การศึกษาและพัฒนาแบบจำลองคอมพิวเตอร์ทางพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณของกระบวนการพิมพ์ขึ้นรูปโลหะสามมิติ

บทคัดย่อ

กระบวนการพิมพ์สามมิติแบบหลอมผงโลหะด้วยเลเซอร์ Selective Laser Melting, SLM ซึ่งจะมีลักษณะการทำงานเพื่อขึ้นรูปชิ้นงานโลหะ ด้วยการหลอมละลายโลหะผงที่ถูกวางเตรียมไว้ ด้วยความร้อนจากแหล่งพลังงานเลเซอร์ ให้หลอมละลายติดกันเป็นชั้นโลหะผง เรียงกันขึ้นไปทีละชั้นในแนวตั้ง (Layer by Layer manner) จนกระทั่งเป็นชิ้นงานสามมิติ อย่างไรก็ตาม ในระหว่างการขึ้นรูปชิ้นงานของกระบวนการ SLM โดยอาศัยการหลอมละลายโลหะผงด้วยเลเซอร์ จะมีความเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์และกลไกทางโลหะวิทยาเชิงลึก เช่น การถ่ายเทความร้อน (Heat transfer) สภาพการไหลของโลหะเหลว (Molten metal flow) การเปลี่ยนแปลงเฟสของวัสดุ (Phase transformation) การแข็งตัวของโลหะอย่างรดเร็ว (rapid solidification) เป็นต้น ซึ่งปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์เหล่านี้ จะสามารถส่งผลกระทบต่อคุณภาพของชิ้นงานสำเร็จ และการเกิดขึ้นของสิ่งบกพร่อง เช่น คุณลักษณะของบ่อหลอมละลาย (Melt pool characteristic), ความหนาแน่น (Density), สมบัติเชิงกล (Mechanical Properties) และโครงสร้างจุลภาคของวัสดุ (Microstructure) เป็นต้น โครงการวิจัยนี้มุ่งศึกษาและพัฒนาแบบจำลองทางพลศาตร์ของไหลเชิงคำนวณ ของกระบวนการพิมพ์โลหะสามมิติด้วย เพื่อใช้อธิบายปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์เชิงลึกและกลไกทางโลหะวิทยาที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการพิมพ์โลหะสามมิติ SLM และทำนายผลกระทบของพารามิเตอร์กระบวนการ อาทิเช่น พลังงานเลเซอร์ (Laser power), ความเร็วในการสแกน (Scanning speed), และความสูงของชั้นโลหะผง (Layer thickness) ที่ส่งผลต่อพฤติกรรมทางความร้อน (Thermal behaviors) และคุณลักษณะของเส้นหลอมละลาย (Solidified track characteristics) ของวัสดุเหล็กเครื่องงานร้อน H13 ตัวอย่างของผลลัพธ์ที่ได้จากงานวิจัยนี้ 1) ผลลัพธ์ที่ได้จากแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์มีความสอดคล้องกับผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลอง และมีค่าความคลาดเคลื่อน (Error) ต่ำกว่า 5 % 2) น้ำโลหะหลอมเหลวจะมีพฤติกรรมแบบ Backward flow จากบริเวณกึ่งกลางของบ่อหลอมละลายไปสู่บริเวณที่น้ำโลหะเกิดการเย็นตัว เนื่องด้วย surface tension และMarangoni effect 3) การกระจายตัวของอุณหภูมิของกรณีศึกษาที่ใช้กำลังเลเซอร์ที่สูงและความเร็วในการสแกนที่ต่ำ สามารถขยายตัวไปได้กว้างกว่า กรณีศึกษาที่ใช้กำลังเลเซอร์ที่ต่ำและความเร็วในการสแกนที่สูง 4) บ่อหลอมละลายที่มีรูปร่างสม่ำเสมอในลักาณะของหยดน้ำ (Uniform tear-drop) และมีการซึมลึกที่สมบูรณ์ (Sufficient penetration depth) เกิดขึ้นเมื่อทำการจับคู่ค่าพารามิเตอร์ที่ใช้สำหรับการขึ้นรูปที่ กำลังเลเซอร์ 200 W ความเร็วในการสแกน 1,000 mm/s, กำลังเลเซอร์ 250 W ความเร็วในการสแกน 1,000 mm/s และกำลังเลเซอร์ 250 W และความเร็วในการสแกน 1,000 mm/s และ5) เมื่อค่าความสูงของชั้นโลหะผงเพิ่มขึ้น โลหะผงที่อยู่บริเวณด้านล่างของชั้นโลหะผง จะสามารถดูดซับพลังงานได้เพียงเล็กน้อย ซึ่งนำไปสู่การหลอมละลายที่ไม่สมบูรณ์ (Incomplete melting) ระหว่างผงโลหะกับแผ่น Substrate ซึ่งเป็นผลให้เกิดการยึดติดที่ไม่สมบูรณ์ และนำไปสู่การเกิดสิ่งบกพร่องในชิ้นงานสำเร็จ ผลลัพธ์ที่ได้รับการวิจัยนี้ สามารถเป็นข้อมูล scientific guidance สำหรับการเลือกและกำหนดค่าพารามิเตอร์กระบวนการ (Process parameters) ในการขึ้นรูปชิ้นงานวัสดุเครื่องมืองานร้อน H13 เพื่อให้ได้รับชิ้นงานสำเร็จที่มีคุณภาพที่ดี และไม่มีสิ่งบกพร่องเกิดขึ้น

คำสำคัญ