บทนำ: 316L คือวัสดุหลักของการผลิตแบบเติมเนื้อโลหะ แต่ “พิมพ์ได้” ไม่เท่ากับ “พิมพ์ได้เสถียร”
ในกลุ่มวัสดุสำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อโลหะ สแตนเลส 316L แทบจะเป็นวัสดุเริ่มต้นของทีมวิศวกรรมทุกทีม เพราะมีความทนทานต่อการกัดกร่อน เชื่อมได้ และมีต้นทุนปานกลาง จึงถูกใช้อย่างมากในอุตสาหกรรมเคมี เภสัชกรรม เครื่องจักรอาหาร อุปกรณ์ทางทะเล และเครื่องมือแพทย์ อย่างไรก็ตาม ในโครงการจริง แม้ใช้เครื่อง SLM เครื่องเดียวกันและไฟล์ STL ชุดเดียวกัน ชิ้นงานที่ผลิตโดยแต่ละทีมมักแตกต่างกันมาก บางทีมทำได้ความหนาแน่นเสถียรมากกว่า 99.5% ผิวเรียบ ใช้งานระยะยาวโดยไม่รั่วและไม่กัดกร่อน ขณะที่บางทีมพบปัญหาชั้นระหว่างชั้นหลอมไม่สมบูรณ์ รูพรุนหนาแน่น ขอบโก่งงอ หรือแม้กระทั่งแตกร้าว สาเหตุหลักมักไม่ใช่ตัวเครื่องจักร แต่คือการเข้าใจและควบคุมหน้าต่างกระบวนการได้จริงหรือไม่ บทความนี้จะเรียบเรียงแนวทางปรับปรุงกระบวนการ SLM ของ 316L ตามลำดับ “วัสดุ—การขึ้นรูป—หลังการผลิต”
1. บทบาทชี้ขาดของคุณสมบัติผงต่อคุณภาพการขึ้นรูป
SLM หรือการหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกบริเวณ โดยพื้นฐานคือกระบวนการจุลโลหวิทยาที่เกิดการหลอมและแข็งตัวอย่างรวดเร็ว ดังนั้นการกระจายขนาดอนุภาค ความเป็นทรงกลม และปริมาณออกซิเจนของผง จึงกำหนดโดยตรงต่อเสถียรภาพของการปูผงและพฤติกรรมของบ่อหลอม ผง 316L แบบก๊าซอะตอมไมซ์ที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมมักมีช่วงขนาดอนุภาคอยู่ที่ 15—53μm หากอนุภาคหยาบเกินไป ชั้นผงที่มีความหนาโดยทั่วไป 20—40μm จะปกคลุมได้ไม่สม่ำเสมอ และเกิดบริเวณไม่หลอมระหว่างชั้นได้ง่าย หากอนุภาคละเอียดเกินไป ความไหลตัวของผงจะลดลง เกิดฝุ่นฟุ้งมากขึ้น และทำให้เกิดข้อบกพร่องในการปูผงเช่นกัน
สิ่งที่สำคัญยิ่งกว่าคือปริมาณออกซิเจน ออกซิเจนใน 316L จะก่อให้เกิดสิ่งเจือปนออกไซด์ก่อน ทำลายความสามารถในการเปียกของบ่อหลอมและเพิ่มอัตรารูพรุน ดังนั้นผงสำหรับการพิมพ์ควรควบคุมปริมาณออกซิเจนไว้ที่≤0.1% โดยทั่วไป จำนวนรอบการใช้ซ้ำของผงก็ต้องบันทึกไว้ด้วย เพราะการนำผงกลับมาใช้แต่ละครั้งจะทำให้สัดส่วนผงละเอียด ปริมาณออกซิเจน และผงดาวเทียมเปลี่ยนแปลง แนะนำให้จัดทำบัญชีล็อตผง ผสมผงใหม่กับผงรีไซเคิลตามสัดส่วน และตรวจซ้ำทั้งขนาดอนุภาคกับปริมาณออกซิเจน ซึ่งเป็นเงื่อนไขพื้นฐานในการรักษาความสม่ำเสมอระหว่างล็อต
2. หน้าต่างกระบวนการหลักของ SLM: กำลังเลเซอร์ ความเร็วสแกน และความหนาแน่นพลังงาน
พารามิเตอร์หลักที่กำหนดสภาพบ่อหลอมคือกำลังเลเซอร์ P ความเร็วสแกน v ระยะห่างสแกน h และความหนาชั้น t ซึ่งรวมกันเป็นความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตร หรือ VED = P/(v·h·t) สำหรับ 316L ช่วงความหนาแน่นพลังงานที่พบได้บ่อยและค่อนข้างเสถียรอยู่ประมาณ60—100 J/mm³ ตัวอย่างชุดพารามิเตอร์ทั่วไป เช่น กำลังเลเซอร์ 200—285W ความเร็วสแกน 800—1000mm/s ระยะห่างสแกน 0.09—0.11mm และความหนาชั้น 0.03—0.04mm
เมื่อความหนาแน่นพลังงานต่ำเกินไป บ่อหลอมจะลึกไม่พอ ทำให้เกิดข้อบกพร่องแบบหลอมรวมไม่สมบูรณ์ หรือ lack of fusion ซึ่งมักมีลักษณะเป็นรูปร่างเหลี่ยมไม่สม่ำเสมอ และทำลายสมบัติความล้ามากกว่ารูพรุนทรงกลมอย่างมาก แต่หากความหนาแน่นพลังงานสูงเกินไป บ่อหลอมจะร้อนจัดจนโลหะระเหย เกิดสะเก็ดกระเด็นและคีย์โฮล ส่งผลให้ก๊าซถูกปิดกักอยู่ภายใน ดังนั้นเป้าหมายของการปรับปรุงกระบวนการไม่ใช่ “เพิ่มกำลังเพื่อเอาความหนาแน่น” แต่คือการค้นหาหน้าต่างระหว่างการหลอมรวมไม่สมบูรณ์กับคีย์โฮล และตรวจยืนยันด้วยหน้าตัดโลหะวิทยาจากการพิมพ์เส้นเดี่ยวชั้นเดี่ยวและชิ้นทดสอบแบบก้อน
3. การควบคุมความหนาแน่นและรูพรุน: จากพฤติกรรมบ่อหลอมสู่การยับยั้งด้วยกระบวนการ
รูพรุนของ 316L ส่วนใหญ่เกิดจากกลไกสามประเภท ได้แก่ รูเหลี่ยมจากการหลอมรวมไม่สมบูรณ์ รูพรุนจากสะเก็ดที่ถูกพาเข้าไปหรือก๊าซระบายออกไม่ทัน และรูพรุนดั้งเดิมจากผงกลวงที่มีอยู่ในผงตั้งต้น ดังนั้นมาตรการควบคุมกระบวนการจึงมีสามแนวทางเช่นกัน:
ข้อแรก เพิ่มอัตราการซ้อนทับของแนวสแกน โดยลดระยะห่างสแกนอย่างเหมาะสมหรือเพิ่มการทับซ้อนของเส้นสแกน เพื่อให้แนวต่อแนวเกิดการยึดติดทางโลหวิทยาอย่างสมบูรณ์ ข้อสอง ใช้กลยุทธ์สแกนแบบกระดานหมากรุกหรือแบบแถบ แบ่งการสแกนระยะยาวเป็นช่วงสั้นและสลับตำแหน่งเริ่มต้นระหว่างชั้น เพื่อลดการสะสมความเค้นตกค้าง พร้อมทั้งให้เวลาก๊าซระบายออกมากขึ้น ข้อสาม ปรับมุมหมุนระหว่างชั้น โดยมักใช้การสลับ 45° หรือ 67° เพื่อไม่ให้ข้อบกพร่องระหว่างชั้นซ้อนทับในทิศทางเดียวกัน
ในขั้นการตรวจรับ แนะนำให้ใช้การวัดความหนาแน่นด้วยวิธีอาร์คิมิดีสควบคู่กับการนับอัตรารูพรุนจากหน้าตัดโลหะวิทยาแบบสองทาง โดยทั่วไปการส่งมอบเชิงวิศวกรรมต้องการความหนาแน่นสัมพัทธ์≥99.5% สำหรับสภาพใช้งานรับแรงดันหรือรับความล้า จำเป็นต้องทำการทดสอบแรงดึงตาม ASTM E8 เพื่อยืนยันว่าค่าความต้านทานแรงดึงและการยืดตัวถึงระดับของวัสดุตีขึ้นรูป
4. ความเค้นตกค้าง การเสียรูป และการอบชุบความร้อน
ความเร็วการแข็งตัวของ SLM อาจสูงถึงระดับหลายเมตรต่อวินาที ความชันอุณหภูมิที่รุนแรงจะสะสมความเค้นตกค้างสูงภายในชิ้นงาน แสดงออกเป็นการโก่งของแผ่นฐานและขอบ
ส่งโมเดล แบบแปลน รูปภาพ หรือบันทึกเป็นลายลักษณ์อักษร วิศวกรจะตรวจสอบวัสดุ กระบวนการ การตกแต่ง และการส่งมอบตามการใช้งานจริง