การพิมพ์ 3 มิติและการฉีดขึ้นรูปอาจเป็นกระบวนการที่แตกต่างกันอย่างมาก แต่ทั้งคู่ต่างก็มีส่วนสำคัญในการผลิต โดย injection molding ที่มีต้นทุนต่ำสามารถใช้ 3d printer เข้ามาช่วยได้ สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาว่าจะใช้แม่พิมพ์ทำชิ้นส่วนจำนวนมากเพียงใด จะคุ้มค่ากับการทำแม่พิมพ์หรือไม่
ในอดีตแม่พิมพ์จำเป็นต้องใช้วิธีการกลึง และ CNC เพราะโลหะมีคุณสมบัติเด่นในเรื่องของความแข็งและความทนทานสูง โดยทั่วไปจะใช้วัสดุเป็นอลูมิเนียม หรือเหล็ก ซึ่งวัสดุเหล่านี้ให้ความต้านทานการสึกหรอที่ดีกับการฉีดขึ้นรูปซ้ำๆ การเปิดและปิดของแม่พิมพ์ และการไล่ระดับอุณหภูมิที่สัมผัสในระหว่างกระบวนการฉีดขึ้นรูป ทำให้แม่พิมพ์โลหะจำเป็นต้องลงทุนครั้งแรกในขั้นตอนการติดตั้ง
ปัจจุบันการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ที่ต้องอาศัยการทำแม่พิมพ์ขึ้นมาเป็นแบบก่อนนั้นให้มีต้นทุนน้อยที่สุด โดยไม่ได้คำนึงถึงความต้านทานการสึกหรอเป็นปัจจัยสำคัญมาก ทำให้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ เช่น Material Jetting, SLA, SLS เป็นต้น สามารถผลิตแม่พิมพ์และชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำสูง พร้อมผิวงานที่เรียบเนียนมาก เมื่อสิ่งนี้มาพร้อมกับวัสดุการพิมพ์ 3 มิติที่ทนอุณหภูมิได้สูงขึ้น และการออกแบบการพิมพ์ 3D ได้อย่างอิสระ ซับซ้อน และตรงตามความต้องการ นั่นหมายความว่าแม่พิมพ์ที่ผลิตจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติจะกลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการผลิตแม่พิมพ์ฉีดพลาสติกที่มีต้นทุนต่ำ การพิมพ์แม่พิมพ์ 3 มิติช่วยให้ตรวจสอบการออกแบบแม่พิมพ์ได้อย่างรวดเร็ว ช่วยลดความเสี่ยงทางการเงินในการลงทุนกับแม่พิมพ์โลหะราคาแพงได้เป็นอย่างดี
การพิมพ์ 3 มิติสำหรับการฉีดขึ้นรูป
3D Printing for Injection Molding ในยุคนี้การผผลิตลิตภัณฑ์พลาสติกส่วนใหญ่ได้มาจากการฉีดขึ้นรูป อย่างไรก็ตามการผลิตแม่พิมพ์อาจมีราคาแพงและใช้เวลานาน แต่ตอนนี้แม่พิมพ์ไม่จำเป็นต้องทำจากโลหะแล้ว สามารถพิมพ์ 3 มิติขึ้นรูปจากเครื่อง 3D Printer ด้วยระบบต่างๆ ได้ เช่น
การพิมพ์ 3 มิติด้วยระบบ Stereolithography (SLA) เป็นทางเลือกที่คุ้มค่าสำหรับการขึ้นรูปแม่พิมพ์ ชิ้นส่วนที่จากกระบวนการ SLA นั้นมีความแข็ง และมีสมบัติเหมือนกันในทุกทิศทาง (isotropic) ซึ่งหมายความว่าจะสามารถทนต่อแรงกด และแรงดันของจำนวนการฉีดขึ้นรูปได้ในปริมาณน้อยๆ (low-volume)
(https://www.3dhubs.com)
เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติระบบ FDM ยังคงเป็นยอดนิยมที่จะใช้กับวัสดุหลายชนิด แม่พิมพ์สามารถทำจากวัสดุ Ultem และ Polycarbonate ซึ่งเทอร์โมพลาสติกแบบฉีดส่วนใหญ่จะอยู่ในช่วงอุณหภูมิหลอมละลายที่ 200-300 องศาเซลเซียส ซึ่งการพิมพ์ 3 มิติด้วยวิธี FDM ที่นำไปใช้งานอุตสาหกรรมมีความสามารถในการทำซ้ำสูงและสามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำได้อย่างถูกต้อง อีกทั้งยังสามารถพิมพ์ชิ้นส่วนได้ในชุดขนาดเล็กถึงขนาดกลาง ค่าใช้จ่ายของเส้นพลาสติก ABS ที่ใช้ในระบบ FDM อุตสาหกรรมมักจะซื้อวัสดุต่อกิโลกรัมได้ราคาที่ถูก ข้อจำกัดหลักสำหรับกระบวนการนี้ คือชิ้นส่วนใดๆ ที่ผลิตผ่านการพิมพ์ FDM จะมีประสิทธิภาพเชิงกลที่ไม่เท่ากันทุกทิศทาง (anisotropic) ชิ้นส่วนนั้นจะมีความอ่อนแอในทิศทางเดียว ซึ่งนักออกแบบจะต้องเข้าใจอย่างถ่องแท้ในเรื่องของชิ้นส่วนที่จะต้องได้รับ เพื่อการวางแนวของแบบจำลองในแพลตฟอร์มการพิมพ์
ข้อดี
♥ ค่าใช้จ่ายน้อย ลดระยะเวลา ในการพิมพ์ 3 มิติมีตัวเลือกมากมายสำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ และวัสดุที่ใช้ มีหลากหลาย และใช้เวลาไม่นานที่จะผลิตแม่พิมพ์
♥ ง่ายต่อการเปลี่ยนแปลง เนื่องจากลักษณะ additive manufacturing สามารถมองเห็นและแก้ไขปัญหาการออกแบบ ในขณะที่กำลังสร้างแบบจำลอง สิ่งนี้ทำให้เป็นไปได้ที่จะหลีกเลี่ยงการสิ้นเปลืองวัสดุทั้งหมดที่เกิดจากข้อบกพร่องเดียวกัน เครื่องพิมพ์ 3D ช่วยให้หยุดกลางกระบวนการและดำเนินการต่อในจุดเดียวกัน ซึ่งเหมาะสำหรับการปรับเฉพาะจุด
♥ สะดวกต่อการรองรับการออกแบบที่ซับซ้อน กระบวนการพิมพ์ 3 มิติของการเพิ่มเลเยอร์ที่อยู่ด้านบนของแต่ละอื่น ๆ ทำให้มันสมบูรณ์แบบสำหรับการสร้างโครงสร้างพื้นฐานที่ซับซ้อน เครื่องอัดรีดให้มือที่ละเอียดอ่อนในการพิมพ์รายละเอียดและเลเยอร์ก่อนหน้าทำหน้าที่เป็นตัวรองรับ
ข้อเสีย
♦ ข้อเสียเปรียบประการหนึ่งของกระบวนการพิมพ์แบบละเอียด 3 มิติคือการจำกัดจำนวนวัตถุที่สามารถพิมพ์ได้ในคราวเดียว 3D Printer ส่วนใหญ่จะผลิตได้เพียง 1-2 ชิ้นต่อครั้ง
♦ ขนาดการสร้างที่จำกัด การผลิตด้วยเครื่องพิมพ์ 3D นั้นมักถูกจำกัด ด้วยขนาดของพื้นที่การพิมพ์ เนื่องจากแขนของเครื่องพิมพ์ 3 มิติจะสามารถเข้าถึงได้สูงสุดตามขนาดการพิมพ์ของเครื่องนั้นๆ ยิ่งไปกว่านั้นส่วนที่ใหญ่ขึ้นที่จะตัดขอบของพื้นที่การพิมพ์ ทำให้ความไม่แน่นอนในการออกแบบทั้งหมด การพิมพ์ 3 มิติขนาดใหญ่เป็นไปได้ แต่ต้องใช้วิธีการตัด แล้วพิมพ์ทีละชิ้น จากนั้นจึงนำมาประกอบเข้ากันเป็นชิ้นเดียว
♦ พื้นผิววัตถุขรุขระ ซึ่งเกิดจากเลเยอร์การพิมพ์ 3 มิติ แม้มีขนาดเล็กและอยู่ติดกัน แต่ยังคงสังเกตเห็นได้ชัดเจน รอยเส้นๆ จะสร้างบนพื้นผิววัตถุจนพิมพ์เสร็จ ไม่ว่ารายละเอียดเลเยอร์จะถูกตั้งค่าอย่างดีก็ตาม วิธีแก้ปัญหา คือการนำวัถตุหรือชิ้นส่วนนั้นไปขัด จะทำให้ผิวเรียบมากขึ้น
การประยุกต์ใช้ 3D Printing กับ Injection Molding
♥ ผลิตต้นแบบ หรือการผลิตแบบจำนวนน้อย
♥ การออกแบบมีช่องว่าง หรือรูตรงกลางจำนวนมาก
♥ ปรับแต่งการออกแบบตามความเหมาะสม ใช้เวลาน้อย
♥ เตรียมแม่พิมพ์แบบเดียวกันไว้หลายๆ ชิ้นสำหรับการฉีดขึ้นรูปจำนวนมากๆ
♥ กระบวนการขึ้นรูปขั้นตอนเดียว และต่อเนื่อง
ข้อควรรู้ในการใช้ 3D Printer กับ Injection mold
(ที่มา: STRATASYS / THE 3D PRINTING SOLUTIONS COMPANY)
นอกจากนี้สิ่งที่ควรให้ความสำคัญเป็นอับแรก คือ วัสดุ ซึ่งจะทำให้เข้าสู่ขั้นตอนต่อไปได้อย่างถูกต้องและเหมาะสม เช่น
- อุณหภูมิที่ใช้ในการฉีดขึ้นรูป (Injection temperature)
- ความเร็วในการฉีดขึ้นรูป (Injection speed)
- แรงดันคงค้าง (Holding pressure)
- อุณหภูมิแม่พิมพ์ฉีด (Mold temperature)
(ที่มา: STRATASYS / THE 3D PRINTING SOLUTIONS COMPANY)
Injection molding เป็นเครื่องฉีดพลาสติกและงานฉีดพลาสติก ที่อาศัยการแปรรูปพลาสติกโดยวิธีการฉีดนั้น จะทำจากสารพลาสติกที่เป็นเม็ดหรือเป็นผง ซึ่งอาจจะเป็นเทอร์โมพลาสติก เทอร์โมเซตติ้ง หรืออีลาสโตเมอร์ ก็ได้ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบของเครื่องฉีดที่จะดัดแปลงให้เหมาะสมกับพลาสติกชนิดต่าง ๆ สำหรับเทอร์โมพลาสติก เมื่อได้รับความร้อนจะอ่อนตัวและเหลว สามารถนำกลับมาแปรรูปได้หลายครั้ง ดังนั้นเพื่อการนำไปประยุกต์ใช้ในภาคอุตสาหกรรมในการผลิตแม่พิมพ์ และแก้ไขข้อบกพร่องของชิ้นงานนั้น 3D Printer เป็นทางเลือกหนึ่งที่ดี ลดเวลาและต้นทุนในกระบวนการผลิตที่เกิดขึ้นได้ ทำให้ผลิตภัณฑ์ออกสู่ตลาดรวดเร็วอีกด้วย
กระบวนการผลิตที่ใช้การพิมพ์ 3 มิติมีการพัฒนาอย่างรวดเร็วและต่อเนื่อง ในอนาคตเครื่องพิมพ์ 3D จะสามารถทำงานร่วมกับ injection molding ได้มากขึ้นและประสิทธิภาพ ซึ่งในปัจจุบันอาจใช้เวลาประมาณ 30 นาที ในการผลิตชิ้นส่วนต่างๆ จากการพิมพ์ 3 มิติ แต่ใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาทีในการการฉีดขึ้นรูปชิ้นส่วนเดียวกัน แน่นอนว่าการพิมพ์ 3 มิติยังไม่สามารถเข้ามาแทนที่การฉีดพลาสติกขึ้นรูปได้ทั้งหมด แต่มีประโยชน์ต่อขั้นตอนแรกของกระบวนการ injection molding เพื่อจะได้เข้าสู่ขั้นตอนต่อไปได้เร็วมากขึ้น
ทำไมต้องใช้ 3D Printing กับ Injection Molding
1. ใช้พลาสติกทำแม่พิมพ์
การพัฒนาที่สำคัญอย่างหนึ่งในการพิมพ์ 3 มิติในปัจจุบันคือความสามารถในการพิมพ์แม่พิมพ์ด้วยวัสดุพลาสติกได้หลายชนิด มีความทนทานในระดับหนึ่งสำหรับการใช้กับการฉีดขึ้นรูปพลาสติก จุดด้อยคือแม่พิมพ์ฉีดพลาสติกไม่สามารถทนต่อการผลิตปริมาณมากได้ แต่คาดว่าปัญหานี้จะถูกแก้ไขไปในอนาคตอันใกล้
ข้อดี หากมีข้อผิดพลาดหรือต้องทำการแก้ไขแบบแม่พิมพ์ เครื่องพิมพ์ 3 มิติจะทำหน้าที่นี้ได้ดี ในอนาคตการทำแม่พิมพ์ 3 มิติจะกลายเป็นตัวเลือกที่มีผู้นำไปใช้งานเพิ่มมากขึ้น และจะมีประโยชน์มากมาย ตัวอย่างเช่น แบบแม่พิมพ์บางจุดนั้นไม่สามารถเจาะบริเวณมุมภายในบล็อกเหล็กได้ แต่เครื่องพิมพ์ 3D สามารถทำได้ นอกจากนี้วัสดุที่ใช้ในการผลิตแม่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิตินั้นมีราคาถูกกว่าเหล็กเกรดสูง ฟังก์ชันที่เพิ่มเข้ามาและการประหยัดต้นทุนจะส่งผลต่อค่าใช้จ่ายในการขึ้นรูป
2. การใช้การพิมพ์ 3 มิติเพื่อตรวจสอบความถูกต้อง
กระบวนการผลิตชิ้นส่วนต่างๆ จะต้องมีการทำชิ้นงานต้นแบบออกมาชิ้นแรก เพื่อตรวจสอบความถูกต้องอีกครั้งก่อนนำไปผลิตในปริมาณมากๆ ซึ่งจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าชิ้นงานตัวอย่างนั้นได้มาตรฐาน และทำงานได้ตามความเหมาะสม แนวโน้มในอนาคตอาจจะมีเทคโนโลยีที่ทำให้เครื่องพิมพ์ 3 มิติมีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะเป็นเครื่องฉีดขึ้นรูปสำหรับปริมาณการผลิตขนาดเล็ก ซึ่งสามารถลดการลงทุนที่จำเป็นสำหรับแม่พิมพ์ และลดระยะเวลารอคอยกับชิ้นงานตัวอย่าง
3. วิธีการพิมพ์ 3D มีหลายตัวเลือก
FDM (Fused Deposition Modeling) เป็นรูปแบบการพิมพ์ 3D ที่ใช้กันมากที่สุด ในการสร้างชิ้นส่วน 3 มิติ ในขณะที่การพิมพ์ 3D Model ส่วนใหญ่เป็นระบบ FDM ในปัจจุบันมีวิธีการพิมพ์ 3 มิติจำนวนมากที่จะทำต้นแบบแม่พิมพ์และการผลิตชิ้นส่วนอื่นๆ ให้ออกมาแข็งแรง ทนทาน อีกทั้งยังนำไปใข้ร่วมกับเครื่องจักรอื่นๆ ได้อีกด้วย
