เราทุกคนเคยสร้างปราสาททรายบนชายหาดกันมาแล้ว ไม่ว่าจะเป็นกำแพงที่แข็งแกร่ง หอคอยที่สง่างาม หรือคูน้ำที่เต็มไปด้วยฉลาม ถ้าคุณเป็นเหมือนฉัน คุณคงจะแปลกใจว่าน้ำเพียงเล็กน้อยก็สามารถเกาะตัวกันได้ดีแค่ไหน—อย่างน้อยก็จนกว่าพี่ชายของคุณจะมาและเตะมันด้วยความสนุกสนานอย่างบ้าคลั่ง
แดน เกลบาร์ต ผู้ประกอบการ ก็ใช้น้ำในการเชื่อมวัสดุเช่นกัน แม้ว่าการออกแบบของเขาจะทนทานกว่าของประดับตกแต่งชายหาดในวันหยุดสุดสัปดาห์มากก็ตาม
ในฐานะประธานและผู้ก่อตั้งบริษัท Rapidia Tech Inc. ซึ่งเป็นผู้จัดจำหน่ายระบบการพิมพ์ 3 มิติโลหะในแวนคูเวอร์ รัฐบริติชโคลัมเบีย และลิเบอร์ตี้วิลล์ รัฐอิลลินอยส์ เจลบาร์ตได้พัฒนากระบวนการผลิตชิ้นส่วนที่ขจัดขั้นตอนที่ใช้เวลานานซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของเทคโนโลยีคู่แข่ง ในขณะเดียวกันก็ทำให้การกำจัดส่วนรองรับง่ายขึ้นอย่างมาก
นอกจากนี้ ยังทำให้การเชื่อมต่อชิ้นส่วนหลายชิ้นเข้าด้วยกันง่ายขึ้นกว่าเดิม ง่ายกว่าการแช่ชิ้นส่วนในน้ำเล็กน้อยแล้วติดกาวเข้าด้วยกันเสียอีก แม้แต่ชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยวิธีการผลิตแบบดั้งเดิมก็ตาม
เจลบาร์ตได้กล่าวถึงความแตกต่างพื้นฐานบางประการระหว่างระบบที่ใช้น้ำเป็นตัวทำละลายกับระบบที่ใช้ผงโลหะที่มีส่วนผสมของแว็กซ์และโพลิเมอร์ 20% ถึง 30% (โดยปริมาตร) เครื่องพิมพ์ 3 มิติโลหะสองหัว Rapidia ผลิตวัสดุที่เป็นเนื้อครีมจากผงโลหะ น้ำ และสารยึดเกาะเรซินในปริมาณตั้งแต่ 0.3 ถึง 0.4%
เขาอธิบายว่า ด้วยเหตุนี้ กระบวนการกำจัดสารยึดเกาะที่จำเป็นในเทคโนโลยีคู่แข่ง ซึ่งมักใช้เวลาหลายวัน จึงถูกตัดออกไป และชิ้นส่วนสามารถส่งตรงไปยังเตาเผาผนึกได้เลย
กระบวนการอื่นๆ ส่วนใหญ่เป็นกระบวนการในอุตสาหกรรมการฉีดขึ้นรูป (MIM) ที่มีมาอย่างยาวนาน ซึ่งชิ้นส่วนที่ไม่ผ่านการเผาผนึกจะต้องมีสัดส่วนของโพลิเมอร์ค่อนข้างสูงเพื่อช่วยให้ชิ้นส่วนหลุดออกจากแม่พิมพ์ได้ง่าย” เจลบาร์ตกล่าว “อย่างไรก็ตาม ปริมาณโพลิเมอร์ที่จำเป็นในการเชื่อมชิ้นส่วนสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ นั้นมีน้อยมาก โดยในกรณีส่วนใหญ่เพียงหนึ่งในสิบของเปอร์เซ็นต์ก็เพียงพอแล้ว”
แล้วทำไมต้องดื่มน้ำ? เช่นเดียวกับตัวอย่างปราสาททรายที่เราใช้ทำกาว (ในกรณีนี้คือกาวโลหะ) โพลิเมอร์จะยึดชิ้นส่วนต่างๆ เข้าด้วยกันขณะที่แห้ง ผลลัพธ์ที่ได้คือชิ้นส่วนที่มีความสม่ำเสมอและความแข็งเหมือนชอล์กเขียนพื้น แข็งแรงพอที่จะทนต่อการกลึงหลังการประกอบ การกลึงอย่างเบามือ (แม้ว่า Gelbart จะแนะนำให้กลึงหลังการเผาผนึก) การประกอบร่วมกับชิ้นส่วนอื่นๆ ที่ยังไม่เสร็จด้วยน้ำ และการส่งเข้าเตาอบ
การกำจัดขั้นตอนการล้างคราบไขมันยังช่วยให้สามารถพิมพ์ชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่และผนังหนาขึ้นได้ เนื่องจากเมื่อใช้ผงโลหะที่ผสมกับโพลิเมอร์ โพลิเมอร์จะไม่สามารถ "ไหม้หมด" ได้หากผนังชิ้นส่วนหนาเกินไป
เจลบาร์ตกล่าวว่า ผู้ผลิตอุปกรณ์รายหนึ่งต้องการความหนาของผนังไม่เกิน 6 มิลลิเมตร “สมมติว่าคุณกำลังสร้างชิ้นส่วนที่มีขนาดประมาณเมาส์คอมพิวเตอร์ ในกรณีนั้น ภายในจะต้องเป็นโพรงหรืออาจเป็นแบบตาข่าย ซึ่งเหมาะสำหรับงานหลายประเภท แม้กระทั่งความเบาเป็นเป้าหมาย แต่ถ้าต้องการความแข็งแรงทางกายภาพ เช่น สลักเกลียวหรือชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงสูงอื่นๆ การฉีดผงโลหะหรือ MIM มักจะไม่เหมาะสม”
ภาพถ่ายท่อร่วมไอดีที่เพิ่งพิมพ์เสร็จใหม่ๆ แสดงให้เห็นถึงโครงสร้างภายในที่ซับซ้อนซึ่งเครื่องพิมพ์ Rapidia สามารถผลิตได้
เจลบาร์ทชี้ให้เห็นคุณสมบัติอื่นๆ ของเครื่องพิมพ์นี้อีกหลายประการ ตลับหมึกที่บรรจุสารละลายโลหะสามารถเติมใหม่ได้ และผู้ใช้ที่นำตลับหมึกกลับไปให้ Rapidia เพื่อเติมใหม่จะได้รับคะแนนสำหรับวัสดุที่ไม่ได้ใช้
มีวัสดุให้เลือกหลากหลาย รวมถึงสแตนเลส 316 และ 17-4PH, INCONEL 625, เซรามิก และเซอร์โคเนีย รวมถึงทองแดง ทังสเตนคาร์ไบด์ และวัสดุอื่นๆ อีกหลายชนิดที่อยู่ระหว่างการพัฒนา วัสดุรองรับ – ส่วนประกอบสำคัญในเครื่องพิมพ์โลหะหลายๆ รุ่น – ถูกออกแบบมาเพื่อพิมพ์บนพื้นผิวที่สามารถถอดออกหรือ “ระเหย” ได้ด้วยมือ ทำให้สามารถสร้างงานพิมพ์ภายในอาคารที่ปกติแล้วไม่สามารถทำซ้ำได้
บริษัท Rapidia ดำเนินธุรกิจมาได้สี่ปีแล้ว และต้องยอมรับว่าเพิ่งเริ่มต้นเท่านั้น “บริษัทกำลังค่อยๆ ปรับปรุงสิ่งต่างๆ ให้เรียบร้อย” เกลบาร์ตกล่าว
จนถึงปัจจุบัน เขาและทีมงานได้ติดตั้งระบบไปแล้ว 5 ระบบ รวมถึงระบบหนึ่งที่ศูนย์การเข้าถึงเทคโนโลยีเซลเคิร์ก (STAC) ในรัฐบริติชโคลัมเบีย นักวิจัยเจสัน เทย์เลอร์ ได้ใช้งานเครื่องนี้มาตั้งแต่ปลายเดือนมกราคม และพบข้อดีหลายประการเหนือกว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่มีอยู่เดิมของ STAC
เขาตั้งข้อสังเกตว่า ความสามารถในการ "เชื่อมชิ้นส่วนดิบเข้าด้วยกันด้วยน้ำ" ก่อนการเผาผนึกนั้นมีศักยภาพสูงมาก เขายังมีความรู้เกี่ยวกับปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการขจัดคราบไขมัน รวมถึงการใช้และการกำจัดสารเคมีด้วย แม้ว่าข้อตกลงการไม่เปิดเผยข้อมูลจะทำให้เทย์เลอร์ไม่สามารถเปิดเผยรายละเอียดส่วนใหญ่ของงานของเขาได้ แต่โครงการทดสอบแรกของเขานั้นเป็นสิ่งที่หลายคนอาจนึกถึงได้ นั่นคือ แท่งพิมพ์ 3 มิติ
“มันออกมาสมบูรณ์แบบเลยครับ” เขากล่าวพร้อมรอยยิ้ม “เราทำส่วนหน้าเสร็จ เจาะรูสำหรับแกน และตอนนี้ผมก็กำลังใช้งานมันอยู่ เราประทับใจกับคุณภาพของงานที่ทำได้ด้วยระบบใหม่นี้ เช่นเดียวกับชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยกระบวนการเผาผนึกทั้งหมด จะมีการหดตัวบ้างและอาจมีการคลาดเคลื่อนเล็กน้อย แต่เครื่องจักรก็ทำงานได้ดี เราสามารถชดเชยปัญหาเหล่านี้ได้ในการออกแบบอย่างสม่ำเสมอ”
รายงาน Additive Report มุ่งเน้นไปที่การใช้เทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing หรือ AM) ในกระบวนการผลิตจริง ผู้ผลิตในปัจจุบันใช้การพิมพ์ 3 มิติในการสร้างเครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ และบางรายยังใช้ AM สำหรับการผลิตในปริมาณมาก เรื่องราวของพวกเขาจะถูกนำเสนอในรายงานนี้