไหล ลดความหนาแน่น ลดการนำไฟฟ้า และทำให้เกิดทรงกลมในระหว่างการพิมพ์ ผงหยาบจะลดกิจกรรมการเผาผนึก ขัดขวางการกระจายตัวของผง และลดความแม่นยำในการขึ้นรูป ดังนั้น การปรับสมดุลระหว่างผงหยาบและผงละเอียดจึงเป็นสิ่งสำคัญในการปรับปรุงความหนาแน่นรวมและความลื่นไหล ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการผลิตสารเติมแต่งแบบหลอมรวมผง
งานวิจัยชี้ให้เห็นว่าการกระจายขนาดอนุภาคที่กว้างขึ้นจะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของชั้นผงในระหว่างการกระจายตัว อนุภาคขนาดเล็กจะเติมเต็มช่องว่างระหว่างอนุภาคขนาดใหญ่ ส่งผลให้ความหนาแน่นเพิ่มขึ้น
การยึดเกาะของผง
ในการหลอมรวมผงโลหะด้วยเลเซอร์ ชั้นของผงโลหะจะถูกกระจายและหลอมละลายด้วยเลเซอร์ แรงยึดเกาะของผงส่งผลต่อความสม่ำเสมอในการกระจายตัวและคุณภาพการขึ้นรูป แรงยึดเกาะ รวมถึงขนาดและสัณฐานวิทยาของอนุภาค เป็นปัจจัยสำคัญ ในอุตสาหกรรมยาและอาหาร ผลกระทบของแรงยึดเกาะของผงต่อความลื่นไหลได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง แรงยึดเกาะได้รับอิทธิพลจากปัจจัยต่างๆ เช่น แรงทางกล แรงปฏิสัมพันธ์ของอนุภาค และแรงแคปิลลารีจากความชื้นที่ถูกดูดซับ ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลต่อความลื่นไหล ซึ่งส่งผลต่อการกระจายตัว
การเปลี่ยนแปลงของขนาดอนุภาค สัณฐานวิทยา และคุณสมบัติพื้นผิวมีอิทธิพลต่อคุณภาพการแพร่กระจายและการขึ้นรูป การกระจายตัวของขนาดที่เหมาะสม ความกลมที่สูงขึ้น และการยึดเกาะที่ลดลง ช่วยเพิ่มความหนาแน่นรวมและคุณภาพการแพร่กระจาย ช่วยลดรูพรุนและข้อบกพร่องที่ยังไม่หลอมรวม ช่วยเพิ่มความหนาแน่นและคุณภาพของชิ้นงานขั้นสุดท้าย
สถานะปัจจุบันของอุตสาหกรรมผงโลหะสำหรับการผลิตแบบเติมแต่ง
จีนมีความก้าวหน้าอย่างมากในการวิจัยและพัฒนาผงโลหะและการพัฒนาอุตสาหกรรมสำหรับการหลอมผงโลหะแบบผง อย่างไรก็ตาม จีนยังตามหลังประเทศอื่นๆ เทคโนโลยีและอุปกรณ์หลักๆ ส่วนใหญ่อยู่ภายใต้การควบคุมของประเทศต่างๆ เช่น เยอรมนี สหรัฐอเมริกา และสหราชอาณาจักร บริษัทต่างๆ เช่น Carpenter and GE (สหรัฐอเมริกา), LPW, Sandvik และ GKN (สหราชอาณาจักร) และ Höganäs (สวีเดน) ถือครองสิทธิบัตรผงโลหะผสมไทเทเนียมสำหรับการผลิตแบบเติมแต่งมากกว่า 60% บางประเทศจำกัดการส่งออกผงโลหะทรงกลม เช่น โลหะผสมไทเทเนียม ทำให้ต้นทุนวัตถุดิบสูงขึ้นและขยายวงจรการจัดหา ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมการหลอมผงโลหะและการผลิตแบบเติมแต่งโลหะของจีน
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จีนควรพัฒนาระบบโลหะผสม (เช่น โลหะผสมไทเทเนียม) ที่มีทรัพย์สินทางปัญญาที่เป็นอิสระ การแก้ไขปัญหาสำคัญในการผลิตผงทรงกลมคุณภาพสูงจะช่วยลดต้นทุน เพิ่มผลผลิต และเป็นประโยชน์ต่ออุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การบินและอวกาศและชีวการแพทย์
เครื่องจักรผงมหากาพย์
เครื่องจักรผงมหากาพย์ is a leading provider of advanced powder processing equipment for additive manufacturing and other industries. With a focus on innovation and quality, we offer state-of-the-art solutions for optimizing powder properties, enhancing the performance of metal 3D printing processes, and meeting the specific needs of our clients. Whether you’re producing metal powders for additive manufacturing or refining powder characteristics for other applications, Epic Powder is committed to providing reliable, high-performance equipment that drives success in powder-based industries.