อะไหล่สำรอง (Spare parts) และชิ้นส่วนทดแทน (Replacement parts) เป็นองค์ประกอบที่มีความสำคัญอย่างยิ่งทั้งสำหรับโรงงานการผลิตและผู้ใช้งานทั่วไป เนื่องจากสามารถช่วยลดเวลาที่เครื่องจักรหรืออุปกรณ์ต้องหยุดทำงาน (equipment downtime) และลดผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงานที่ลดลง เมื่ออุปกรณ์เกิดความเสียหายและจำเป็นต้องได้รับการซ่อมแซมหรือปรับปรุงสภาพใหม่ (repair หรือ refurbishment)
เพื่อให้สามารถเข้าถึงและจัดหาชิ้นส่วนอะไหล่สำคัญเหล่านี้ได้ บริษัทต่าง ๆ จำเป็นต้องรักษาคลังสินค้าคงคลังที่มีต้นทุนสูง และต้องบริหารจัดการผ่านห่วงโซ่อุปทาน (supply chain) ที่มีความซับซ้อนและเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา
แต่จะเกิดอะไรขึ้น หากผู้จัดจำหน่าย (supplier) หยุดดำเนินธุรกิจไปแล้ว หรือระยะเวลาการผลิตและการจัดส่ง (lead time) ใช้เวลานานเกินไป?
การใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ (3D printing) สำหรับการผลิตอะไหล่สำรองและชิ้นส่วนทดแทน กำลังกลายเป็นแนวทางที่มีศักยภาพสูงในการแก้ไขปัญหาความไม่แน่นอนของห่วงโซ่อุปทาน และปัญหาการขาดแคลนอะไหล่สำรองในปัจจุบัน
ในปัจจุบัน เครื่องพิมพ์สามมิติสามารถนำมาใช้สร้างชิ้นส่วนได้หลากหลายรูปแบบ ตั้งแต่
อะไหล่สำรองที่ผู้ใช้งานสามารถผลิตเองได้ (DIY spare parts)
ชิ้นส่วนทดแทนชั่วคราว (stopgap replacement parts)
ไปจนถึงชิ้นส่วนทดแทนที่มีความทนทานและสามารถใช้งานได้ในระยะยาว ซึ่งสามารถใช้แทนชิ้นส่วนที่เดิมผลิตด้วยกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมได้
แนวทางนี้ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถลดความจำเป็นในการเก็บสต็อกอะไหล่จำนวนมาก และเปลี่ยนมาใช้การผลิตอะไหล่แบบ ผลิตตามความต้องการ (on-demand spare part production) แทน
ในคู่มือนี้ เราจะอธิบายขั้นตอนในการสร้างและผลิตอะไหล่สำรองในรูปแบบดิจิทัลด้วยกระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) รวมถึงช่วยแนะนำวิธีการเลือกเทคโนโลยีที่เหมาะสม และนำเสนอตัวอย่างการใช้งานจริงในภาคอุตสาหกรรมต่าง ๆ ด้วย
ขั้นตอนทีละขั้น: การพิมพ์อะไหล่สำรองและชิ้นส่วนทดแทนด้วย 3D Printing
1. ตรวจสอบความเป็นไปได้ (Check for Feasibility)
อะไหล่สำรองเป็นชิ้นส่วนที่ทำงานร่วมอยู่ภายในระบบหนึ่ง ดังนั้นเพื่อให้มั่นใจว่าอะไหล่ที่พิมพ์ด้วย 3D Printing สามารถทำงานได้อย่างถูกต้อง ขั้นตอนแรกควรพิจารณาข้อกำหนดทางเทคนิคของชิ้นส่วนนั้น เช่น รูปทรงเรขาคณิต การใช้งานที่ตั้งใจไว้ และแรงทางกลที่ชิ้นส่วนต้องรับ มาดูเกณฑ์สำคัญบางประการดังนี้
Geometry (รูปทรง):
เครื่องพิมพ์ 3D มีความอิสระในการออกแบบเกือบไม่จำกัด ดังนั้นมีความเป็นไปได้สูงที่ชิ้นส่วนใดก็ตามที่ผลิตด้วยเครื่องมือแบบดั้งเดิมจะสามารถผลิตด้วยการพิมพ์ 3 มิติได้เช่นกัน อย่างไรก็ตาม อาจมีการปรับเปลี่ยนการออกแบบเล็กน้อยเพื่อช่วยให้ต้นทุนต่ำลง พิมพ์ได้เร็วขึ้น หรือเพิ่มความแข็งแรงให้กับชิ้นส่วน
Size (ขนาด):
ชิ้นส่วนต้องมีขนาดที่สามารถใส่เข้าไปในพื้นที่การพิมพ์ (build volume) ของเครื่องพิมพ์ 3 มิติได้ ซึ่งโดยทั่วไปเครื่องแบบตั้งโต๊ะ (desktop) หรือแบบตั้งบนโต๊ะทำงาน (benchtop) มักมีขนาดพื้นที่พิมพ์ประมาณ 15–30 เซนติเมตรในแต่ละมิติ หากชิ้นส่วนมีขนาดใหญ่เกินไป อาจออกแบบชิ้นส่วนทดแทนให้เป็นการประกอบจากชิ้นส่วนย่อยหลายชิ้นแทน
Material (วัสดุ):
เครื่องพิมพ์ 3 มิติสามารถใช้ทดแทนชิ้นส่วนพลาสติกส่วนใหญ่ และแม้กระทั่งชิ้นส่วนโลหะบางประเภทได้ ควรเลือกวัสดุที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับวัสดุของชิ้นส่วนต้นฉบับมากที่สุด
Stresses (แรงและภาระที่ชิ้นส่วนต้องรับ):
ควรพิจารณาแรงกด แรงดึง แรงกระแทก หรือภาระต่าง ๆ ที่ชิ้นส่วนทดแทนจะต้องเผชิญ เลือกใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่มีความก้าวหน้ามากขึ้น รวมถึงวัสดุวิศวกรรม (engineering materials) หากต้องการให้ชิ้นส่วนมีอายุการใช้งานยาวนาน
แม้ว่าอะไหล่ที่พิมพ์ด้วย 3D Printing อาจไม่สามารถตอบโจทย์ทุกเกณฑ์ได้ครบถ้วนทั้งหมด แต่ในหลายกรณีก็ยังสามารถใช้เป็น ชิ้นส่วนทดแทนชั่วคราว (stopgap replacement) เพื่อลดเวลาที่เครื่องจักรต้องหยุดทำงานได้
ในสถานการณ์เช่นนี้ ชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย 3D Printing จะถูกนำมาใช้เพื่อให้เครื่องจักรยังสามารถทำงานได้ตามปกติ แม้ว่าความทนทานในระยะยาวอาจยังมีข้อจำกัด โดยจะใช้งานไปก่อนจนกว่าจะมีชิ้นส่วนทดแทนที่มีความทนทานสูงกว่าพร้อมใช้งาน
2. จัดหาโมเดล 3 มิติ (Get the 3D Model)
เมื่อยืนยันแล้วว่าชิ้นส่วนนั้นสามารถพิมพ์ด้วย 3D Printing ได้ ขั้นตอนต่อไปคือการจัดหา โมเดล 3 มิติ (3D model) ของอะไหล่ชิ้นนั้น
หากชิ้นส่วนทดแทนเป็นผลิตภัณฑ์ของบริษัทคุณเอง และถูกออกแบบโดยใช้ซอฟต์แวร์ CAD มาก่อน ไฟล์ดิจิทัลของชิ้นส่วนนั้นก็มักจะมีอยู่แล้ว
สำหรับเครื่องมือหรืออุปกรณ์จากผู้ผลิตรายอื่น (third party tools) ผู้ผลิตบางรายอาจมีการเผยแพร่ไฟล์ CAD ต้นฉบับของอะไหล่ ให้สามารถนำไปใช้งานได้
หากไม่มีแบบการออกแบบอยู่เลย สามารถสร้างแบบขึ้นใหม่ด้วยซอฟต์แวร์ CAD ด้วยตนเอง หรือว่าจ้างบริการออกแบบจากผู้เชี่ยวชาญได้
สำหรับชิ้นส่วนที่มีรูปทรงเรียบง่าย การสร้างแบบสามารถทำได้โดยใช้การวัดขนาดด้วยมือแล้วนำไปสร้างแบบใน CAD
แต่สำหรับชิ้นส่วนที่มีรูปทรงซับซ้อนมากขึ้น การทำ Reverse Engineering ร่วมกับการสแกน 3 มิติ (3D scanning) ถือเป็นกระบวนการทำงานที่มีประสิทธิภาพในการออกแบบและผลิตชิ้นส่วนที่ต้องการจำลองขึ้นมาใหม่ให้เหมือนกับต้นฉบับมากที่สุด
Reverse engineering คือกระบวนการที่ใช้เครื่องสแกน 3 มิติ (3D scanner) เพื่อเก็บข้อมูลพื้นผิวของวัตถุ และสร้าง mesh ซึ่งเป็นโครงสร้างข้อมูลสามมิติที่จำเป็นสำหรับการสร้างโมเดล 3 มิติ (3D models) ต่อไป.
3. พิมพ์อะไหล่ด้วย 3D Printing (3D Print the Spare Parts)
เตรียมโมเดล CAD สำหรับการพิมพ์ 3 มิติ โดยใช้ซอฟต์แวร์สำหรับเตรียมไฟล์พิมพ์ (print preparation software) แล้วส่งไฟล์นั้นไปยังเครื่องพิมพ์ 3 มิติของคุณ
การเลือก เทคโนโลยีการพิมพ์และวัสดุที่เหมาะสม เป็นสิ่งสำคัญมาก ซึ่งในหัวข้อถัดไปจะมีคำแนะนำเกี่ยวกับเรื่องนี้โดยเฉพาะ
โดยทั่วไปแล้ว ชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย 3D Printing มักต้องผ่านกระบวนการ หลังการพิมพ์ (post-processing) บางรูปแบบ เช่น
การล้างชิ้นงาน (washing)
การกำจัดผงวัสดุที่เหลืออยู่ (depowdering)
การถอดโครงสร้างรองรับ (removing support structures)
การอบแสงเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ (post-curing)
การขัดผิว (sanding)
หลังจากนั้น ชิ้นส่วนสามารถนำไปใช้งานได้โดยตรง หรืออาจทำกระบวนการตกแต่งเพิ่มเติมตามลักษณะการใช้งาน เช่น
การทำผิวให้เรียบมากขึ้น (smoothing)
การพ่นสี (painting)
การเคลือบผิว (coating)
หรือกระบวนการปรับแต่งอื่น ๆ
4. การทดสอบและการปรับปรุง (Testing and Iteration)
เมื่อชิ้นส่วนทดแทนพร้อมใช้งานแล้ว ควรทำการทดสอบเพื่อให้มั่นใจว่าอะไหล่ที่พิมพ์ด้วย 3D Printing สามารถทำงานได้ตามที่ออกแบบไว้
หากผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าชิ้นส่วนยังมีข้อบกพร่อง เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติช่วยให้สามารถ ปรับปรุงแบบและพิมพ์ใหม่ได้อย่างรวดเร็ว เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของอะไหล่
ระดับความเข้มข้นของการทดสอบควรขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งานของชิ้นส่วนนั้น
ในกรณีของ ชิ้นส่วนทดแทนชั่วคราว (stopgap replacement parts) เพียงแค่สามารถทำงานได้ตามหน้าที่ในระยะเวลาจำกัดก็อาจเพียงพอแล้ว
แต่สำหรับผู้ผลิตที่ตั้งใจใช้ อะไหล่ที่พิมพ์ด้วย 3D Printing เป็นตัวทดแทนชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยวิธีดั้งเดิมอย่างถาวร ชิ้นส่วนใหม่ควรผ่านกระบวนการทดสอบแบบเดียวกับชิ้นส่วนเดิม
นอกจากนี้ ยังควรคำนึงถึงลักษณะเฉพาะของกระบวนการพิมพ์ 3 มิติด้วย เช่น ความแข็งแรงของชิ้นส่วนที่อาจแตกต่างกันตามทิศทางการพิมพ์ (printing orientation) ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพและความทนทานของชิ้นส่วนในระยะยาว.
การเลือกเทคโนโลยีและวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการพิมพ์ชิ้นส่วนทดแทนด้วย 3D Printing
เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ (3D printing) ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในงานสร้างต้นแบบ (prototyping) และการพัฒนาผลิตภัณฑ์ (product development) มาเป็นเวลาหลายทศวรรษแล้ว
ปัจจุบัน เทคโนโลยีที่พัฒนามาอย่างต่อเนื่องนี้กำลังเริ่มถูกนำมาใช้ใน กระบวนการผลิตจริงในภาคอุตสาหกรรมอย่างกว้างขวางมากขึ้น
ในกระบวนการพัฒนาผลิตภัณฑ์ ผู้ผลิตจำนวนมากได้ใช้ประโยชน์จากความยืดหยุ่นของการพิมพ์ 3 มิติในการผลิต เครื่องมือภายในโรงงาน เช่น
จิ๊ก (jigs)
ฟิกซ์เจอร์ (fixtures)
อุปกรณ์ช่วยในการผลิตประเภทต่าง ๆ (manufacturing aids)
รวมถึงการผลิต เครื่องมือสำหรับการผลิตแบบรวดเร็ว (rapid tooling) เช่น
แม่พิมพ์สำหรับการฉีดพลาสติก (injection molding)
แม่พิมพ์สำหรับกระบวนการเทอร์โมฟอร์มมิ่ง (thermoforming)
ความก้าวหน้าล่าสุดของ เครื่องจักร วัสดุ และซอฟต์แวร์ ทำให้เกิดโอกาสใหม่ ๆ ในการผลิตชิ้นส่วนด้วย 3D Printing ที่มีความแม่นยำสูง และสามารถใช้งานได้จริงในระดับอุตสาหกรรม
ชิ้นส่วนที่พิมพ์ออกมาจึงสามารถนำมาใช้ แทนชิ้นส่วนสำหรับการใช้งานจริง (end-use parts) ได้มากขึ้น ซึ่งรวมถึง
อะไหล่สำรองที่มีความทนทาน
ชิ้นส่วนทดแทนที่สามารถใช้งานได้ในระยะยาว.
เครื่องพิมพ์ 3 มิติ (3D printers) มักถูกใช้มากที่สุดในการผลิตชิ้นส่วนที่ทำจากพลาสติก แม้ว่าจะมีเครื่องพิมพ์ 3 มิติสำหรับโลหะ (metal 3D printers) ให้ใช้งานเช่นกัน แต่โดยทั่วไปแล้วจะมีต้นทุนที่สูงกว่ามาก
ในปัจจุบันมีเครื่องพิมพ์ 3 มิติหลายประเภท โดยกระบวนการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิตชิ้นส่วนพลาสติก ได้แก่
Fused Deposition Modeling (FDM)
Stereolithography (SLA)
Selective Laser Sintering (SLS)ต่อไปนี้เป็นการเปรียบเทียบโดยสรุปของกระบวนการเหล่านี้ รวมถึงวัสดุที่สามารถใช้ได้ และลักษณะการใช้งานที่เหมาะสม โดยเฉพาะในบริบทของการผลิตอะไหล่สำรอง (spare parts)
| Fused Deposition Modeling (FDM) | Stereolithography (SLA) | Selective Laser Sintering (SLS) | |
|---|---|---|---|
| Accuracy (ความแม่นยำ) | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★★ |
| Surface Finish (คุณภาพผิวชิ้นงาน) | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| Throughput (ปริมาณการผลิต / ความเร็วในการผลิต) | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Complex Designs (รองรับงานออกแบบที่ซับซ้อน) | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Ease of Use (ความง่ายในการใช้งาน) | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| Materials (วัสดุที่ใช้ได้) | เทอร์โมพลาสติกมาตรฐาน เช่น ABS, PLA และวัสดุผสมต่าง ๆ | เรซินหลากหลายประเภท รวมถึงวัสดุวิศวกรรมที่มีคุณสมบัติขั้นสูง เช่น ABS-like, PP-like, flexible, heat-resistant, rigid | เทอร์โมพลาสติกเกรดวิศวกรรม เช่น Nylon 11, Nylon 12 และวัสดุคอมโพสิต รวมถึง TPU สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องการความยืดหยุ่น |
| Ideal for (เหมาะสำหรับ) | ชิ้นส่วนทดแทนแบบเรียบง่าย | ||
| โซลูชันชั่วคราว (stopgap solutions) | ชิ้นส่วนทดแทนทั้งแบบเรียบง่ายและซับซ้อน | ||
| โซลูชันชั่วคราว | |||
| ชิ้นส่วนที่ต้องการรายละเอียดสูงและผิวงานเรียบ | ชิ้นส่วนทดแทนทั้งแบบเรียบง่ายและซับซ้อน | ||
| โซลูชันชั่วคราว | |||
| ชิ้นส่วนทดแทนสำหรับการใช้งานจริงที่มีความแข็งแรง เสถียร และใช้งานได้ยาวนาน |
ในขณะที่กระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่จำเป็นต้องใช้เครื่องจักรอุตสาหกรรมที่มีราคาสูง สถานที่ผลิตเฉพาะทาง และผู้ปฏิบัติงานที่มีทักษะเฉพาะด้าน การพิมพ์สามมิติ (3D printing) ทำให้สามารถผลิตชิ้นส่วนภายในองค์กรได้เอง โดยมีต้นทุนการดำเนินงานต่ำและต้องการโครงสร้างพื้นฐานเพียงเล็กน้อย
ระบบเครื่องพิมพ์ 3 มิติขนาดกะทัดรัดแบบตั้งโต๊ะ (desktop) หรือแบบตั้งบนโต๊ะทำงาน (benchtop) ที่ใช้สำหรับผลิตชิ้นส่วนพลาสติกมีราคาที่เข้าถึงได้ และต้องการพื้นที่ใช้งานเพียงเล็กน้อย อีกทั้งยังไม่จำเป็นต้องมีทักษะเฉพาะทางมากนักในการใช้งาน
การจ้างผลิตจากภายนอก (outsourcing) อาจเป็นทางเลือกหนึ่งสำหรับชิ้นส่วนทดแทนที่ไม่เร่งด่วนมากนัก อย่างไรก็ตาม วิธีนี้มักมาพร้อมกับความท้าทายที่คล้ายกับการเก็บสต็อกอะไหล่แบบเดิม
ระยะเวลาการจัดส่งอาจใช้เวลาหลายสัปดาห์ ในขณะที่การผลิตด้วย 3D Printing สำหรับชิ้นส่วนส่วนใหญ่สามารถทำได้ภายในเวลาไม่ถึง 24 ชั่วโมง ซึ่งทำให้การรอชิ้นส่วนจากภายนอกมีความเสี่ยงที่จะทำให้เครื่องจักรต้องหยุดทำงานเป็นเวลานานขึ้น และอาจส่งผลให้เกิดการสูญเสียประสิทธิภาพการผลิตได้.
การผลิตอะไหล่สำรองด้วยกระบวนการผลิตแบบดิจิทัล (Digital Fabrication)
สำหรับผู้ผลิต การทำให้ระบบ การจัดการคลังอะไหล่สำรอง (spare parts inventory management) และ การผลิตชิ้นส่วนทดแทน (replacement parts production) อยู่ในรูปแบบดิจิทัล ช่วยเปิดโอกาสให้สามารถลดหรือขจัดปัญหาแบบดั้งเดิมหลายประการได้ เช่น
ปัญหาในห่วงโซ่อุปทาน (supply chain issues)
ข้อกำหนดจำนวนสั่งซื้อขั้นต่ำ (minimum order quantities)
และความสูญเสียที่เกิดจากอะไหล่ที่ล้าสมัยหรือไม่ได้ใช้งาน (obsolete parts)
การสร้าง คลังข้อมูลดิจิทัล (digital warehouse) เป็นวิธีที่คุ้มค่าในการช่วยลดต้นทุนในการจัดการสินค้าคงคลัง
เมื่อผสานระบบนี้เข้ากับเครื่องมือการผลิตแบบดิจิทัลภายในองค์กร เช่น การพิมพ์สามมิติ (3D printing) ก็จะสามารถสนับสนุนแนวทางการผลิตแบบ ผลิตตามความต้องการ (on-demand) ได้
แนวทางนี้ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถ
ลดต้นทุนและระยะเวลาการผลิต (lead time)
เพิ่มความยืดหยุ่นและความสามารถในการรับมือกับปัญหา (resiliency)
และลดเวลาที่เครื่องจักรต้องหยุดทำงาน (downtime) ได้
คลังข้อมูลดิจิทัล หรือคลังอะไหล่สำรองแบบดิจิทัล จะถูกใช้สำหรับ
จัดเก็บไฟล์การออกแบบของอะไหล่
จัดหมวดหมู่ชิ้นส่วนอย่างเป็นระบบ
ปรับปรุงและจัดการรายการวัสดุ (bill of materials) ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น
รวมถึงบริหารจัดการข้อมูลสินค้าคงคลัง
จากนั้น เครื่องพิมพ์ 3 มิติและเครื่องมือการผลิตดิจิทัลอื่น ๆ สามารถนำมาใช้เพื่อผลิตอะไหล่เหล่านั้น ไม่ว่าจะเพื่อเติมสต็อกในคลังจริง (physical inventory) หรือเพื่อผลิตชิ้นส่วนทดแทนทันทีเมื่อมีความต้องการใช้งาน.
กรณีศึกษา: บริษัทต่าง ๆ ใช้ 3D Printing เพื่อผลิตชิ้นส่วนทดแทนอย่างไร
ชิ้นส่วนทดแทน (replacement parts) ถือเป็นหนึ่งในการใช้งานที่พบได้บ่อยที่สุดของเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ (3D printing) มาดูตัวอย่างการใช้งานจริงบางกรณีจากลูกค้าของ Formlabs ตั้งแต่การพิมพ์อะไหล่สำหรับงานยานยนต์ ไปจนถึงการสร้างกริปเปอร์ของหุ่นยนต์แบบสั่งทำพิเศษ
ร้านแต่งรถแบบสั่งทำพิเศษที่ได้รับรางวัลอย่าง Ringbrothers เริ่มนำเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ SLA (Stereolithography) เข้ามาใช้ภายในองค์กรในช่วงแรกเพื่อเป็นเครื่องมือสำหรับการสร้างต้นแบบ (prototyping) ซึ่งช่วยให้สามารถปรับแก้และพัฒนาชิ้นงานได้รวดเร็วขึ้นและมีต้นทุนที่คุ้มค่ามากขึ้น
หลังจากนำเทคโนโลยีนี้มาใช้งานแล้ว พวกเขาก็ได้ค้นพบวิธีการใหม่ ๆ ในการใช้ 3D printing เพื่อยกระดับคุณภาพและความคิดสร้างสรรค์ของงานที่ทำ โดยสามารถผลิต ชิ้นส่วนสำหรับการใช้งานจริง (end-use parts) ได้ รวมถึง อะไหล่สำรองสำหรับรถยนต์คลาสสิก อีกด้วย
สำหรับโปรเจกต์กระจกมองข้าง (mirror project) ทีมงานได้ใช้ชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย 3D Printing เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างในชุดประกอบขั้นสุดท้าย โดยชิ้นส่วนดังกล่าวทำหน้าที่เป็น ฟิกซ์เจอร์สำหรับการประกอบแบบถาวร (permanent assembly fixture) ซึ่งถูกยึดติดอยู่ภายในโครงคาร์บอน (carbon shell) และมีชิ้นส่วนอื่น ๆ ถูกยึดด้วยสกรูเข้ากับชิ้นส่วนนั้นอีกทีหนึ่ง
ในอีกกรณีหนึ่ง ทีมงานได้ใช้ วัสดุสำหรับการหล่อ (castable 3D printing material) ในการพิมพ์ต้นแบบชิ้นงาน ก่อนนำไปหล่อเป็น ตราสัญลักษณ์โลหะ (metal emblem) สำหรับโปรเจกต์รถยนต์สั่งทำพิเศษ
Matt Moseman ผู้เชี่ยวชาญด้านการพัฒนาผลิตภัณฑ์กล่าวว่า
“รายละเอียดในระดับสูงแบบนั้นคงไม่สามารถทำได้เลย หากเราไม่สามารถพิมพ์ต้นแบบขี้ผึ้งด้วย 3D Printing แล้วให้ช่างอัญมณีในพื้นที่ของเราหล่อชิ้นงานนั้นภายในร้านได้”
อีกตัวอย่างหนึ่งคือ Ashley Furniture ผู้ผลิตเฟอร์นิเจอร์รายใหญ่ที่สุดของโลก ซึ่งได้นำเทคโนโลยีใหม่ ๆ มาใช้ภายในโรงงานของตน ตั้งแต่เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ (3D printing) ไปจนถึงระบบหุ่นยนต์อัตโนมัติ
ภายในโรงงานของ Ashley Furniture ที่เมือง Arcadia รัฐ Wisconsin มีการใช้งานชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย 3D Printing มากถึง 700 ชิ้น บนสายการผลิต โดยทำงานร่วมกับเครื่องจักรอุตสาหกรรมอื่น ๆ เช่น หุ่นยนต์อุตสาหกรรม และเครื่องกัด CNC ตั้งแต่กระบวนการประกอบชิ้นงานไปจนถึงกระบวนการผลิตชิ้นส่วนต่าง ๆ ในโรงงาน.
นอกเหนือจากการใช้งานเป็นอุปกรณ์ช่วยในการผลิตแล้ว การใช้งานที่มีประโยชน์อย่างมากอีกอย่างหนึ่งคือ การผลิตชิ้นส่วนทดแทนสำหรับเครื่องจักรในสายการผลิต (manufacturing floor)
ในกรณีหนึ่ง วงแหวนยึดสูญญากาศ (vacuum retainer ring) ของเครื่องเจาะแบบ point-to-point drilling machine ไม่สามารถซื้อแยกเป็นชิ้นได้ ผู้ผลิตจำหน่ายเฉพาะชุดประกอบทั้งหมดเท่านั้น ซึ่งมีราคาค่อนข้างสูง
“บริษัทผู้ผลิตไม่ขายเฉพาะวงแหวน เราต้องซื้อทั้งชุดประกอบในราคา 700 ดอลลาร์”
Brian Konkel วิศวกรฝ่ายการผลิตกล่าว
“แต่สุดท้ายเราเลือกใช้วิธีสแกนชิ้นส่วนด้วย 3D scanning เพื่อเก็บรูปทรงเรขาคณิตของชิ้นงาน แล้วนำมาพิมพ์ชิ้นส่วนทดแทนด้วย 3D printing ในราคาเพียง 1 ดอลลาร์ เพื่อให้เครื่องเจาะของเรายังสามารถทำงานต่อไปได้ โดยไม่จำเป็นต้องซื้อชุดประกอบทั้งหมดใหม่”
แทนที่จะต้องซื้อชุดประกอบทั้งชุดใหม่ในราคา 700 ดอลลาร์ บริษัทเลือกใช้ การพิมพ์ 3 มิติ (3D Printing) เพื่อผลิตเฉพาะชิ้นส่วนที่ต้องการเปลี่ยน โดยมีต้นทุนเพียง 1 ดอลลาร์ เท่านั้น.
Productive Plastics เป็นบริษัทรับจ้างผลิต (contract manufacturing) ชั้นนำที่เชี่ยวชาญด้านการผลิตและการออกแบบชิ้นส่วนพลาสติกแบบ เทอร์โมฟอร์มมิ่ง (custom plastic thermoforming)
ภายในโรงงานของบริษัทมี เซลล์การผลิต (manufacturing cells) ทั้งหมด 6 เซลล์ เพื่อให้สามารถดำเนินโครงการหลายโครงการได้พร้อมกัน
แต่ละเซลล์การผลิตจะประกอบด้วย
เครื่องเทอร์โมฟอร์มเมอร์อุตสาหกรรม (industrial thermoformer)
เครื่องกัด CNC (CNC milling machine)
พื้นที่สำหรับการประกอบชิ้นงาน (assembly area)
ระบบคอมพิวเตอร์สำหรับจัดการและติดตามการทำงาน
เมื่อพัดลมระบายความร้อน (cooling fan) ของเครื่องจักรเครื่องหนึ่งเกิดความเสียหาย เครื่องเทอร์โมฟอร์มเมอร์จึงไม่สามารถใช้งานได้ ส่งผลให้เซลล์การผลิตทั้งเซลล์ต้องหยุดทำงาน
ทีมงานทราบว่าหากสั่งอะไหล่จากซัพพลายเออร์ จะต้องใช้เวลา 6–8 สัปดาห์ กว่าจะได้รับชิ้นส่วนทดแทน
เพื่อให้สายการผลิตยังสามารถดำเนินงานต่อไปได้ในระหว่างที่รอการซ่อมแซม ทีมงานจึงเลือกใช้ การพิมพ์ 3 มิติ (3D printing) เพื่อผลิตชิ้นส่วนทดแทนชั่วคราวสำหรับ ใบพัด (impeller)
ทีมงานได้ออกแบบใบพัดทดแทน 2 เวอร์ชัน ในโปรแกรม SolidWorks จากนั้นนำไปพิมพ์ด้วยเครื่อง Fuse 1 SLS 3D printer โดยใช้วัสดุ Nylon 12 Powder ซึ่งใช้เวลาเพียงข้ามคืน
เนื่องจากกระบวนการ SLS 3D printing มีคุณสมบัติที่สามารถพิมพ์ชิ้นงานได้โดยไม่ต้องใช้โครงสร้างรองรับ (self-supporting) จึงทำให้สามารถสร้างการออกแบบที่มี โครงสร้างสองด้าน (dual-sided design) และมี รูตรงกลาง (center bore) ได้
อีกทั้งยังไม่ต้องเสียเวลาในการถอดโครงสร้างรองรับหรือทำกระบวนการหลังการพิมพ์เพิ่มเติม ทำให้ใบพัดที่พิมพ์เสร็จสามารถนำไปติดตั้งเข้ากับเครื่องจักรที่มีอยู่ได้ทันที.
ไฟล์ 3 มิติของชิ้นส่วนใบพัด (impeller) สำหรับใช้เป็นอะไหล่ทดแทนชั่วคราว (stopgap replacement part) ที่สร้างขึ้นในโปรแกรม SolidWorks
Kyle Davidson ผู้อำนวยการฝ่ายการขายและการตลาดของ Productive Plastics กล่าวว่า
“หากใช้วิธีการพิมพ์แบบอื่น ๆ หลายวิธี จะเป็นเรื่องยากที่จะสร้างด้านหลังของใบพัด โดยเฉพาะส่วน rib และ รูตรงกลาง (center bore) ซึ่งเป็นลักษณะโครงสร้างแบบเดียวกับชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยกระบวนการ ฉีดขึ้นรูปพลาสติก (injection molding)
หนึ่งในเหตุผลที่เราเลือกใช้ Fuse 1 ก็เพราะว่าเราไม่จำเป็นต้องใช้โครงสร้างรองรับ (supports) ในการพิมพ์
ชิ้นส่วนนี้เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนมากที่แสดงให้เห็นถึงความสามารถของ Fuse 1 ในการพิมพ์ชิ้นงานที่มีรูปทรงเรขาคณิตซับซ้อนได้”
ภาพระยะใกล้ (ด้านขวา) และภาพมุมมองแบบขยาย (ด้านซ้าย) ของใบพัดที่พิมพ์ด้วย 3D Printing ซึ่งสามารถติดตั้งเข้ากับปั๊มสุญญากาศของเครื่องเทอร์โมฟอร์มมิ่งอุตสาหกรรมได้อย่างพอดี
ใบพัดที่พิมพ์ด้วย 3D Printing สามารถใช้งานได้ทันที ทำให้เซลล์การผลิตกลับมาทำงานได้อีกครั้งในวันถัดไปหลังจากเครื่องจักรเกิดความเสียหาย และชิ้นส่วนดังกล่าวก็สามารถทำงานได้ตามปกติ จนกระทั่งทีมงานเปลี่ยนกลับไปใช้ชิ้นส่วนจากซัพพลายเออร์ประมาณ 6 สัปดาห์ต่อมา
ที่บริษัท Productive Plastics ระยะเวลาการทำงานหนึ่งรอบ (cycle time) ของเซลล์การผลิตอยู่ที่ประมาณ 5–15 นาที ซึ่งหมายความว่าเซลล์การผลิตหนึ่งเซลล์สามารถผลิตชิ้นงานได้อย่างน้อยประมาณ 40 ชิ้นต่อวัน
หากเครื่องจักรต้องหยุดทำงานเป็นเวลา 6 สัปดาห์ จะทำให้สูญเสียการผลิตมากกว่า 1,200 ชิ้น และคิดเป็นมูลค่าความเสียหายมากกว่า 30,000 ดอลลาร์ เมื่อคำนวณจากต้นทุนเฉลี่ยต่อชิ้นที่ประมาณ 25 ดอลลาร์.
| ชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย 3D Printing ภายในบริษัท (In-house 3D printed part) | ชิ้นส่วนซ่อมที่สั่งจากภายนอก (Outsourced repair part) | |
|---|---|---|
| ระยะเวลาในการจัดหา (Lead time) | 1 วัน | 6–8 สัปดาห์ |
| ความเสียหายจากการหยุดทำงานของเครื่องจักร (Loss due to downtime) | 1,000 ดอลลาร์ | 30,000 ดอลลาร์ |
นักวิจัยที่ศูนย์ AMRC Composites Center กำลังศึกษาวิธีทำให้กระบวนการเคลื่อนย้ายชั้นแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ (carbon fiber plies) เป็นแบบอัตโนมัติ ด้วยความแม่นยำและความเร็วสูง โดยใช้หุ่นยนต์แบบ pick and place
อย่างไรก็ตาม หลังจากใช้งานไปเป็นระยะเวลาหนึ่ง L-bracket ที่ใช้ยึดกริปเปอร์ลมอัด (compressed air grippers) ของหุ่นยนต์เริ่มเกิดการโค้งงอบริเวณข้อต่อ ซึ่งส่งผลให้เกิดความเสียหายและการทำงานล้มเหลวของระบบ
ด้วยการใช้ เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ (3D printing) นักวิจัยสามารถพัฒนาโซลูชันใหม่ได้อย่างรวดเร็ว นั่นคือ ชิ้นส่วนแบบสปริงที่ออกแบบเฉพาะ (custom springy component) ซึ่งมีรูปทรงที่ซับซ้อน และไม่สามารถผลิตได้ง่ายด้วยเครื่องมือการผลิตแบบดั้งเดิม
Matthew Williams ช่างเทคนิคด้านคอมโพสิตที่ทำงานในโครงการนี้กล่าวว่า
“ผมได้ทำการปรับปรุงและทดสอบกริปเปอร์ชุดหนึ่งจำนวนหกตัวไปแล้วถึง 5 เวอร์ชัน ซึ่งถ้าต้องใช้การผลิตด้วยเครื่องจักรแบบเดิม อาจต้องใช้เวลาประมาณ 10–15 สัปดาห์ และนั่นยังไม่รวมเวลาสำหรับการทดลองใช้งานจริงด้วยซ้ำ”
บริษัทผู้ให้บริการด้านวิศวกรรม STS Technical Group ได้นำเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ SLA (Stereolithography) มาใช้ในการพัฒนากริปเปอร์ของหุ่นยนต์ โดยเปลี่ยนจากกริปเปอร์แบบมาตรฐานทั่วไปมาเป็น กริปเปอร์ที่พิมพ์ด้วย 3D Printing ซึ่งให้ประสิทธิภาพที่ดีกว่า
ทีมงานได้พัฒนากริปเปอร์แบบสั่งทำพิเศษ (custom grippers) สำหรับใช้ในการ เคลื่อนย้ายและจัดตำแหน่งหัวฉีดเชื้อเพลิง (fuel injectors) ภายในสภาพแวดล้อมของโรงงานผลิต
เมื่อเปลี่ยนจากกริปเปอร์ที่ผลิตจากเหล็กด้วยการกัดขึ้นรูป มาเป็น กริปเปอร์โพลิเมอร์ที่พิมพ์ด้วย 3D Printing ก็สามารถช่วยลดความเสี่ยงที่จะเกิดรอยขีดข่วนหรือความเสียหายบนพื้นผิวของชิ้นส่วนที่มีความอ่อนนุ่มกว่าได้
นอกจากนี้ การเปลี่ยนจากรูปทรงแบบ V-shape ทั่วไป ไปเป็นรูปทรงที่ ออกแบบให้พอดีกับรูปทรงของหัวฉีดเชื้อเพลิงโดยเฉพาะ (form-fitting geometry) ยังช่วยเพิ่มพื้นที่สัมผัสในการจับยึด ทำให้การทำงานมี ความแม่นยำและความน่าเชื่อถือมากขึ้น
อีกทั้งยังช่วย ลดแรงกดที่ต้องใช้ในกระบวนการทำงาน ได้อีกด้วย.
กริปเปอร์แบบมาตรฐานที่ติดตั้งอยู่กับกระบอกลมนิวเมติกในตอนแรก (ด้านบน)
ชุดประกอบกระบอกลมนิวเมติก ซึ่งติดตั้งกริปเปอร์ที่พิมพ์ด้วย 3D Printing จากวัสดุ Rigid 4000 Resin สำหรับจับยึดหัวฉีดเชื้อเพลิง
โรงงานเครื่องจักร A&M Tool and Design ได้ขยายการใช้งานเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ (3D printing) เพื่อผลิตชิ้นส่วนที่สามารถใช้งานได้จริง เช่น ฟิกซ์เจอร์ (fixtures) และชิ้นส่วนสำหรับการใช้งานจริง (end-use parts) หลายประเภท
ตัวอย่างหนึ่งคือ เมื่อ สไปเดอร์คัปปลิ้ง (spider coupling) สำหรับเครื่องขัดเลนส์ขนาดใหญ่ของบริษัทถูกจัดส่งมาในขนาดที่ไม่ถูกต้อง เพียง สองวันก่อนงานแสดงสินค้าใหญ่ วิศวกรเครื่องกล Ryan Little จึงได้ออกแบบชิ้นส่วนทดแทนที่มีขนาดถูกต้องอย่างรวดเร็ว และพิมพ์ชิ้นส่วนนั้นด้วย เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบ SLA
คัปปลิ้งที่พิมพ์ขึ้นมานั้นถูกนำไปใช้งานจริงในการขับ มอเตอร์ขนาดสองแรงม้า (two-horsepower motor) บนเครื่องเจียร (grinding machine) ได้สำเร็จ.
เมื่อสไปเดอร์คัปปลิ้งสำหรับเครื่องขัดเลนส์ที่สั่งผลิตจากภายนอกถูกจัดส่งมาในขนาดที่ไม่ถูกต้อง บริษัท A&M Tool and Design จึงใช้ การพิมพ์ 3 มิติ (3D Printing) เพื่อผลิตชิ้นส่วนทดแทนจากวัสดุ Durable Resin อย่างรวดเร็ว เพื่อแก้ปัญหาเฉพาะหน้าให้ทันก่อนงานแสดงสินค้าใหญ่.
โดยทั่วไป สามารถทำได้อย่างถูกกฎหมาย แต่ก็ขึ้นอยู่กับแต่ละกรณีโดยเฉพาะ
การทำ Reverse Engineering โดยทั่วไปถือว่าเป็นสิ่งที่ถูกกฎหมาย และผู้ผลิตสามารถเลือกใช้การพิมพ์ 3 มิติ (3D Printing) เพื่อผลิตอะไหล่สำรองจากแบบที่ออกแบบขึ้นภายในองค์กรได้ โดยไม่ถือว่าเป็นการละเมิดกฎหมายความลับทางการค้า (trade secret law)
อย่างไรก็ตาม หากผู้ผลิตมีความตั้งใจที่จะ พิมพ์อะไหล่สำรองเพื่อวัตถุประสงค์ทางการค้า ก็อาจต้องรับผิดชอบตามกฎหมายที่เกี่ยวข้อง และอาจมีหน้าที่ต้องจัดหาการออกแบบหรือสินค้าที่เป็นไปตาม ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและคุณภาพ ตามเงื่อนไขของสัญญาที่ทำไว้
มีการศึกษาวิจัยอย่างครอบคลุมโดยรัฐบาลสหราชอาณาจักรเกี่ยวกับ ข้อกำหนดทางกฎหมายและความรับผิดที่เกี่ยวข้องกับการพิมพ์อะไหล่ด้วย 3D Printing ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับความถูกต้องตามกฎหมายของกระบวนการนี้เป็นอย่างดี
การศึกษาดังกล่าวได้พิจารณาการผลิตทั้ง อะไหล่สำรอง (spare parts) และ ชิ้นส่วนทดแทน (replacement parts) รวมถึงข้อกำหนดทางกฎหมายในทุกขั้นตอนของกระบวนการผลิต ในหลายประเทศ เช่น
สหรัฐอเมริกา
สหราชอาณาจักร
สหภาพยุโรป
แคนาดา
ญี่ปุ่น
และจีน.
เริ่มต้นใช้งาน 3D Printing สำหรับการผลิตชิ้นส่วนทดแทนและอะไหล่สำรอง
การผลิต ชิ้นส่วนทดแทน (replacement parts) และ อะไหล่สำรอง (spare parts) ภายในองค์กรด้วยเทคโนโลยี 3D Printing เป็นวิธีที่มีต้นทุนไม่สูง รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพในการช่วยลดเวลาที่เครื่องจักรต้องหยุดทำงาน รวมถึงลดการสูญเสียประสิทธิภาพในการผลิต
Formlabs นำเสนอเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบ SLA และ SLS ที่ทันสมัย พร้อมวัสดุเกรดอุตสาหกรรมสำหรับการผลิตอะไหล่สำรองและชิ้นส่วนทดแทน
คุณสามารถศึกษาข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติของเรา หรือ ติดต่อผู้เชี่ยวชาญ เพื่อพูดคุยเกี่ยวกับการสร้างกระบวนการทำงาน (workflow) ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในองค์กรของคุณ.
 |
รายละเอียดเครื่อง Formlab form4 SLA คลิก เช็คราคา คลิก |
 |
รายละเอียดเครื่อง Formlab Fuse 1+ 30W SLS คลิก เช็คราคา คลิก |
แหล่งอ้างอิง
