ทีมนักวิจัยนำโดย NIST (National Institute of Standards and Technology) ได้ตีพิมพ์เผยแพร่งานวิจัยการผลิตชิ้นงานเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยการพิมพ์ 3 มิติสำเร็จเป็นครั้งแรกของโลก

เหล็กกล้าไร้สนิมหรือที่บ้านเราเรียกกันแบบติดปากว่า “สแตนเลส” ซึ่งเป็นคำที่ทับศัพท์จากภาษาอังกฤษ “stainless steel” เป็นวัสดุโลหะผสมที่พัฒนาต่อยอดมาจากเหล็กกล้าอันหมายถึงเหล็กที่ส่วนผสมของคาร์บอนราว 0.2-2.1% ด้วยการเติมโครเมียมเพิ่มเข้าไปในสัดส่วนไม่ต่ำกว่า 10% โดยมวล และอาจเติมโลหะประเภทอื่นเพิมเติม ทำให้เหล็กกล้ามีคุณสมบัติทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดียิ่งขึ้น

โดยปกติแล้วการผลิตชิ้นงานด้วยเหล็กกล้าไร้สนิมต้องใช้กรรมวิธีการหล่อและตัด, เจาะ, กลึง เฉกเช่นชิ้นงานโลหะทั่วไป แต่เมื่อทีมวิจัยสามารถพิมพ์ชิ้นงานได้ นั่นทำให้การผลิตชิ้นงานด้วย “รูปทรงที่ไม่อาจหล่อได้” สามารถเกิดขึ้นได้ในอนาคต (สำหรับใครที่สงสัยว่า “มีด้วยหรือ? รูปทรงชิ้นงานที่ไม่อาจผลิตได้หากปราศจากเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ?” สามารถดูตัวอย่างที่ชัดเจนได้จากอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนที่มีพื้นผิวสำหรับการถ่ายเทความร้อนเป็นช่องสลับซับซ้อนได้จากตัวอย่างเหล่านี้)

ทีมวิจัยได้วางแผนพิมพ์ชิ้นงานโลหะผสม 17-4 PH (หรือที่หลายคนเรียกว่าสแตนเลส 630) ซึ่งเป็นวัสดุเกรดสำหรับใช้งานกับอากาศยาน, เรือบรรทุกสินค้า, โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ ตลอดจนชิ้นส่วนเพื่อเครื่องจักรและอุปกรณ์อื่นที่มีความสำคัญ โดยเริ่มจากการศึกษาเนื้อวัสดุโลหะผสม 17-4 PH ด้วยเทคนิค XRD (ย่อมาจาก X-ray diffraction) ซึ่งทำโดยการใช้ลำแสงเลเซอร์ให้ความร้อนแก่เนื้อวัสดุจนหลอมละลายแล้วยิงรังสี X ไปยังวัสดุที่หลอมละลายนั้นแล้วสังเกตดูการกระเจิงของรังสี X อันจะทำให้ทราบถึงขนาดของและรูปแบบของผลึกโลหะในเนื้อวัสดุที่รับการทดสอบ

หลังจากนั้นทีมวิจัยก็ปรับแต่งการพิมพ์โดยควบคุมอุณหภูมิการพิมพ์โดยมีเป้าหมายเพื่อให้ชิ้นงานที่ได้มีลักษณะโครงสร้างผลึกโลหะตรงตามความต้องการ และมีสัดส่วนของเหล็ก, นิคเกิล, ทองแดล, ไนโอเบียม และโครเมียมตรงตามที่ควรจะเป็น จากนั้นจึงนำชิ้นส่วนที่พิมพ์ขึ้นไปตรวจสอบด้วยเทคนิค XRD เปรียบเทียบกับข้อมูลอ้างอิงในตอนแรกและปรับแต่งค่าต่างๆ ของเครื่องพิมพ์จนได้เนื้อวัสดุที่มีคุณสมบัติเทียบเคียงกับชิ้นงานโลหะผสม 17-4 PH ที่ขึ้นรูปด้วยวิธีการตามปกติ

ซ้าย: ภาพอธิบายเทคนิคการตรวจสอบเนื้อวัสดุแบบ XRD, กลาง: ผลการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค XRD, ขวา: ภาพแสดงโครงสร้างผลึกโลหะในเนื้อชิ้นงานที่พิมพ์ขึ้น

นอกจากทีมนักวิจัยของ NIST แล้วงานนี้ยังมีทีมจาก University of Wisconsin-Madison และ Argonne National Laboratory ร่วมพัฒนาค้นคว้าด้วย โดยสามารถเข้าไปอ่านรายละเอียดเพิ่มเติมของงานวิจัยได้ที่นี่

ที่มา – NIST ผ่าน Interesting Engineering