สาขาการประยุกต์ใช้และการพัฒนาการพิมพ์ 3 มิติโลหะผสมไทเทเนียม

ไทเทเนียมเป็นหนึ่งในโลหะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) และใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ การเปลี่ยนข้อต่อและเครื่องมือผ่าตัด เฟรมรถแข่งและจักรยาน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และผลิตภัณฑ์ประสิทธิภาพสูงอื่นๆ ไทเทเนียมและโลหะผสมไทเทเนียมเป็นที่นิยมในอุตสาหกรรมต่างๆ เนื่องจากมีความแข็งแรงเชิงกลสูง อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง และทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าเหล็กกล้าไร้สนิม การใช้วัสดุนี้สามารถทำให้จรวดและเครื่องบินมีน้ำหนักเบาขึ้น ช่วยประหยัดเชื้อเพลิงและเพิ่มความสามารถในการบรรทุก นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีน้ำหนักเบา เช่น สมาร์ทโฟนและแว่น VR รวมถึงอุปกรณ์ฝังทางการแพทย์ ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อรวมคุณสมบัติพื้นฐานของไทเทเนียมเข้ากับความสามารถเฉพาะตัวของการพิมพ์ 3 มิติ ข้อดีก็จะยิ่งชัดเจนมากขึ้น ดังนั้น การใช้งานเฉพาะของการพิมพ์ 3 มิติด้วยไทเทเนียมมีอะไรบ้าง และไทเทเนียมที่ใช้กันทั่วไปมีอะไรบ้าง เครื่องพิมพ์มีวางจำหน่ายในตลาดแล้วหรือยัง?

△ชิ้นส่วนไทเทเนียมที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

ข้อต่อสะโพกจาก GE Additive, ใบพัดพัดลมจาก Sciaky, ปลายจรวดจาก Arcam Darker, ชิ้นส่วนโครงสร้างตาข่ายไทเทเนียมจาก 3D Systems, สเตนต์ไทเทเนียมจาก EOS, อุปกรณ์ปลูกถ่ายกระดูกสันหลังสำหรับการผ่าตัดจาก Zenith Tecnica

การพิมพ์ 3 มิติ การพิมพ์ 3 มิติช่วยให้การผลิตไทเทเนียมมีประสิทธิภาพมากขึ้น พร้อมทั้งลดของเสียจากวัตถุดิบ เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ การพิมพ์ 3 มิติโลหะจึงมักใช้วัสดุเฉพาะที่จำเป็นในการสร้างชิ้นส่วนเท่านั้น พร้อมกับวัสดุโครงสร้างรองรับในปริมาณที่ค่อนข้างน้อย การพิมพ์ 3 มิติยังช่วยให้สามารถออกแบบที่ซับซ้อนได้ เช่น ช่องภายใน และชิ้นส่วนกลวงหรือชิ้นส่วนที่มีโครงสร้างเป็นตาข่ายเพื่อลดน้ำหนัก ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีการผลิตอื่นๆ เนื่องจากไม่ต้องใช้แม่พิมพ์หรือเครื่องมือ การพิมพ์ 3 มิติไทเทเนียมจึงสามารถสร้างชิ้นส่วนเฉพาะบุคคลได้อย่างคุ้มค่า เช่น อุปกรณ์ฝังในร่างกายเฉพาะบุคคล ต้นแบบ และเครื่องมือวิจัย มีตัวอย่างมากมายนับไม่ถ้วนของการพิมพ์ 3 มิติไทเทเนียมเพื่อพัฒนาการผลิต การดูแลสุขภาพ การสำรวจอวกาศ และอื่นๆ อีกมากมาย

การพิมพ์ 3 มิติโลหะผสมไทเทเนียม

△ในปี 2023 Panerai ได้เปิดตัว Submersible S Brabus PAM01283 ที่มาพร้อมตัวเรือนไทเทเนียมพิมพ์ 3 มิติ ภาพด้านขวาแสดงให้เห็นว่า Holthinrichs Deconstructed ได้เปิดตัวนาฬิกาไทเทเนียมพิมพ์ 3 มิติเรือนแรก

การพิมพ์ 3 มิติด้วยไทเทเนียมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายแล้วในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่หลากหลาย ตั้งแต่อุปกรณ์ทางการแพทย์ จักรยานสมรรถนะสูง นาฬิกาหรู และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค โดยหวังว่าจะได้ผลิตภัณฑ์ที่มีน้ำหนักเบาแต่แข็งแรง ผ่านการออกแบบที่สร้างสรรค์และมักเป็นแบบเฉพาะบุคคล

● ผลิตภัณฑ์ที่มีความแม่นยำสูงและผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์

การพิมพ์ 3 มิติสามารถผลิตชิ้นส่วนไทเทเนียมที่มีผนังบางและซับซ้อนได้ ซึ่งมักใช้ในการผลิตตัวเรือนนาฬิกา เช่น นาฬิกา Panerai และ Holthinrichs ที่แสดงอยู่ด้านบน มีรายงานว่าตัวเรือนนาฬิกาโลหะผสมไทเทเนียมจะเป็นส่วนประกอบหนึ่งของ Apple Watch Ultra ในอนาคตอันใกล้นี้

△ฝาครอบบานพับโลหะผสมไทเทเนียมพิมพ์ 3 มิติที่ใช้ในสมาร์ทโฟนพับได้ Honor Magic V2 รุ่นปี 2023

ในปี 2023 บริษัท Honor ผู้ผลิตสมาร์ทโฟน ได้เปิดตัวสมาร์ทโฟนพับได้รุ่นใหม่ Magic V2 ซึ่งมีฝาปิดแบบบานพับที่ทำจากไทเทเนียมพิมพ์ 3 มิติ ทำให้มีน้ำหนักเบาและแข็งแรงกว่ารุ่นอะลูมิเนียมก่อนหน้านี้ถึง 150% Honor กล่าวว่าชิ้นส่วนไทเทเนียมขนาดเล็กนี้ ซึ่งสามารถพิมพ์ 3 มิติได้หลายหมื่นชิ้น เป็นกุญแจสำคัญต่อความทนทานและการพับและกางที่ราบรื่นของผลิตภัณฑ์

● อุปกรณ์ฝังทางการแพทย์และทันตกรรม

△ระบบตัวคั่นกระดูกไทเทเนียมพิมพ์ 3 มิติ Construx Mimi Ti Spacer System ของ American Orthofix Medical ได้รับการอนุมัติจากองค์การอาหารและยาแห่งสหรัฐอเมริกา (US FDA) ในปี 2021

ในอุตสาหกรรมการแพทย์ การปลูกถ่ายไทเทเนียมที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิติประสบความสำเร็จในการใช้งานด้านกระดูกสันหลัง สะโพก เข่า และแขนขา เนื่องจากคุณสมบัติทางชีวภาพที่ดีเยี่ยมและคุณสมบัติทางกลที่ดีของโลหะ ประกอบกับความสามารถในการพิมพ์โครงสร้างที่มีรูพรุนแบบกำหนดเอง (ซึ่งช่วยให้เกิดการเชื่อมต่อกับกระดูก) และการปรับแต่งตามความต้องการเฉพาะบุคคลเพื่อผลลัพธ์ที่ดีขึ้นสำหรับผู้ป่วย การปลูกถ่ายไทเทเนียมที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิติกำลังได้รับการอนุมัติจากหน่วยงานกำกับดูแลและมีความต้องการเพิ่มมากขึ้น เนื่องจากอุปกรณ์ปลูกถ่ายทางการแพทย์ส่วนใหญ่ผลิตขึ้นเพื่อรองรับผู้คนจำนวนมากที่มีอาการเดียวกัน จึงไม่เหมาะสมสำหรับทุกคน ผู้ป่วยที่มีโรคหายากมักถูกยกเว้น แต่ในปัจจุบัน ด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ทำให้สามารถผลิตอุปกรณ์ปลูกถ่ายที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับผู้ป่วยแต่ละรายได้แล้ว

ในปี 2023 ศัลยแพทย์ในสหราชอาณาจักรได้ทำการผ่าตัดข้อมือ 4 รายในวันเดียวกัน โดยใช้แผ่นไทเทเนียมที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบเฉพาะบุคคลเพื่อแก้ไขความผิดรูปของข้อมือที่แตกหักก่อนหน้านี้ ดร. อัคเชย์ มัลโฮตรา ศัลยแพทย์กระดูกและข้อผู้เชี่ยวชาญและหัวหน้าคลินิกด้านมือและข้อมือ กล่าวว่า “เมื่อกระบวนการวางแผนเสร็จสมบูรณ์แล้ว แผ่นโลหะแบบเฉพาะบุคคลจะถูกพิมพ์โดยใช้ผงไทเทเนียม จากนั้นทำการทดสอบ จัดส่งไปยังสหราชอาณาจักร และฆ่าเชื้อที่โรงพยาบาลประจำมณฑลเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการผ่าตัด”

△สกรูไทเทเนียมที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิติของ CoreLink มีโครงสร้างเป็นรูพรุนที่ช่วยส่งเสริมการเจริญเติบโตของกระดูก และข้อต่อไทเทเนียมเฉพาะบุคคลแบบใหม่ของ FingerKit Consortium

ในปี 2022 แพทย์ที่โรงพยาบาลมานิปาลในประเทศอินเดีย ใช้ไทเทเนียมที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ในการรักษาผู้ป่วยมะเร็งที่มีเนื้องอกทำลายทรวงอก โดยทั่วไปแล้ว การฝังวัสดุขนาดนี้จะมีน้ำหนักมากเกินไปสำหรับร่างกายมนุษย์ แต่เนื่องจากไทเทเนียมมีน้ำหนักเบาและแข็งแรงมาก มีน้ำหนักน้อยกว่า 250 กรัม จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการพิมพ์เป็นวัสดุฝังในร่างกาย ด้วยความสำเร็จของการฝังวัสดุด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ผู้ป่วยจึงหายเป็นปกติและสามารถกลับไปใช้ชีวิตตามปกติได้โดยไม่ต้องพึ่งเครื่องช่วยหายใจ

△ด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติไทเทเนียม Angel Cycle Works สามารถลดน้ำหนักและปรับปรุงการออกแบบของจักรยาน Heaven รุ่นใหม่ได้อย่างมีนัยสำคัญ

การพิมพ์ 3 มิติด้วยไทเทเนียมเป็นเรื่องปกติในจักรยานสมรรถนะสูงในปัจจุบัน ไทเทเนียมถูกใช้ในขาจาน คันเบรก สเต็ม ตัวยึดตีนผี และแม้แต่เฟรมจักรยานทั้งชุด ไทเทเนียมมีความแข็งแรงเท่ากับอลูมิเนียมและเบาเท่ากับคาร์บอนไฟเบอร์ โดยไม่มีปัญหาเรื่องความยั่งยืนของคาร์บอนไฟเบอร์ ผู้ผลิตจักรยาน Carbon Wasp อธิบายว่าทำไมพวกเขาจึงเลิกใช้อลูมิเนียมและคาร์บอนไฟเบอร์ แล้วหันมาใช้ไทเทเนียมที่พิมพ์ 3 มิติในการผลิตขาจานสำหรับจักรยานรุ่นใหม่ล่าสุด Carbon Wasp กล่าวว่า “เราคิดค้นวิธีการสร้างสรรค์มากมายเพื่อยึดขาจานเข้ากับเพลาเกียร์โดยไม่บีบคาร์บอนไฟเบอร์ แต่ก็มักจะมีชิ้นส่วนโลหะแทรกอยู่ และการติดกาวชิ้นส่วนเหล่านั้นเข้ากับคาร์บอนไฟเบอร์ก็มีปัญหา หลังจากทดลองสร้างต้นแบบแล้ว Carbon Wasp พบว่าขาจานไทเทเนียมที่พิมพ์ 3 มิติและมีโครงสร้างแบบตาข่ายนั้นเบาเท่ากับคาร์บอน แต่แข็งแรงกว่าในบริเวณที่รับแรงกระแทกได้ดีมาก เรายังคงคิดว่าคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานอื่นๆ อีกมากมาย รวมถึงเฟรม แต่เรากำลังพัฒนาชิ้นส่วนไทเทเนียมอื่นๆ อยู่แล้ว”

พูดถึงเฟรมจักรยานแบบเต็มเฟรม บริษัทผู้ผลิตจักรยาน Angel Cycle Works กล่าวว่าพวกเขาได้พิมพ์เฟรมไทเทเนียมทั้งหมดด้วยเทคโนโลยี 3D Printing โดยใช้ชิ้นส่วนน้ำหนักเบาเพียงชิ้นเดียว ซึ่งช่วยลดเวลาในการแข่งขันได้หลายวินาทีและทำให้สามารถออกแบบรูปทรงเรขาคณิตใหม่ๆ ได้ จักรยานซูเปอร์ไบค์รุ่นใหม่ของพวกเขาที่ชื่อว่า Heaven มีน้ำหนักเบากว่ารุ่นก่อนถึง 400 กรัม ส่วนอีกเฟรมอัลลอยไทเทเนียมทั้งหมดที่ Pilot เปิดตัวในปีนี้คือ Pilot Seiren เฟรมของจักรยานเสือหมอบรุ่นนี้พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3D Printing จากไทเทเนียมทั้งหมด (แบ่งออกเป็นสามส่วน) บริษัทกล่าวว่าการพิมพ์ไทเทเนียมด้วยเทคโนโลยี 3D Printing ช่วยให้สามารถปรับแต่งจักรยานให้ตรงกับความต้องการของผู้ขี่ได้ และเฟรมไม่จำเป็นต้องทาสีหรือเคลือบใดๆ

△บริษัทผลิตจักรยาน Mythos นำเสนอชิ้นส่วนไทเทเนียมที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิติหลากหลายรุ่นให้แก่ลูกค้า รวมถึงแฮนด์จักรยานเหล่านี้ ในขณะที่ Verve Cycling (ด้านขวา) นำเสนอขาจานไทเทเนียมที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิติรุ่นใหม่

△บริษัท GKN Aerospace วางแผนที่จะเพิ่มเครื่องพิมพ์ 3 มิติไทเทเนียมขนาดใหญ่เครื่องใหม่เข้าไปในโรงงานที่รัฐเท็กซัส

△เนื่องจาก NASA ต้องการเพียงชิ้นเดียว การพิมพ์ชิ้นส่วนไทเทเนียมแบบ 3 มิติสำหรับแขนกลที่ใช้บนดวงจันทร์จึงสมเหตุสมผลกว่าการผลิตแบบดั้งเดิม

● การผลิต

บริษัท ASML ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ กำลังใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ แทนการตีขึ้นรูปถาดรองไทเทเนียม (ที่ใช้ในการผลิตเวเฟอร์) ซึ่งช่วยประหยัดวัตถุดิบได้ถึง 64% และส่งมอบได้เร็วกว่า บริษัท Norsk Titanium ซึ่งเป็นบริษัทผลิตโลหะด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ DED (Directed Energy Deposition) กำลังพิมพ์ชิ้นงานขึ้นรูปใกล้เคียงกับรูปทรงสุดท้าย (near-net shape preforms) น้ำหนัก 80 กิโลกรัม (ประมาณ 176 ปอนด์) ด้วยโลหะผสม Ti64 สำหรับใช้ในการผลิตเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์

△ ตัวยึดดุมล้ออัลลอยไทเทเนียมพิมพ์ 3 มิติ ผลิตโดยมหาวิทยาลัยวอชิงตัน

△ผงไทเทเนียม

บริษัทหลายแห่ง รวมทั้ง Virtual Foundry นำเสนอเส้นลวดไทเทเนียมสำหรับงานพิมพ์แบบ FDM (Fused Deposition Modeling) ที่ใช้หัวฉีด วัสดุนี้ประกอบด้วยผงโลหะฝังอยู่ใน PLA และสามารถพิมพ์ได้โดยใช้เครื่องพิมพ์ FDM ที่อุณหภูมิหัวฉีดสูงกว่า 205 °C หลังจากผ่านกระบวนการหลังการผลิตและการเผาผนึกแล้ว เส้นใยเหล่านี้สามารถผลิตชิ้นส่วนโลหะที่มีปริมาณโลหะมากกว่า 90% ทำให้เหมาะสำหรับการสร้างต้นแบบ

△ห้องปฏิบัติการพิมพ์โลหะ 3 มิติของมหาวิทยาลัย ศูนย์วิจัยและใช้งานวัสดุที่อุดมสมบูรณ์ของโลกแห่งวอชิงตัน ผลิตชิ้นส่วนจากไทเทเนียม

กล่าวโดยสรุป การพัฒนาในอนาคตของไทเทเนียมที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิติเต็มไปด้วยความหวัง และจะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในหลายสาขา ผ่านนวัตกรรมทางเทคโนโลยีและการขยายการใช้งานอย่างต่อเนื่อง ไทเทเนียมที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3 มิติจะนำเสนอชิ้นส่วนโลหะที่สะดวก รวดเร็ว และมีคุณภาพสูงยิ่งขึ้นสู่สังคม