เหตุใดการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุจึงต้องใช้วิธีการทดสอบทางกลที่แตกต่างออกไป
จากการสร้างต้นแบบสู่การผลิต: สิ่งที่เปลี่ยนแปลงเมื่อการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุขยายขนาดขึ้น
การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ หรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อการพิมพ์ 3 มิติ ได้วิวัฒนาการไปไกลกว่าบทบาทเริ่มแรกที่เป็นเพียงเครื่องมือสร้างต้นแบบรวดเร็ว ในปัจจุบัน เทคโนโลยีนี้ถูกนำมาใช้มากขึ้นในการผลิตชิ้นส่วนที่ใช้งานได้จริงและรับน้ำหนักในปริมาณมากในอุตสาหกรรมต่างๆ เมื่อมีการนำไปใช้มากขึ้น ความจำเป็นในการทดสอบทางกลที่แม่นยำและทำซ้ำได้ก็เพิ่มขึ้นตามไปด้วย เพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และความเชื่อมั่นในด้านกฎระเบียบ
ซีรีส์บล็อกโพสต์นี้จะสำรวจพื้นฐานของการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ ความท้าทายในการทดสอบที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งเกี่ยวข้องกับชิ้นส่วนที่ผลิตแบบเติมเนื้อ และวิธีที่แนวทางการทดสอบที่ถูกต้องรวมถึงพันธมิตรด้านการทดสอบที่เหมาะสม จะช่วยให้วิศวกรสามารถเคลื่อนย้ายการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุจากการพัฒนาไปสู่การผลิตได้อย่างมั่นใจ
การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุคืออะไร?
การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุคือกระบวนการสร้างวัตถุโดยการเติมวัสดุทีละชั้นโดยตรงจากแบบจำลองดิจิทัล แนวทางนี้ตรงกันข้ามกับการผลิตแบบหักออก (Subtractive Manufacturing) แบบดั้งเดิม ซึ่งวัสดุจะถูกนำออกจากบล็อกแข็งผ่านการตัดแต่งขึ้นรูปด้วยเครื่องจักร
วิธีการสร้างทีละชั้นนี้ช่วยปลดล็อกข้อดีที่สำคัญหลายประการ การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุให้อิสระในการออกแบบที่เหนือชั้น ช่วยให้สามารถสร้างคุณลักษณะภายในที่ซับซ้อน โครงสร้างแลตทิซ และรูปทรงเรขาคณิตที่อาจทำได้ยากหรือไม่สามารถทำได้ด้วยเครื่องจักร นอกจากนี้ยังรองรับการปรับปรุงแก้ไขที่รวดเร็ว ช่วยย่นระยะเวลาการพัฒนาตั้งแต่แนวคิดไปจนถึงชิ้นส่วนจริงได้อย่างมาก นอกจากนี้ การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุยังมีความคุ้มค่าสูงสำหรับการผลิตในปริมาณน้อยถึงปานกลาง เนื่องจากความต้องการเครื่องมือขั้นต่ำ และยังช่วยลดการสูญเสียวัสดุอีกด้วย ประโยชน์เหล่านี้ทำให้การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุมีความน่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการผลิตตามความต้องการเฉพาะบุคคล
อย่างไรก็ตาม ข้อดีเหล่านี้ก็นำมาซึ่งตัวแปรใหม่ๆ ที่ต้องทำความเข้าใจ วัดผล และควบคุมผ่านการทดสอบที่มีคุณภาพสูง
เทคโนโลยีหลักของการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ
ปัจจุบันมีการใช้เทคโนโลยีการเติมเนื้อวัสดุที่หลากหลายในการใช้งานทางอุตสาหกรรม ซึ่งแต่ละเทคโนโลยีก็มีพฤติกรรมของวัสดุและข้อกำหนดในการทดสอบของตัวเอง
Fused deposition modeling (FDM) เป็นหนึ่งในกระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด โดยทำงานโดยการหลอมและฉีดเส้นใยผ่านหัวฉีด ซึ่งโดยปกติจะใช้เทอร์โมพลาสติก แม้ว่าในอดีตจะจำกัดอยู่เพียงโพลิเมอร์ แต่ปัจจุบัน FDM ยังมีให้บริการสำหรับ โลหะ และ วัสดุคอมโพสิต เสริมใยแก้วอีกด้วย
Directed energy deposition (DED) เป็นกระบวนการที่พลังงานแบบรวมจุดจะหลอมละลายวัสดุในขณะที่ถูกพ่นออกมา โดยมี wire arc additive manufacturing (WAAM) เป็นรูปแบบหนึ่งของ DED ที่มีอัตราการพ่นสูง ซึ่งเป็นกระบวนการเชื่อมที่ได้รับการควบคุมอย่างมีประสิทธิภาพ WAAM เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่และเป็นโซลูชันที่คุ้มค่ากว่าสำหรับการสร้างงานโลหะขนาดใหญ่
เทคโนโลยี Powder bed fusion ใช้แหล่งความร้อนเพื่อหลอมรวมวัสดุที่เป็นผงทีละชั้น ซึ่งรวมถึง:
- Selective laser melting (SLM) สำหรับชิ้นส่วนโลหะที่มีความหนาแน่นสูง
- Selective laser sintering (SLS) สำหรับชิ้นส่วนโพลิเมอร์
- Electron beam melting (EBM) สำหรับโลหะที่ทำปฏิกิริยาได้ง่าย เช่น ไทเทเนียม
- Direct metal laser sintering (DMLS) สำหรับการใช้งานโลหะที่มีความแม่นยำ
กระบวนการอื่นๆ เช่น binder jetting และ stereolithography (SLA) ยังคงขยายขอบเขตของการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุอย่างต่อเนื่อง ซึ่งเพิ่มความหลากหลายของวัสดุและข้อกำหนดในการทดสอบที่วิศวกรต้องจัดการ
แนวโน้มและการเติบโตของตลาด
ปัจจุบันการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุถูกนำมาใช้กับโลหะ โพลิเมอร์ เซรามิก และคอมโพสิต โดยมีการนำไปใช้ในอุตสาหกรรม การบินและอวกาศ, ยานยนต์, ชีวการแพทย์, อิเล็กทรอนิกส์, การก่อสร้าง, เครื่องมือ และสินค้าอุปโภคบริโภค ปัจจุบันตลาดโลกมีมูลค่าหลายหมื่นล้านดอลลาร์และคาดว่าจะเติบโตอย่างรวดเร็วในทศวรรษหน้า
ประเด็นหลักของการเติบโต ได้แก่ วัสดุใหม่และวัสดุที่ได้รับการปรับปรุง เช่น โลหะผสมชนิดใหม่และวัสดุที่ยั่งยืน การพิมพ์แบบหลายวัสดุสำหรับชิ้นส่วนที่มีคุณสมบัติแปรผันตามพื้นที่ และการออกแบบ กระบวนการ รวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพคุณภาพที่ขับเคลื่อนด้วย AI
เมื่อการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุกลายเป็นเส้นทางการผลิตหลักสำหรับชิ้นส่วนโครงสร้างและความปลอดภัย การทดสอบทางกลของชิ้นส่วนที่ผลิตแบบเติมเนื้อจึงปรากฏให้เห็นบ่อยขึ้น ไม่ใช่แค่เพื่อการวิจัยและการรับรองคุณสมบัติเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการตรวจสอบความถูกต้องและการรับรองมาตรฐานด้วย
ความท้าทายในการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ
เมื่อพิจารณาถึงคุณสมบัติทางกลของชิ้นส่วนที่ผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ ความท้าทายทางเทคนิคหลายประการส่งผลกระทบโดยตรงต่อประสิทธิภาพทางกล
ชิ้นส่วนที่ผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุมักแสดงข้อบกพร่อง เช่น ความพรุน การขาดการหลอมรวม และความขรุขระของพื้นผิว ซึ่งอาจนำไปสู่ความอ่อนแอทางกล สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นเนื่องจากชิ้นส่วนประกอบขึ้นจาก "การหล่อ" ขนาดเล็กจำนวนหลายพันครั้ง ซึ่งแต่ละครั้งอาจนำมาซึ่งความไม่สมบูรณ์ เทคนิคหลังกระบวนการผลิต เช่น การตัดแต่งขึ้นรูปด้วยเครื่องจักรและการอบชุบด้วยความร้อนสามารถลดปัญหาเหล่านี้ได้ แต่ไม่สามารถกำจัดให้หมดไปได้ทั้งหมด
ความท้าทายที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือความแปรปรวนที่เพิ่มขึ้นของคุณสมบัติวัสดุ ความแปรปรวนภายในชิ้นส่วนเดียวที่เรียกว่าความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (inhomogeneity) อาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากความแตกต่างในการระบายความร้อนตามเส้นทางการพิมพ์ นอกจากนี้ ความแปรปรวนยังอาจเกิดขึ้นระหว่างชิ้นส่วนต่อชิ้นส่วน ผู้ปฏิบัติงานต่อผู้ปฏิบัติงาน เครื่องจักรต่อเครื่องจักร และตามพารามิเตอร์ของกระบวนการและการผลิต ความแปรปรวนนี้อาจส่งผลกระทบต่อขนาดตัวอย่างที่จำเป็นเพื่อให้ได้ข้อมูลที่น่าเชื่อถือ
ประการสุดท้าย ส่วนประกอบที่ผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุมักแสดงคุณสมบัติที่มีทิศทางสูง หรือที่เรียกว่าแอนไอโซโทรปี (anisotropy) เนื่องจากชิ้นส่วนถูกสร้างขึ้นทีละชั้น คุณสมบัติทางกลในทิศทางการสร้าง (Z) มักจะอ่อนแอกว่าในระนาบ XY พฤติกรรมด้านทิศทางนี้มีผลกระทบสำคัญต่อการจัดตำแหน่ง การควบคุม และการทำซ้ำที่แม่นยำในระหว่างการทดสอบ
แนวทางของ Instron: การทดสอบที่แม่นยำและเชื่อถือได้
เนื่องจากการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุนำมาซึ่งความแปรปรวนที่สูงขึ้น การกระจายของข้อมูลที่มากขึ้น และพฤติกรรมด้านทิศทางที่รุนแรง คุณภาพของระบบทดสอบจึงมีความสำคัญพอๆ กับตัววัสดุเอง การทดสอบทางกลที่เข้มงวดเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อแยกแยะพฤติกรรมที่แท้จริงของวัสดุออกจากผลกระทบที่เกิดจากการทดสอบ
ระบบทดสอบของ Instron® ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ความแม่นยำ ความเสถียร และความสามารถในการทำซ้ำที่จำเป็นสำหรับวัสดุที่ผลิตแบบเติมเนื้อ ตั้งแต่การคัดกรองวัสดุในระยะแรกไปจนถึงการทดสอบเพื่อรับรองคุณสมบัติเต็มรูปแบบ ด้วยการผสมผสานการวัดแรงและแรงเครียดที่แม่นยำเข้ากับอุปกรณ์จับยึดเฉพาะงานและการสนับสนุนจากผู้เชี่ยวชาญ Instron ช่วยให้วิศวกรสามารถสร้างข้อมูลที่เชื่อถือได้และไว้วางใจได้
ในภูมิทัศน์การผลิตที่ประสิทธิภาพถูกกำหนดโดยข้อบกพร่อง ความแปรปรวน และแอนไอโซโทรปี การเป็นพันธมิตรกับผู้นำด้านการทดสอบอย่าง Instron จึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการเปลี่ยนการออกแบบที่เป็นนวัตกรรมให้เป็นส่วนประกอบที่เชื่อถือได้และพร้อมสำหรับการผลิต
เกี่ยวกับผู้เขียน
Subscribe to the Instron Update
Stay up to date on industry trends, testing standards, applications, tips and tricks, and so much more!
Rebecca Reiff-Musgrove
Rebecca Reiff-Musgrove เป็นผู้จัดการฝ่ายพัฒนาธุรกิจสำหรับ ElectroPuls® ที่ Instron ประวัติของเธอรวมถึงปริญญาโทสาขาวิทยาศาสตร์ (MSci) จาก University of Cambridge โดยมุ่งเน้นที่คุณสมบัติพื้นผิวของชิ้นส่วนที่ผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ รวมถึงบทบาทก่อนหน้านี้ในการทดสอบวัสดุสำหรับอุตสาหกรรมการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ ที่ Instron เธอได้ดำรงตำแหน่งทางเทคนิคและเชิงพาณิชย์ที่หลากหลาย ทำให้เธอมีความเข้าใจอย่างลึกซึ้งทั้งในด้านเทคโนโลยีและความท้าทายของลูกค้าที่เทคโนโลยีนี้เข้ามาแก้ไข