เครื่องสร้างชิ้นงานต้นแบบจากกระบวนการหลอมละลายผงโลหะด้วยแสงเลเซอร์

User Rating: / 0
แย่ดีที่สุด 

เขียนโดย รุ่งศักดิ์ นาวงษ์ | 08 พฤศจิกายน 2011

          เครื่อง LaserCUSING ถูกแนะนำให้รู้จักในโลกของอุตสาหกรรมการผลิตเป็นครั้งแรกในปี ค.ศ. 2004 ในงาน Euromold โดยบริษัท Concept Laser GmbH ซึ่งเป็นสมาชิกใหม่ล่าสุดของ Hofmann Innovation Group AG ซึ่งตั้งอยู่ที่เมือง Lichtenfels ประเทศเยอรมัน โดยกระบวนการ LaserCUSING

เป็นกระบวนการที่ทำให้เกิดการหลอมละลายของผงโลหะชนิดใดชนิดหนึ่งด้วยแสงเลเซอร์ ทำให้เกิดเป็นชิ้นงานขึ้นในลักษณะที่เป็นชั้นบาง ๆ ของผงโลหะที่หลอมละลายซ้อนทับกันขึ้นไป ซึ่งแต่ละชั้นจะมีความหนาระหว่าง 20 - 50 µm   กระบวนการ LaserCUSING จะมีความแตกต่างจากกระบวนการเติมเนื้อโลหะอื่น ๆ โดยทั่วไปใน 2 ประการคือประการแรก แสงเลเซอร์ที่ใช้เป็นชนิดที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษ และประการที่สอง คำว่า “CUSING” มาจากคำว่า “CONCEPT” และ “FUSING” ซึ่งหมายถึงการหลอมละลายผงโลหะอย่างสมบูรณ์ ปัจจุบันเครื่อง LaserCUSING มีอยู่ 3 รุ่นคือ M1 M2 และ M3

                                                                            รูปที่ 1 เครื่อง LaserCUSING รุ่น M1 (ขวาบน) M2 (ซ้าย) และ M3 (ขวาล่าง)  

           LaserCUSING ใช้ผงโลหะร่วมกับแสงเลเซอร์ชนิด infra red fibre laser ที่มีความเข้มสูงในการทำให้เกิดการหลอมละลายโลหะอย่างสมบูรณ์   เพื่อสร้างชิ้นงานที่มีหนาแน่นและมีความแข็งแรงสูง รวมทั้งมีรูปร่างและขนาดใกล้เคียงชิ้นงานที่ต้องการมากที่สุด  วัสดุที่เป็นผงจะถูกใช้เพื่อกำหนดความหนาในเบื้องต้น จากนั้นจะถูกหลอมละลายโดยแสงเลเซอร์ ซึ่งจะต้องมีความสัมพันธ์สอดคล้องกับ CAD data เพื่อกำหนดรูปร่างแต่ละชั้นของชิ้นงาน   แสงเลเซอร์จะทำงานในพื้นที่ที่มีการควมคุบบรรยากาศซึ่งอยู่ในเครื่อง  โดยระบบสามารถสร้างให้ความหนาของแต่ละชั้นมีค่าอยู่ระหว่าง 20 - 80 µm   และสิ่งสำคัญในกระบวนการนี้ก็คือระบบเคลื่อนย้ายผงโลหะซึ่งรวมเอาไว้ภายในเครื่อง เพื่อป้องกันการสัมผัสกับผงโลหะโดยตรงของผู้ปฏิบัติการและยังเป็นการเพิ่มความเร็วโดยรวมของกระบวนการทั้งหมด  ชิ้นงานสำเร็จจะถูกส่งออกจากเครื่องมายังบริเวณที่เป็นส่วนที่จะทำการคัดแยกและเคลื่อนย้ายชิ้นส่วน   โดยชิ้นงานสำเร็จจะมีรูปร่างหรือคุณสมบัติเหมือนกับชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยกรรมวิธีแบบดั้งเดิม หรือหากต้องการจะนำไปตกแต่งเพิ่มเติมด้วยกระบวนการผลิตอื่น ๆ เช่น ตัดเฉือนด้วยเครื่องจักรกล เชื่อมโลหะ ชุบแข็ง หรือ ตัดด้วยแสงเลเซอร์ ก็สามารถทำได้ทั้งสิ้น 

             บริษัท Concept Laser ได้สร้างเครื่องรุ่น M1 เพื่อให้ผู้ใช้สามารถเข้าถึงเทคโนโลยี LaserCUSING ได้ง่ายขึ้นโดยมีกลุ่มเป้าหมายเป็นกลุ่มผู้สร้างแม่พิมพ์ และต้องการสร้างชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน โดยใช้วัสดุประเภท เหล็กงานร้อน  เหล็กผสม และ เหล้กกล้าไร้สนิม และใช้ fibre laser ขนาด 200 W ซึ่งชิ้นงานมีขนาดสูงสุดเท่ากับ 250 x 250 x 250 มม.

          จากความสำเร็จของเครื่องรุ่น M1 เครื่องรุ่น M2 สามารถผลิตชิ้นงานไม่เพียงแต่ใช้วัสดุประเภท เหล็กงานร้อน  เหล็กผสม และ เหล้กกล้าไร้สนิม เท่านั้นยังสามารถใช้วัสดุประเภทอลูมิเนียมและไทเทเนียมได้ด้วย ดังรูปที่ 2แสดงให้เห็นชิ้นงานอลูมิเนียมที่สร้างจากเครื่อง M2  ซึ่งวัสดุประเภทอลูมิเนียมและไทเทเนียม จะไม่เหมือนวัสดุที่เป็นเหล็ก เพราะจะทำปฏิกริยากับออกซิเจนจำเป็นต้องถูกเก็บและขนย้ายภายในบรรยากาศที่ถูกควบคุม เครื่องรุ่น M2 จะสร้างชิ้นงานภายในบรรยากาศที่ใช้ไนโตรเจน และ อาร์กอน โดยมีระบบควบคุมเพื่อป้องกันการลุกไหม้ ทำให้มั่นใจในความปลอดภัยตลอดเวลาของผู้ปฏิบัติงาน แม้ว่าเครื่องจะต้องทำงานทั้งวันทั้งคืนก็ตาม ระบบการเคลื่อนย้ายผงโลหะถูกออกแบบและพัฒนาให้สามารถเก็บและป้อนสู่กระบวนการผลิตได้ทั้งวัสดุประเภทอลูมิเนียมและไทเทเนียม นอกจากนั้นยังสามารถนำวัสดุที่เหลือใช้กลับเข้าไปเก็บในถังบรรจุเพื่อนำมาใช้ใหม่ได้หลังสิ้นสุดกระบวนการการทำงาน เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพในการนำวัสดุที่เหลือใช้มาใช้งานใหม่ นอกจากนั้นยังเป็นการรับประกันว่าผู้ปฏิบัติงานจะไม่ต้องสัมผัสกับวัสดุที่นำมาใช้ และ วัสดุที่นำมาใช้ก็ไม่ต้องสัมผัสกับอากาศ

                                                                                                                 รูปที่ 2  ชิ้นงานอลูมิเนียมที่สร้างจากเครื่อง M2

             เครื่อง LaserCUSING รุ่น M2  สามารถสร้างชิ้นงานมีขนาดสูงสุดเท่ากับ 250 x 250 x 280 มม. และเหมือนกับเครื่องรุ่น M1 ความหนาของผงโลหะในแต่ละชั้นมีค่าอยู่ระหว่าง 20 - 50 µm   ใช้ fibre laser ขนาด 200 W (cw) มีความเร็วในการสแกนสูงสุด 7m/s และมีความเร็วในการผลิตสูงสุด 20 ลบ.ซม. ต่อชั่วโมง ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้

          สำหรับเครื่อง LaserCUSING รุ่น M3 จะเป็นรุ่นที่รวม 3 เทคโนโลยีที่แตกต่างกันไว้ในเครื่องเดียวกัน  ด้วยการทำงานร่วมกันของ gavo mirror และ linear direct drive จะทำให้เกิดความแม่นยำในการยิงแสงเลเซอร์ ทำให้การสร้างชิ้นงานมีความละเอียดที่คงที่แม้จะมีขนาดใหญ่ ที่มากไปกว่านั้น รูปแบบในการยิงแสงเลเซอร์ในพื้นที่ขนาดใหญ่จะเป็นแบบตารางหมากรุก ทำให้เกิดการกระจายของความร้อนอย่างสม่ำเสมอ ทำให้ชิ้นงานขนาดใหญ่ที่ได้มีความเครียดสะสมภายในน้อยมาก เครื่องรุ่น M3 มีแสงเลเซอร์ให้เลือก 2 ชนิด ชนิดแรกเป็น diode-pump solid state laser ขนาด 100 W หรือชนิดที่สองเป็น fibre laser ขนาด 100 - 200 W โดยมีความเร็วในการสแกน 7 m/s และมี focal diameter อยุ่ระหว่าง 70 -20 µm   สามารถสร้างชิ้นงานมีขนาดสูงสุดเท่ากับ 300 x 350 x 300 มม. ความหนาของผงโลหะในแต่ละชั้นมีค่าอยู่ระหว่าง 20 - 80 µm   ความละเอียดของ linear motor 15 µm  นอกจากจะมีความสามารถครบถ้วนในกระบวนการ LaserCUSING แล้ว เครื่องรุ่น M3 ยังสามารถทำงานประเภทกัดขึ้นรูป 3 มิติ ด้วยแสงเลเซอร์ได้ ( laser erosion ) โดยทำงานร่วมกับซอฟต์แวร์ที่พัฒนาขึ้นโดยบริษัท Concept Laser  โดยซอฟต์แวร์จะคำนวณปริมาณวัสดุที่ต้องกัดออก แล้วทำให้ระเหยกลายเป็นไอชั้นต่อชั้นด้วยแสงเลเซอร์ ซึ่งสามารถกัดงานที่มีขนาดสูงสุดเท่ากับ 800 x 500 x 400 มม. มีน้ำหนักสูงสุด 500 kg ซึ่งการเปลี่ยนการทำงานจาก LaserCUSING เป็น laser erosion ใช้เวลาน้อยมากทำให้ไม่เสียเวลาในการทำงาน นอกจากนั้นยังสามารถทำงานประเภทแกะลวดลายด้วยแสงเลเซอร์ ( laser marking ) ได้อีกด้วย โดยสามารถทำงานได้บนเนื้อที่สูงสุด 450 x 450 มม. และทำงานได้กับวัสดุที่เป็นโลหะและพลาสติก

          แต่เดิมการะบวนการ LaserCUSING มีจุดประสงค์ที่จะนำเข้าไปใช้ในงานผลิตแม่พิมพ์ แต่ในปัจจุบันสามารถนำไปใช้ได้อย่างแพร่หลายมากขึ้น เช่น ใช้ในงาน rapid prototyping งาน rapid manufacturing หรืองานสร้าง insert สำหรับแม่พิมพ์ฉีดพลาสติก หรือแม่พิมพ์หล่ออลูมิเนียม เป็นต้น

          ข้อได้เปรียบประการหนึ่งของการะบวนการ LaserCUSING ก็คือสามารถที่จะสาธิตให้อุตสาหกรรมผลิตแม่พิมพ์ในการผลิต insert ที่มีรูปร่างซับซ้อนเกินกว่าที่จะผลิตด้วยกรรมวิธีดั้งเดิมได้ รวมทั้งวัสดุที่เป็นไปตามความต้องการ  ความสามารถในการผลิตชิ้นงานที่มีความละเอียดสูง เช่น ช่องน้ำหล่อเย็น หรือ ผนังที่บางมาก ๆ ที่ยังคงคุณสมบัติทางกลไว้อย่างครบถ้วน นั่นหมายถึงจะทำให้แม่พิมพ์มีคุณสมบัติที่ดีขึ้นและ cycle times จะน้อยลงตัวอย่างเช่น แม่พิมพ์อาจลดจำนวนของ cavity ลงจาก  16 cavity เหลือ 12 cavity โดยจะยังให้ผลผลิตเท่าเดิมทำให้ลดต้นทุนในการเลือกใช้เครื่องฉีดพลาสติกที่มีขนาดเล็กลง ส่งผลให้ต้นทุนต่อหน่วยสินค้าลดลงตามไปด้วย

           ตัวอย่างของบริษัทที่ประสบความสำเร็จในการนำเอาเทคโนโลยี LaserCUSING ไปใช้คือ ROWENTA ซึ่งเป็นผู้ผลิตอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านที่ได้มาตรฐาน   การวิจัยและคิดค้นสิ่งใหม่ ๆ ถือเป็นความสำคัญอันดับแรกของบริษัท ซึ่งพยายามอยู่เสมอที่จะค้นคว้าหาสิ่งใหม่ ๆ ที่จะทำให้ลูกค้าเกิดความสะดวกสบายและประหยัดพลังงานเพิ่มมากขึ้น ROWENTA ได้ร่วมมือกับ Hofmann Group AG มากว่า 40 ปี และเป็นบริษัทแรกที่ประสบความสำเร็จในการนำเอาเทคโนโลยี LaserCUSING ไปใช้ โดยผลสำเร็จที่เกิดขึ้นคือการผลิตสินค้ารุ่น ROWENTA DX 9100 ซึ่งเป็นผู้นำทางด้านเทคโนโลยีเตารีดไอน้ำ  การทำงานของเตารีดรุ่นนี้คือจะสร้างไอน้ำภายในเตารีดซึ่งเป็นวิธีการใหม่ในการรีดผ้าผสมไอน้ำ การใช้เทคโนโลยี LaserCUSING ถูกนำมาใช้เป็นแนวคิดในการผลิตแม่พิมพ์สำหรับผลิตสินค้าดังกล่าว ความสามารถในการสร้างชิ้นงาน 3 มิติที่มีรูปร่างที่ซับซ้อนมากให้กับนักออกแบบของ ROWENTA ทำให้สามารถผลิต insert ของแม่พิมพ์ที่มีช่องน้ำหล่อเย็นที่มีประสิทธิภาพโดยมีรูปร่างสัมพันธ์กับรูปร่างของ insert ดังรูปที่ 3 และ 4  ซึ่งจะมีผลทำให้ cycle time ของแม่พิมพ์ลดลงจากเดิม 30 % และความหนาแน่นของ insert ที่ผลิตด้วยวิธีนี้มีความสม่ำเสมอทำให้ไม่เกิดโพรงอากาศในเนื้อ insert ที่จะทำให้เกิดการสูญเสียน้ำหล่อเย็นไป และเวลาในการผลิต insert จะน้อยกว่าการผลิตด้วยวิธีดั้งเดิมอีกด้วย

                                                                                   รูปที่ 3 ชิ้นงาน insert ของบริษัท  ROWENTA

                                                                                                           รูปที่ 4  ชิ้นงาน insert ของบริษัท  ROWENTA

            อย่างไรก็ตามความสามารถของกระบวนการไม่ได้ถูกจำกัดเฉพาะในเรื่องการสร้าง insert สำหรับงานผลิตแม่พิมพ์เท่านั้นยังสามารถใช้ในงานผลิตชิ้นส่วนที่ต้องการคุณภาพในการผลิตสูงเช่น ชิ้นส่วนอากาศยาน ชิ้นส่วนเวชภัณฑ์ หรือ ชิ้นส่วนยานยนต์ เป็นต้น และในปัจจุบันผู้ผลิตชิ้นส่วนอากาศยาน ได้ทำการวิจัยและพัฒนากระบวนการผลิตโดยใช้เครื่องรุ่น M2 เพื่อทดลองผลิตชิ้นส่วนให้กับเครื่องบิน Airbus ซึ่งนับว่าเป็นความสำเร็จอีกขั้นหนึ่งของการพัฒนาเทคโนโลยีสู่โลกอุตสาหกรรมการผลิต

ติดต่อสอบถามรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่