วัสดุพอลิเมอร์คืออะไร?
เรามักคุ้นเคยกับคำว่า เทอร์โมพลาสติก ยาง เรซิน และซิลิโคน ซึ่งวัสดุที่กล่าวมาทั้งหมดนี้เรียกรวมๆ ว่าพอลิเมอร์ (Polymer) เกิดจากการรวมตัวกันของมอนอเมอร์ (Monomer) จำนวนมากต่อกันเป็นสายยาว ทั้งนี้ ชนิด รูปแบบ และส่วนประกอบของมอนอเมอร์แต่ละตัว ทำให้เกิดวัสดุที่มีคุณสมบัติและวิธีการแปรรูปที่แตกต่างกัน
- Thermoplastic เป็นกลุ่มที่คุ้นเคยกันมากที่สุด เป็นพลาสติกที่สามารถนำมารีไซเคิลได้โดยการหลอมเหลวแล้วขึ้นรูปใหม่ เทคโนโลยี 3D Printing ที่ใช้วัสดุกลุ่มนี้คือแบบเส้นพลาสติก (FDM) และแบบ SLS เช่น ผงไนลอน (PA11, PA12)
- Thermoset เป็นวัสดุที่ไม่สามารถหลอมเหลวหรือนำกลับมาใช้ใหม่ได้ มักเห็นในกลุ่มเครื่องพิมพ์แบบเรซิน (Resin) เป็นส่วนใหญ่
- ส่วน Elastomer เป็นส่วนน้อย มักเป็นกลุ่มซิลิโคนหรือเจลต่างๆ ซึ่งต้องใช้เครื่องจักรและเทคโนโลยีระดับสูงในการพิมพ์
กระบวนการแปรรูปพอลิเมอร์: เทอร์โมพลาสติก
กระบวนการขึ้นรูปพลาสติกในกลุ่มนี้ต้องมีการให้ความร้อนจนถึงจุดหลอมเหลว (Melting Point) จากนั้นจึงเป็นขั้นตอนการทำให้วัสดุมีรูปร่างตามที่ต้องการด้วยวิธีการต่างๆ เช่น การใช้แม่พิมพ์ (Mold), การใช้หัวขึ้นรูป (Die) หรือแม้กระทั่งเครื่อง 3D Printer แบบ Freeform ที่ไม่มีการควบคุมแรงดันในระบบ
1. กระบวนการฉีดขึ้นรูป (Injection Molding)
- เป็นหนึ่งในกระบวนการที่ใช้แปรรูปพลาสติกมากที่สุด เนื่องจากให้อัตราการผลิตสูงมากและสามารถผลิตชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ดี
- ส่วนประกอบหลักจะแบ่งเป็นส่วนชุดฉีด (ด้านขวาของภาพ) ซึ่งจะมีสกรูฉีดทำหน้าที่เตรียมเนื้อพลาสติกหลอมเหลว และดันเข้าไปยังส่วนที่ 2 คือแม่พิมพ์และชุด Clamping
- การเตรียมเนื้อวัสดุเกิดจากการหมุนของสกรู ทำให้เกิดการเสียดสีและการให้ความร้อนที่เหมาะสมในแต่ละช่วงจนพลาสติกหลอมละลาย
- พลาสติกหลอมเหลวจะถูกควบคุมปริมาตรให้เท่ากันทุกครั้งของการฉีดด้วยระยะของสกรู ดังนั้นชิ้นงานที่ได้จะมีคุณภาพและน้ำหนักใกล้เคียงกันทั้งหมด
- จากนั้นจึงดันพลาสติกหลอมเหลวเข้าไปยังแม่พิมพ์จนเย็นตัวเป็นของแข็งอีกครั้งตามรูปร่างของแม่พิมพ์
- สุดท้ายจะมีตัวปลดชิ้นงาน (Ejector pin) กระทุ้งชิ้นงานออกมา เป็นอันเสร็จ 1 รอบการฉีด
- เป็นกระบวนการผลิตชิ้นส่วนพลาสติกที่มีรูปร่างซับซ้อนในปัจจุบัน มีตั้งแต่ขนาดเล็กจิ๋วเท่าปลายนิ้วไปจนถึงขนาดใหญ่เท่ารถยนต์
- มีต้นทุนการผลิตที่สูงมากจากแม่พิมพ์ ซึ่งต้องใช้องค์ความรู้ในการออกแบบเฉพาะทาง และการผลิตด้วยเครื่องจักร CNC ในการตัดเฉือนเหล็กให้มีรูปร่างตามที่ต้องการ
- เหมาะกับการผลิตจำนวนหลักพันชิ้นขึ้นไป ไม่เหมาะกับการผลิตจำนวนน้อย
- วัสดุที่สามารถขึ้นรูปได้มีหลากหลายชนิด ในประเทศไทยอุตสาหกรรมส่วนใหญ่จะเป็นด้านบรรจุภัณฑ์ ยานยนต์ และชิ้นส่วนทั่วไป
- วัสดุที่นิยมใช้ เช่น PP, PE, ABS, HDPE รวมไปถึงคอมโพสิตที่มีการผสมเส้นใยแก้วเสริมแรงเข้าไป
2. กระบวนการอัดรีดขึ้นรูป (Extrusion)
- เป็นกระบวนการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ที่มีพื้นที่หน้าตัดสม่ำเสมอและมีความยาวต่อเนื่อง เช่น ท่อ หลอด และแท่งต่างๆ โดยมีส่วนของสกรูที่คล้ายกับกระบวนการฉีด (แต่ลักษณะการออกแบบสกรูต่างกัน) รีดพลาสติกหลอมเหลวให้ไหลผ่านหัวขึ้นรูปหรือหัวดาย (Die) ที่มีรูปร่างตามต้องการ
- หลังจากผ่านหัวดายแล้ว อาจมีชุดระบายความร้อน (Cooling) ที่เป็นรางน้ำ และชุดดึงชิ้นงานเพื่อจัดเก็บให้เป็นระเบียบสำหรับการผลิตต่อเนื่อง
- เส้นพลาสติก (Filament) สำหรับเครื่อง 3D Printer แบบ FDM ก็ใช้วิธีนี้ในการผลิต
3. กระบวนการเป่า (Blow Molding)
เป็นกระบวนการสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีผนังบางและมีรูปทรงไม่ซับซ้อน เช่น ขวดน้ำและบรรจุภัณฑ์ต่างๆ หลักการทำงานคือการเป่าให้ชิ้นงานมีรูปร่างตามแม่พิมพ์ที่ออกแบบไว้ สามารถแบ่งย่อยได้เป็น:
- Single Stage: ใช้ระบบสกรูในการสร้างเนื้อพลาสติกที่เรียกว่า Parison เข้าสู่แม่พิมพ์แล้วเป่าขึ้นรูป
- Two Stage: ใช้กระบวนการฉีดสร้างตัวตั้งต้นที่เรียกว่า Preform ขึ้นมาก่อน จากนั้นจึงเข้าสู่กระบวนการเป่าอีกครั้ง
เป็นกระบวนการสำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีผนังบางและมีรูปทรงไม่ซับซ้อน เช่น ขวดน้ำและบรรจุภัณฑ์ หลักการทำงานคือการเป่าให้ชิ้นงานมีรูปร่างตามแม่พิมพ์ที่ออกแบบไว้ สามารถแบ่งย่อยได้เป็น:
- Single Stage: ใช้ระบบสกรูในการสร้างเนื้อพลาสติกที่เรียกว่า Parison เข้าสู่แม่พิมพ์แล้วเป่าขึ้นรูป
- Two Stage: ใช้กระบวนการฉีดสร้างตัวตั้งต้นที่เรียกว่า Preform ขึ้นมาก่อน จากนั้นจึงเข้าสู่กระบวนการเป่าอีกครั้ง
4. กระบวนการแวคคั่ม (Thermoforming)
- เป็นกระบวนการขึ้นรูปชิ้นงานที่ไม่ซับซ้อนและมีความสูงต่ำไม่มาก เช่น กลุ่มบรรจุภัณฑ์ จาน ชาม และ Packaging ต่างๆ รวมถึงชิ้นส่วนในอุตสาหกรรม
- กระบวนการอาศัยแม่พิมพ์หรือตัวต้นแบบในการสร้างรูปร่าง โดยใช้วัตถุดิบที่เป็นแผ่นพลาสติก กดทับลงบนแม่พิมพ์พร้อมชุดลมดูดเพื่อให้แผ่นพลาสติกเข้ารูปตามต้องการ
- ชิ้นงานที่ได้จะมีการยืดตัวในแต่ละส่วนไม่เท่ากัน จึงมีโอกาสที่บริเวณที่ถูกดึงยืดมากจะฉีกขาดหรือเสียหายขณะใช้งานได้
- อ่านข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่ (คลิก)
5. กระบวนการอัดขึ้นรูป (Compression Molding)
- เป็นกระบวนการที่ไม่นิยมใช้กับวัสดุกลุ่มเทอร์โมพลาสติก เนื่องจากต้องเสียเวลาให้ความร้อนจนพลาสติกหลอมละลายและต้องรอให้แม่พิมพ์เย็นตัวลง
- อาจมีการใช้งานในกรณีที่พลาสติกมีความหนืดสูงมาก ซึ่งใช้กระบวนการฉีดขึ้นรูปได้ยาก หรือมีโอกาสอุดตันที่ช่วงการป้อนสกรู
- ในบางกรณีสามารถใช้ร่วมกับวัสดุคอมโพสิตในกลุ่มที่มีการสานเป็นตาข่าย เพื่อวางเสริมแรงในชั้นนั้นๆ
