ตัวเร่งปฏิกิริยา (Catalysts) ถูกใช้งานภายในเครื่องปฏิกรณ์ (Reactors) เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาของก๊าซหรือของเหลว หรือช่วยเร่งให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นเร็วขึ้น ดังนั้นจึงมีความต้องการเฉพาะตัวในการสร้างสมดุลระหว่างพื้นที่ผิว (Surface Area) การไหลของสาร (Flow) และความทนทานต่อความร้อน (Heat Resistance) ในอดีต วิศวกรมักต้องยอมประนีประนอม โดยเลือกระหว่างโครงสร้างที่ช่วยให้เกิดการผสมได้ดี โครงสร้างที่มีความแข็งแรง หรือโครงสร้างที่สามารถผลิตได้อย่างง่ายดายและเชื่อถือได้ Sinto Advanced Ceramics (เดิมคือ Bosch Advanced Ceramics) ได้ตั้งเป้าหมายที่จะขจัดข้อจำกัดดังกล่าวด้วยการหันมาใช้เทคโนโลยีรูปแบบใหม่ นั่นคือ เซรามิกพิมพ์สามมิติจาก Formlabs

นับตั้งแต่ปี 2016 เป็นต้นมา Sinto Advanced Ceramics ได้ใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติเพื่อผลิตชิ้นส่วนเซรามิกสมรรถนะสูงที่มีรูปทรงเรขาคณิตซับซ้อนให้กับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ เคมี อากาศยาน และยานยนต์ เครื่องพิมพ์สามมิติระบบสเตอริโอลิโทกราฟี (SLA) ของ Formlabs ช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนบางประเภทได้อย่างคุ้มค่าด้านต้นทุนและสามารถขยายกำลังการผลิตได้ ตั้งแต่ขั้นตอนการสร้างต้นแบบไปจนถึงการผลิตแบบจำนวนมาก

ตัวแปลงปฏิกิริยาเร่ง (Catalytic Converter) สำหรับอุตสาหกรรมเคมี ซึ่งพิมพ์ด้วย Alumina 4N Resin บนเครื่องพิมพ์สามมิติระบบ SLA รุ่น Form 4 เป็นตัวอย่างที่แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) ที่มีความแม่นยำ ยืดหยุ่น และตอบสนองได้รวดเร็ว สำหรับ Sinto Advanced Ceramics.

ข้อกำหนดการออกแบบสำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาในระบบปฏิกรณ์เคมี

ตัวแปลงปฏิกิริยาเร่ง (Catalytic Converter) ถูกใช้ภายในเครื่องปฏิกรณ์ (Reactors) เพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาของก๊าซหรือของเหลว หรือช่วยเร่งให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นเร็วขึ้น อุปกรณ์นี้จำเป็นต้องสามารถรับภาระแรงทางกล (Mechanical Loads) ได้ภายใต้อุณหภูมิสูง ขณะเดียวกันก็ต้องมีพื้นที่ผิวมากกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาแบบดั้งเดิม ดังนั้น ความท้าทายสำคัญจึงอยู่ที่จุดตัดระหว่าง “วัสดุ” และ “โครงสร้าง”

โครงสร้างของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีกว่าจะช่วยให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นได้รวดเร็วขึ้น มีประสิทธิภาพสูงขึ้น และยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนได้ยาวนานขึ้น ซึ่งส่งผลให้สามารถลดต้นทุนและเพิ่มความยั่งยืนในกระบวนการผลิตทางเคมีได้

ในด้านการออกแบบ ตัวแปลงปฏิกิริยาเร่งจะต้องมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ มีคุณสมบัติในการไหลผ่านของสารที่ดี และสามารถผสมสารตั้งต้นที่เข้าทำปฏิกิริยา (Reactants) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปัญหาของตัวเร่งปฏิกิริยาแบบดั้งเดิมมีดังนี้

1. โครงสร้างรังผึ้งแบบอัดรีด (Extruded Honeycomb Structures) ไม่สามารถช่วยให้เกิดการผสมของสารที่เข้าทำปฏิกิริยาได้
2. โฟมแบบเปิด (Open Foams) มีพื้นที่ผิวที่ไม่แน่นอนและไม่สามารถระบุค่าได้อย่างชัดเจน
3. เตียงตัวเร่งปฏิกิริยาแบบบรรจุหลวม (Fixed Beds) ไม่เอื้อต่อการไหลของสาร

โครงสร้างเซลล์เปิดแบบเป็นคาบ (Periodic Open Cell Structure) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อประสิทธิภาพของตัวแปลงปฏิกิริยาเร่ง เนื่องจากทำหน้าที่เป็นโครงสร้างรองรับสำหรับวัสดุตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการทางเคมี

วิศวกรของ Sinto Advanced Ceramics ได้พัฒนาแนวทางแก้ไขปัญหานี้ด้วยการสร้าง “โครงสร้างเพชร” (Diamond Structure) ซึ่งประกอบด้วยคานค้ำยัน (Struts) ที่มีความหนาเพียง 2 มิลลิเมตร โดยเลียนแบบลักษณะพันธะอะตอมภายในผลึกเพชร ก๊าซหรือของเหลวจะไหลผ่านโครงสร้างที่มีความพรุนสูงนี้ และเมื่อสัมผัสกับตัวเร่งปฏิกิริยาที่เคลือบอยู่บนพื้นผิว สารเหล่านั้นจะเกิดปฏิกิริยาซึ่งกันและกัน

แตกต่างจากตัวเร่งปฏิกิริยาแบบโฟม หรือแบบบรรจุหลวม (Fixed Beds) โครงสร้างเพชรนี้เป็นรูปทรงเรขาคณิตที่ถูกกำหนดขนาดและรายละเอียดไว้อย่างแม่นยำ และสามารถทำซ้ำได้อย่างสม่ำเสมอ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ และช่วยให้ชิ้นงานแต่ละชิ้นมีความสม่ำเสมอเหมือนกัน

ในช่วงการพิสูจน์แนวคิด (Proof of Concept) ตัวเร่งปฏิกิริยาถูกพิมพ์ขึ้นจากพลาสติกและนำไปเคลือบผิวภายหลัง แต่คุณสมบัติของวัสดุดังกล่าวไม่สามารถให้ความแข็งแรงทางกลได้ตามที่ต้องการ จึงนำไปสู่การเลือกใช้ Alumina 4N Resin ในที่สุด.

การพิมพ์อะลูมินาโดยตรง

“ในการวิจัย ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการพิสูจน์แนวคิด (Proof of Concept) มักถูกผลิตขึ้นโดยการพิมพ์โครงสร้างฐานจากพลาสติก แล้วจึงเคลือบด้วย Al₂O₃ ภายหลัง การพิมพ์โครงสร้างจาก Al₂O₃ โดยตรง ทำให้เราสามารถสร้างโครงสร้างที่มีความเสถียรมากขึ้น และลดขั้นตอนการผลิตลงได้”

Malte Hartmann
Malte Hartmann
วิศวกรพัฒนา (Development Engineer), Sinto Advanced Ceramics

Alumina 4N Resin ช่วยให้สามารถพิมพ์สามมิติได้โดยตรงด้วยเซรามิกวิศวกรรมชนิดอะลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูงถึง 99.99% และมีความหนาแน่นสัมพัทธ์ (Relative Density) 98.6%

วัสดุชนิดนี้มีสมรรถนะที่โดดเด่นเป็นพิเศษสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงหรือท้าทาย โดยมีคุณสมบัติสำคัญดังต่อไปนี้

1. ทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดี (Thermally Resistant)
2. มีความแข็งสูง (Hard)
3. ทนต่อการสึกหรอและการขัดสี (Abrasion Resistant)
4. มีความแข็งแรงทางกลสูง (Mechanically Strong)
5. ไม่ทำปฏิกิริยากับสารเคมีได้ง่าย หรือมีความเฉื่อยทางเคมีสูง (Chemically Inert)

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ Alumina 4N Resin เหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนเซรามิกสมรรถนะสูงที่ต้องเผชิญกับความร้อน การสึกหรอ แรงทางกล และสารเคมีรุนแรงในงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ.

ด้วยการกำจัดการใช้โครงสร้างฐานที่ทำจากพลาสติกและตัดขั้นตอนการเคลือบผิวภายหลังออกไป Sinto Advanced Ceramics สามารถทำให้กระบวนการผลิตมีความเรียบง่ายมากขึ้น เพิ่มความน่าเชื่อถือด้านความแข็งแรงเชิงกล และทำให้สามารถผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาเซรามิกในระดับการผลิตต่อเนื่อง (Series Production) ได้อย่างแท้จริง

ชิ้นงานที่พิมพ์ด้วย Alumina 4N Resin จะต้องผ่านกระบวนการล้างด้วย Ceramic Wash Solution จากนั้นจึงนำไปอบแห้งและเผา (Firing)

เนื่องจากวัสดุอะลูมินานี้ได้รับการพัฒนาโดย Formlabs สำหรับเครื่องพิมพ์สามมิติในตระกูล Form Series โดยเฉพาะ จึงสามารถทราบอัตราการหดตัว (Shrinkage Rate) ได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้ วัสดุดังกล่าวยังใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยี Low Force Display (LFD) ของเครื่อง Form 4 เพื่อให้สามารถพิมพ์ชิ้นงานได้อย่างมีความแม่นยำสูง

Sinto Advanced Ceramics สามารถควบคุมค่าความคลาดเคลื่อนของชิ้นงาน (Tolerance) ให้น้อยกว่า 200 ไมโครเมตร (µm) ได้ ขณะที่ลูกค้ากำหนดให้ค่าความคลาดเคลื่อนต้องไม่เกิน 0.5% ของขนาดตามแบบ (Nominal Dimension) ซึ่งเป็นหลักฐานที่แสดงให้เห็นถึงความแม่นยำของกระบวนการผลิตได้เป็นอย่างดี.

1. ขนาด (Dimensions): เส้นผ่านศูนย์กลาง 8 เซนติเมตร, สูง 10.1 เซนติเมตร
2. น้ำหนัก (Weight): 313 กรัม
3. ผลิตด้วย: เครื่องพิมพ์สามมิติ Form 4 โดยใช้วัสดุ Alumina 4N Resin

การขยายกำลังการผลิตที่ยืดหยุ่นและคุ้มค่าทางเศรษฐกิจ

สำหรับ Sinto Advanced Ceramics การเลือกใช้เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) ไม่ได้เป็นเพียงเรื่องของอิสระในการออกแบบและความสามารถในการผลิตชิ้นงานที่มีรูปทรงเรขาคณิตซับซ้อนเท่านั้น แต่ Form 4 และ Alumina 4N Resin ยังเป็นโซลูชันที่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจสำหรับการผลิตอีกด้วย.

“ที่ Sinto Advanced Ceramics เราใช้เทคโนโลยีการผลิตที่หลากหลาย และเลือกโซลูชันที่เหมาะสมที่สุดตามความต้องการของลูกค้า เครื่องพิมพ์ของ Formlabs มีจุดเด่นที่ช่วยให้เราสามารถขยายกำลังการผลิตได้อย่างคล่องตัวและสามารถรองรับการเติบโตได้ เพียงแค่เพิ่มจำนวนเครื่องเข้าไปในระบบการผลิต ปัจจัยนี้ถือเป็นเหตุผลสำคัญที่ทำให้เราเลือกใช้เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) และยังตอกย้ำบทบาทของ Formlabs ในฐานะพันธมิตรด้านโซลูชันการผลิตที่มีนวัตกรรม คุ้มค่าทางเศรษฐกิจ และสามารถขยายกำลังการผลิตได้อย่างมีประสิทธิภาพ”

Nikolai Sauer
Nikolai Sauer
ผู้จัดการทั่วไป (General Manager), Sinto Advanced Ceramics

	รายละเอียดเครื่อง Formlab form4 SLA คลิก    เช็คราคา คลิก
	รายละเอียดเครื่อง Formlab Fuse 1+ 30W SLS คลิก    เช็คราคา คลิก

แหล่งอ้างอิง

https://formlabs.com/global/blog/sinto-advanced-ceramics-alumina/