บทนำ: เหตุใดกลยุทธ์การสแกนจึงกำหนดชะตาของโลหะหนึ่งชิ้น
ในกระบวนการ SLM (Selective Laser Melting) วิศวกรมักให้ความสำคัญกับพารามิเตอร์หลักสามอย่าง ได้แก่ กำลังเลเซอร์ ความเร็วการสแกน และความหนาชั้นผง แต่กลับมองข้ามกลยุทธ์การสแกนที่มีความสำคัญไม่แพ้กัน ด้วยผงสแตนเลส 316L ชนิดเดียวกันและความหนาชั้นเท่ากัน เพียงเปลี่ยนเส้นทางการสแกนจากแบบแถบทิศทางเดียวเป็นการแบ่งโซนแบบกระดานหมากรุกพร้อมหมุนระหว่างชั้น 67 องศา การโก่งงอของชิ้นงานผนังบางแบบคานยื่นเดียวกันสามารถลดจาก 0.8 มม. เหลือต่ำกว่า 0.3 มม. โดยแก่นแท้แล้ว กลยุทธ์การสแกนคือการควบคุมการกระจายตัวของบ่อหลอมในเชิงเวลาและพื้นที่ ซึ่งส่งผลต่อเกรเดียนต์อุณหภูมิ ความเค้นตกค้าง และการเสียรูปสุดท้าย บทความนี้จะสรุปตรรกะการเลือกกลยุทธ์การสแกน SLM ในเชิงวิศวกรรมอย่างเป็นระบบ
หนึ่ง หลักการเชิงเรขาคณิตของกลยุทธ์การสแกนหลัก
กลยุทธ์การสแกน SLM สามารถแบ่งตามโทโพโลยีของเส้นทางได้เป็นสามประเภท ได้แก่ การสแกนแบบแถบ ซึ่งแบ่งชั้นเดียวออกเป็นแถบขนานและให้เลเซอร์วิ่งไปกลับตามทิศทางคงที่ การสแกนแบบกระดานหมากรุก ซึ่งแบ่งชั้นเดียวออกเป็นเกาะขนาดเล็กหลายส่วน ภายในเกาะเติมแบบงูเลื้อย และสลับทิศทางการสแกนระหว่างเกาะข้างเคียง และการแบ่งโซนแบบเกาะในสเกลที่ใหญ่กว่า การสแกนแบบแถบมีเส้นทางยาวที่สุดและมีความต่อเนื่องดี แต่ความร้อนสะสมตามทิศทางเดียว ทำให้เกิดการหดตัวแบบมีทิศทางได้ง่าย ส่วนการสแกนแบบกระดานหมากรุกใช้เส้นทางสั้นร่วมกับการสลับทิศทางเพื่อตัดการไหลของความร้อน จึงเป็นแนวทางหลักในการควบคุมการโก่งงอ ในงานวิศวกรรม ขนาดเกาะมักอยู่ที่ 5 ถึง 10 มม. หากเล็กเกินไปจะเพิ่มพื้นที่ซ้อนทับและทำให้ผงกระเด็นรุนแรงขึ้น
สอง มุมหมุนระหว่างชั้น: กุญแจในการแยกความเค้นตกค้าง
การหมุนทิศทางการสแกนทีละชั้นเป็นวิธีสำคัญในการลดแอนไอโซทรอปีและความเค้นระหว่างชั้น ค่าคลาสสิกคือ 67 องศา ซึ่งใกล้เคียงกับมุมทอง เมื่อเทียบกับการหมุน 90 องศาคงที่ระหว่างชั้น การหมุน 67 องศาสามารถกระจายเท็กซ์เจอร์ได้โดยมีการทำซ้ำเป็นคาบน้อยกว่า ทำให้ทิศทางความเค้นของชั้นที่ติดกันไม่ซ้อนทับกัน และลดการดัดงอสะสม ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า สำหรับชิ้นงานผนังบาง AlSi10Mg การหมุนระหว่างชั้น 67 องศาสามารถลดค่าสูงสุดของความเค้นตกค้างตามแนวยาวได้ประมาณ 30% และลดการโก่งงอได้ประมาณ 25% เมื่อเทียบกับ 0 องศา หรือทิศทางเดียวกัน อย่างไรก็ตาม มุมหมุนไม่ได้ยิ่งมากยิ่งดี แต่ต้องทำงานร่วมกับขนาดเกาะและความหนาแน่นพลังงาน
สาม ขอบเขตการจับคู่ระหว่างความหนาแน่นพลังงานและพารามิเตอร์การสแกน
กลยุทธ์การสแกนต้องอยู่ภายในหน้าต่างความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรที่เหมาะสม ยกตัวอย่าง 316L ช่วง VED ทั่วไปคือ 50 ถึง 80 J ต่อลูกบาศก์มิลลิเมตร ซึ่งสอดคล้องกับกำลังเลเซอร์ 200 ถึง 280 W ความเร็วการสแกน 800 ถึง 1200 มม. ต่อวินาที ขนาดจุดเลเซอร์ 0.1 มม. และความหนาชั้น 30 ไมครอน ระยะห่างการเติมภายในเกาะมักกำหนดที่ 3 ถึง 4 เท่าของขนาดจุดเลเซอร์ หรือประมาณ 0.10 ถึง 0.14 มม. หากความหนาแน่นพลังงานสูงเกินไป อาจทำให้เกิดการจับตัวเป็นเม็ดและรูพรุน หากต่ำเกินไปจะเกิดการหลอมไม่สมบูรณ์ การปรับกลยุทธ์การสแกน เช่น เกาะขนาดเล็กแบบกระดานหมากรุก จะเปลี่ยนการระบายความร้อนเฉพาะที่ ดังนั้นหลังเปลี่ยนกลยุทธ์จึงต้องทำการสอบเทียบหน้าต่างกระบวนการใหม่ ไม่ควรนำพารามิเตอร์ของการสแกนแบบแถบมาใช้โดยตรง
สี่ การช่วยควบคุมสนามอุณหภูมิ: การอุ่นฐานและอุณหภูมิระหว่างชั้น
ต้นเหตุของความเค้นตกค้างคือเกรเดียนต์อุณหภูมิที่รุนแรงของบ่อหลอม การอุ่นฐานให้ถึง 120 ถึง 200 องศาเซลเซียส โดยโลหะผสมไทเทเนียมอาจสูงกว่านี้ สามารถลดความแตกต่างของอุณหภูมิได้อย่างชัดเจน ทำให้ระดับความเค้นลดลง 20% ถึง 40% และลดความเสี่ยงการแตกร้าวในเวลาเดียวกัน อุปกรณ์บางรุ่นนำการรักษาอุณหภูมิระหว่างชั้นหรือการไหลเวียนของก๊าซเฉื่อยมาใช้ เพื่อให้อุณหภูมิระหว่างชั้นคงที่ เมื่อพิมพ์ชิ้นงานผนังบางขนาดใหญ่หรือวัสดุที่แตกร้าวง่าย เช่น Inconel และ Ti6Al4V การใช้การอุ่นฐานร่วมกับการสแกนแบบกระดานหมากรุกมักมีประสิทธิภาพมากกว่าการปรับกำลังเพียงอย่างเดียว อย่างไรก็ตาม ต้องระวังว่าการอุ่นสูงเกินไปอาจลดการดูดกลืนเลเซอร์ของผงและเร่งการเกิดออกซิเดชัน จึงควรควบคุมให้อยู่ในหน้าต่างกระบวนการของวัสดุ
ห้า การตรวจสอบและอนุมัติกลยุทธ์การสแกน
การเปลี่ยนแปลงกลยุทธ์การสแกนใด ๆ ควรได้รับการอนุมัติด้วยตัวชี้วัดที่วัดได้ เช่น ใช้เครื่องวัดพิกัดสามมิติเพื่อเปรียบเทียบความคลาดเคลื่อนระหว่างรูปร่างจริงกับแบบจำลองดิจิทัล ใช้การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์หรือวิธีเจาะรูตื้นเพื่อวัดการกระจายของความเค้นตกค้าง และใช้ CT อุตสาหกรรมเพื่อตรวจสอบการหลอมไม่สมบูรณ์และรูพรุนบริเวณขอบเกาะ แนะนำให้สร้างแฟ้มข้อมูลที่เชื่อมโยงกลยุทธ์ พารามิเตอร์ และชิ้นทดสอบเข้าด้วยกัน และทำการรับรองชิ้นแรกสำหรับชิ้นส่วนสำคัญ เมื่อมีการเปลี่ยนวัสดุหรือช่วงความหนาผนังในการผลิตจำนวนมาก ควรดำเนินการตรวจสอบกระบวนการใหม่ เพื่อหลีกเลี่ยงการนำประสบการณ์ที่สำเร็จกับวัสดุหนึ่งไปใช้กับวัสดุอื่นโดยตรง
สรุป
กลยุทธ์การสแกน SLM ไม่ใช่การเลือกเส้นทางอย่างโดดเดี่ยว แต่เป็นระบบกระบวนการที่ประกอบด้วยความหนาแน่นพลังงาน การหมุนระหว่างชั้น และการอุ่นฐานร่วมกัน การแบ่งโซนแบบกระดานหมากรุกช่วยควบคุมการโก่งงอ การหมุนระหว่างชั้น 67 องศาช่วยแยกความเค้น VED ที่เหมาะสมช่วยรับประกันการหลอมติด และการอุ่นฐานช่วยลดเกรเดียนต์อุณหภูมิ เมื่อนำองค์ประกอบเหล่านี้เข้าสู่กระบวนการตรวจสอบมาตรฐาน จึงจะสามารถรักษาความหนาแน่นของชิ้นงาน พร้อมควบคุมความเสี่ยงด้านการเสียรูปและการแตกร้าวให้อยู่ในขอบเขตที่จัดการได้ ในการผลิตจำนวนมากด้วยการพิมพ์ 3 มิติโลหะ lantu3D ใช้การจัดการกลยุทธ์การสแกนอย่างเป็นระบบเช่นนี้เพื่อให้ส่งมอบงานได้อย่างมีเสถียรภาพ
ส่งโมเดล แบบแปลน รูปภาพ หรือบันทึกเป็นลายลักษณ์อักษร วิศวกรจะตรวจสอบวัสดุ กระบวนการ การตกแต่ง และการส่งมอบตามการใช้งานจริง