การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการปรับรูปร่างลำแสงในการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์โลหะ

เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์ (Laser Additive Manufacturing: AM) มีข้อดีคือมีความแม่นยำสูง มีความยืดหยุ่นสูง และมีระบบอัตโนมัติสูง จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตชิ้นส่วนสำคัญในสาขาต่างๆ เช่น ยานยนต์ การแพทย์ อวกาศ เป็นต้น (เช่น หัวฉีดเชื้อเพลิงจรวด โครงยึดเสาอากาศดาวเทียม อุปกรณ์ฝังในร่างกายมนุษย์ เป็นต้น) เทคโนโลยีนี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของชิ้นส่วนที่พิมพ์ได้อย่างมาก โดยผ่านการผลิตแบบบูรณาการทั้งโครงสร้างและประสิทธิภาพของวัสดุ ปัจจุบัน เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์โดยทั่วไปจะใช้ลำแสงเกาส์เซียนแบบโฟกัสที่มีการกระจายพลังงานสูงตรงกลางและต่ำที่ขอบ อย่างไรก็ตาม มักจะทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิสูงในวัสดุหลอมเหลว ส่งผลให้เกิดรูพรุนและเม็ดหยาบตามมา เทคโนโลยีการปรับรูปร่างลำแสงเป็นวิธีการใหม่ในการแก้ปัญหานี้ ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและคุณภาพการพิมพ์โดยการปรับการกระจายพลังงานของลำแสงเลเซอร์

เมื่อเปรียบเทียบกับการผลิตแบบดั้งเดิมโดยการตัดเฉือนและการผลิตแบบเทียบเท่า เทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุด้วยโลหะมีข้อดีหลายประการ เช่น รอบเวลาการผลิตสั้น ความแม่นยำในการประมวลผลสูง อัตราการใช้ประโยชน์จากวัสดุสูง และประสิทธิภาพโดยรวมของชิ้นส่วนที่ดี ดังนั้น เทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุด้วยโลหะจึงถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การบินและอวกาศ อาวุธและอุปกรณ์ พลังงานนิวเคลียร์ ชีวเภสัชภัณฑ์ และยานยนต์ โดยอาศัยหลักการของการเรียงซ้อนแบบไม่ต่อเนื่อง เทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุด้วยโลหะจะใช้แหล่งพลังงาน (เช่น เลเซอร์ อาร์ค หรือลำแสงอิเล็กตรอน) เพื่อหลอมผงหรือลวด แล้วเรียงซ้อนกันทีละชั้นเพื่อผลิตชิ้นส่วนเป้าหมาย เทคโนโลยีนี้มีข้อได้เปรียบอย่างมากในการผลิตชิ้นส่วนจำนวนน้อย โครงสร้างที่ซับซ้อน หรือชิ้นส่วนเฉพาะบุคคล วัสดุที่ไม่สามารถหรือยากต่อการประมวลผลโดยใช้เทคนิคแบบดั้งเดิมก็เหมาะสมสำหรับการเตรียมโดยใช้วิธีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุด้วยเช่นกัน เนื่องจากข้อได้เปรียบข้างต้น เทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุจึงได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากนักวิชาการทั้งในและต่างประเทศ ในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา เทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุได้ก้าวหน้าอย่างรวดเร็ว เนื่องจากระบบอัตโนมัติและความยืดหยุ่นของอุปกรณ์การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์ รวมถึงข้อดีที่ครอบคลุมของความหนาแน่นพลังงานเลเซอร์สูงและความแม่นยำในการประมวลผลสูง เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์จึงพัฒนาเร็วที่สุดในบรรดาเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุโลหะทั้งสามประเภทที่กล่าวมาข้างต้น

เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์โลหะสามารถแบ่งออกได้อีกเป็น LPBF และ DED ภาพที่ 1 แสดงแผนภาพโครงร่างทั่วไปของกระบวนการ LPBF และ DED กระบวนการ LPBF หรือที่รู้จักกันในชื่อ Selective Laser Melting (SLM) สามารถผลิตชิ้นส่วนโลหะที่ซับซ้อนได้โดยการสแกนลำแสงเลเซอร์พลังงานสูงไปตามเส้นทางที่กำหนดบนพื้นผิวของชั้นผงโลหะ จากนั้นผงโลหะจะหลอมละลายและแข็งตัวทีละชั้น ส่วนกระบวนการ DED นั้นส่วนใหญ่ประกอบด้วยกระบวนการพิมพ์สองแบบ ได้แก่ การหลอมและการสะสมด้วยเลเซอร์ และการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยการป้อนลวดเลเซอร์ เทคโนโลยีทั้งสองนี้สามารถผลิตและซ่อมแซมชิ้นส่วนโลหะได้โดยตรงโดยการป้อนผงโลหะหรือลวดโลหะพร้อมกัน เมื่อเทียบกับ LPBF แล้ว DED มีประสิทธิภาพการผลิตสูงกว่าและพื้นที่การผลิตกว้างกว่า นอกจากนี้ วิธีนี้ยังสามารถเตรียมวัสดุคอมโพสิตและวัสดุที่มีคุณสมบัติไล่ระดับได้อย่างสะดวก อย่างไรก็ตาม คุณภาพพื้นผิวของชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย DED มักจะต่ำ และจำเป็นต้องมีการประมวลผลเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงความแม่นยำของขนาดของชิ้นส่วนเป้าหมาย

ในกระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์ในปัจจุบัน ลำแสงเกาส์เซียนแบบโฟกัสเป็นแหล่งพลังงานหลัก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลักษณะการกระจายพลังงานที่เป็นเอกลักษณ์ (อุณหภูมิสูงตรงกลาง ต่ำที่ขอบ) อาจทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิสูงและความไม่เสถียรของบ่อหลอม ส่งผลให้คุณภาพการขึ้นรูปของชิ้นส่วนที่พิมพ์ออกมาไม่ดี นอกจากนี้ หากอุณหภูมิตรงกลางของบ่อหลอมสูงเกินไป จะทำให้โลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำระเหยกลายเป็นไอ ซึ่งยิ่งทำให้กระบวนการ LBPF ไม่เสถียรมากขึ้น ดังนั้น เมื่อความพรุนเพิ่มขึ้น คุณสมบัติทางกลและอายุการใช้งานของชิ้นส่วนที่พิมพ์จึงลดลงอย่างมาก การกระจายพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอของลำแสงเกาส์เซียนยังนำไปสู่ประสิทธิภาพการใช้พลังงานเลเซอร์ต่ำและการสิ้นเปลืองพลังงานมากเกินไป เพื่อให้ได้คุณภาพการพิมพ์ที่ดีขึ้น นักวิจัยจึงเริ่มสำรวจวิธีการชดเชยข้อบกพร่องของลำแสงเกาส์เซียนโดยการปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์ของกระบวนการ เช่น กำลังเลเซอร์ ความเร็วในการสแกน ความหนาของชั้นผง และกลยุทธ์การสแกน เพื่อควบคุมความเป็นไปได้ของการป้อนพลังงาน เนื่องจากช่วงการประมวลผลที่แคบมากของวิธีการนี้ ข้อจำกัดทางกายภาพที่ตายตัวจึงจำกัดความเป็นไปได้ในการปรับปรุงเพิ่มเติม ตัวอย่างเช่น การเพิ่มกำลังเลเซอร์และความเร็วในการสแกนสามารถบรรลุประสิทธิภาพการผลิตสูง แต่บ่อยครั้งต้องแลกมาด้วยคุณภาพการพิมพ์ที่ลดลง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การเปลี่ยนแปลงการกระจายพลังงานเลเซอร์ผ่านกลยุทธ์การปรับรูปร่างลำแสงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตและคุณภาพการพิมพ์ได้อย่างมาก ซึ่งอาจกลายเป็นทิศทางการพัฒนาในอนาคตของเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์ เทคโนโลยีการปรับรูปร่างลำแสงโดยทั่วไปหมายถึงการปรับการกระจายหน้าคลื่นของลำแสงขาเข้าเพื่อให้ได้การกระจายความเข้มและลักษณะการแพร่กระจายที่ต้องการ การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการปรับรูปร่างลำแสงในเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุโลหะแสดงในรูปที่ 2

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการปรับรูปร่างลำแสงในการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์

ข้อจำกัดของการพิมพ์ด้วยลำแสงเกาส์เซียนแบบดั้งเดิม

ในเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์โลหะ การกระจายพลังงานของลำแสงเลเซอร์มีผลกระทบอย่างมากต่อคุณภาพของชิ้นส่วนที่พิมพ์ แม้ว่าลำแสงเกาส์เซียนจะถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์โลหะ แต่ก็มีข้อเสียร้ายแรง เช่น คุณภาพการพิมพ์ไม่เสถียร การใช้พลังงานต่ำ และช่วงการทำงานที่แคบในกระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ ในบรรดาปัญหาเหล่านั้น กระบวนการหลอมผงและพลวัตของบ่อหลอมในระหว่างกระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์โลหะมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความหนาของชั้นผง เนื่องจากการกระเด็นของผงและบริเวณการกัดเซาะ ความหนาของชั้นผงที่แท้จริงจึงสูงกว่าที่คาดการณ์ไว้ทางทฤษฎี ประการที่สอง ลำไอน้ำทำให้เกิดการกระเด็นของโลหะเป็นลำใหญ่ ไอโลหะจะชนกับผนังด้านหลังทำให้เกิดการกระเด็น ซึ่งจะถูกพ่นไปตามผนังด้านหน้าในแนวตั้งฉากกับบริเวณเว้าของบ่อหลอม (ดังแสดงในรูปที่ 3) เนื่องจากการปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างลำแสงเลเซอร์และการกระเด็น การกระเด็นที่พุ่งออกมาอาจส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อคุณภาพการพิมพ์ของชั้นผงถัดไป นอกจากนี้ การเกิดรูพรุนในบ่อหลอมยังส่งผลกระทบอย่างร้ายแรงต่อคุณภาพของชิ้นส่วนที่พิมพ์ออกมา รูพรุนภายในของชิ้นงานที่พิมพ์ส่วนใหญ่เกิดจากรูล็อคที่ไม่มั่นคง

กลไกการเกิดข้อบกพร่องในเทคโนโลยีการปรับรูปร่างลำแสง

เทคโนโลยีการปรับรูปร่างลำแสงสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้หลายมิติพร้อมกัน ซึ่งแตกต่างจากลำแสงเกาส์เซียนที่ปรับปรุงประสิทธิภาพในมิติเดียวโดยแลกกับการลดประสิทธิภาพในมิติอื่นๆ เทคโนโลยีการปรับรูปร่างลำแสงสามารถปรับการกระจายอุณหภูมิและลักษณะการไหลของบ่อหลอมได้อย่างแม่นยำ โดยการควบคุมการกระจายพลังงานเลเซอร์ จะได้บ่อหลอมที่ค่อนข้างเสถียรและมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิน้อย การกระจายพลังงานเลเซอร์ที่เหมาะสมนั้นมีประโยชน์ในการลดรูพรุนและข้อบกพร่องจากการกระเด็น และปรับปรุงคุณภาพการพิมพ์เลเซอร์บนชิ้นส่วนโลหะ สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตและการใช้ผงโลหะได้หลากหลาย ในขณะเดียวกัน เทคโนโลยีการปรับรูปร่างลำแสงยังช่วยให้เรามีกลยุทธ์การประมวลผลมากขึ้น ทำให้การออกแบบกระบวนการมีความอิสระมากขึ้น ซึ่งเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุด้วยเลเซอร์