การฉีดขึ้นรูปพลาสติกเป็นกระบวนการผลิตที่แพร่หลายอย่างมาก—ในความเป็นจริงแล้ว ผลิตภัณฑ์พลาสติกส่วนใหญ่ในโลกปัจจุบันถูกผลิตด้วยการฉีดขึ้นรูปพลาสติก แม้ว่าจะเป็นเทคนิคที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตในปริมาณมาก แต่แม่พิมพ์โลหะที่กัดขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC แบบดั้งเดิมมีต้นทุนที่สูงมากและใช้ระยะเวลานำยาวนาน ซึ่งไม่เหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณน้อย
สำหรับการทำต้นแบบและการผลิตในปริมาณน้อย (ประมาณ 10-1000 ชิ้น) แม่พิมพ์ฉีดพลาสติกที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพทั้งด้านเวลาและต้นทุน อีกทั้งยังช่วยให้กระบวนการผลิตมีความคล่องตัวมากขึ้น ทำให้วิศวกรและนักออกแบบสามารถทดสอบแบบแม่พิมพ์ ปรับแก้ได้ง่าย และทำการปรับปรุงแบบซ้ำได้รวดเร็วยิ่งขึ้น โดยมีต้นทุนถูกกว่าการกัดขึ้นรูปด้วย CNC แบบดั้งเดิมอย่างมาก
การสร้างแม่พิมพ์แบบกำหนดเองด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบสเตอริโอไลโทกราฟี (SLA) เช่น Form 3+ เป็นเรื่องที่ง่ายและสะดวก ช่วยให้คุณสามารถใช้ประโยชน์จากทั้งการพิมพ์ 3 มิติและเทคนิคการขึ้นรูปแบบดั้งเดิมร่วมกันได้
ในคู่มือนี้ เราจะพาคุณไปดูขั้นตอนของการฉีดขึ้นรูปแบบ DIY และแบ่งปันเครื่องมือและเคล็ดลับทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการนำการฉีดขึ้นรูปพลาสติกมาใช้ภายในองค์กร โดยใช้แม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

สิ่งที่คุณต้องใช้สำหรับการฉีดขึ้นรูปแบบ DIY

การสร้างชุดอุปกรณ์สำหรับการขึ้นรูปพลาสติกแบบ DIY นั้นจำเป็นต้องมีการลงทุนบางส่วน ต้องใช้ทั้งเงินและเวลาในการจัดหาอุปกรณ์ที่เหมาะสม และในการเรียนรู้วิธีใช้งานอุปกรณ์เหล่านั้นให้ชำนาญ อย่างไรก็ตาม ค่าใช้จ่ายเหล่านี้ในหลายกรณียังคงต่ำกว่าค่าใช้จ่ายของแม่พิมพ์โลหะเพียงชิ้นเดียว ดังนั้นเมื่อคุณเริ่มดำเนินการได้แล้ว การประหยัดทั้งเวลาและต้นทุนในระยะยาวจะสามารถชดเชยความพยายามเริ่มต้นได้อย่างง่ายดาย

เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบ SLA รุ่น Form 3 วางอยู่ถัดจากเครื่องฉีดขึ้นรูปแบบตั้งโต๊ะ Holipress

สิ่งที่คุณจะต้องมีเพื่อเริ่มต้นมีดังนี้:

เครื่องพิมพ์ 3 มิติเรซินแบบ SLA ระดับเดสก์ท็อปประสิทธิภาพสูง เช่น Form 3+ ของ Formlabs โดย Form 3+ สามารถผลิตแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำ รายละเอียดคมชัด และพื้นผิวเรียบ ซึ่งช่วยให้ได้ชิ้นงานที่ขึ้นรูปออกมามีคุณภาพสูง นอกจากการขึ้นรูปพลาสติกแบบ DIY แล้ว เครื่องพิมพ์ SLA ยังเป็นเครื่องมือที่มีคุณค่าสำหรับการทำต้นแบบและการใช้งานอื่น ๆ ตลอดกระบวนการพัฒนาผลิตภัณฑ์

วัสดุสำหรับการพิมพ์ 3 มิติที่สามารถทนต่ออุณหภูมิและแรงดันที่เกิดขึ้นกับแม่พิมพ์ระหว่างกระบวนการฉีดขึ้นรูป โดยเราแนะนำวัสดุต่อไปนี้สำหรับเครื่องพิมพ์ SLA ของ Formlabs:

Rigid 10K Resin เป็นวัสดุเกรดอุตสาหกรรมที่มีส่วนผสมของแก้วสูง ให้โซลูชันที่สามารถรองรับรูปทรงที่หลากหลายและกระบวนการฉีดขึ้นรูปได้มากขึ้น มีค่า HDT อยู่ที่ 218°C @ 0.45 MPa และมีค่า tensile modulus ที่ 10,000 MPa ทำให้มีความแข็งแรง แข็งมากเป็นพิเศษ และมีเสถียรภาพทางความร้อนสูง

High Temp Resin มีค่าอุณหภูมิการเสียรูปภายใต้ความร้อน (HDT) อยู่ที่ 238°C @ 0.45 MPa ซึ่งเหมาะสำหรับการฉีดขึ้นรูป วัสดุนี้มีความเปราะมากกว่า แต่แนะนำสำหรับวัสดุที่ต้องใช้ความร้อนในการขึ้นรูปสูง และช่วยลดระยะเวลาในการทำให้เย็น

Grey Pro Resin มีค่าการนำความร้อนต่ำกว่า High Temp Resin หรือ Rigid Resin ซึ่งทำให้ใช้เวลาในการเย็นตัวนานกว่า แต่มีความนุ่มกว่าและสามารถใช้งานได้หลายร้อยรอบ

เครื่องฉีดขึ้นรูปแบบตั้งโต๊ะ เช่น Galomb Model-B100 หรือ Holipress ปัจจุบันมีเครื่องฉีดขึ้นรูปแบบตั้งโต๊ะหลายรุ่นในตลาดซึ่งมีราคาหลากหลาย เครื่องราคาต่ำจำนวนมากใช้ลูกสูบที่ขับเคลื่อนด้วยมือ ในขณะที่เครื่องที่มีราคาสูงกว่าจะใช้ระบบสกรูหรือระบบลม ลูกค้าบางรายของเรายังแนะนำระบบจาก Minijector, Morgan, APSX หรือ Micromolder อีกด้วย ส่วนเครื่องฉีดขึ้นรูปแบบอัตโนมัติระดับเดสก์ท็อป เช่น ผลิตภัณฑ์จาก Babyplast ก็เป็นอีกทางเลือกที่ดีสำหรับการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กในปริมาณมาก

เม็ดพลาสติกตามประเภทที่คุณต้องการใช้งาน

ซอฟต์แวร์ CAD ตามที่คุณถนัดสำหรับออกแบบชิ้นส่วนแม่พิมพ์ เช่น Blender ซึ่งสามารถดาวน์โหลดได้ฟรี

ก่อนตัดสินใจซื้อ ควรประเมินเครื่องฉีดขึ้นรูปให้เหมาะสมกับความต้องการในการผลิตของคุณ สำหรับชิ้นงานขนาดใหญ่ ยังคงจำเป็นต้องใช้กระบวนการอุตสาหกรรม การฉีดขึ้นรูปแบบ DIY นี้เหมาะที่สุดสำหรับการผลิตชิ้นงานขนาดเล็กในปริมาณน้อย

แม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติของ Formlabs และชิ้นส่วนที่ถูกห่อหุ้ม ซึ่งผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการฉีดขึ้นรูปแบบ DIY นี้

การฉีดขึ้นรูปแบบ DIY ทีละขั้นตอน

1. ออกแบบแม่พิมพ์ใน CAD 
   

   ก่อนอื่น ให้เลือกซอฟต์แวร์ CAD ที่คุณต้องการใช้สำหรับออกแบบชิ้นส่วนแม่พิมพ์ ในตัวอย่างนี้เราจะใช้ Blender ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์ส แต่ขั้นตอนการทำงานโดยรวมจะค่อนข้างคล้ายกันในซอฟต์แวร์ CAD อื่น ๆ

   ดาวน์โหลดไฟล์แบบแม่พิมพ์เปล่า (blank mold insert design files) ซึ่งคุณจะใช้ในการสร้างแบบแม่พิมพ์ฉีดขึ้นรูป โดยแบบเหล่านี้สามารถปรับขนาดได้ง่ายเพื่อให้รองรับกับเครื่องฉีดขึ้นรูปและโครงแม่พิมพ์ส่วนใหญ่ นอกจากนี้ คุณยังสามารถออกแบบชิ้นส่วนแม่พิมพ์ของคุณเองได้โดยใช้แผนผังโพรง (cavity diagrams) ของโครงแม่พิมพ์หลัก

   นำเข้าทั้งสองฝั่งของแกนแม่พิมพ์ (mold core) และแบบ 3 มิติของชิ้นงานที่คุณต้องการผลิตเข้าไปในซอฟต์แวร์ CAD

   ใน Blender ให้ใช้ไอคอนรูปตาใน scene explorer เพื่อปิดการแสดงผลของแม่พิมพ์ด้านหนึ่ง เมื่อจัดพื้นที่ทำงานได้ตามต้องการแล้ว ให้ตั้งค่าทั้งสองฝั่งของแม่พิมพ์เป็นโหมดการแสดงผลแบบ “wire” ภายใต้เมนู Object ตามภาพตัวอย่างด้านล่าง
   

   
   

   ตอนนี้ คุณสามารถจัดตำแหน่งแม่พิมพ์ของคุณได้แล้ว ตรวจสอบให้แน่ใจว่าวัตถุ (ชิ้นงาน) ซ้อนทับกับช่องทางไหลเข้าของพลาสติกหลอม (inlet) อย่างสมบูรณ์ในระหว่างกระบวนการฉีดขึ้นรูป ใช้โหมด orthographic โดยกด “toggle perspective/ortho” เพื่อช่วยให้การจัดตำแหน่งทำได้ง่ายขึ้น

   ปิดการแสดงผลของ mold core ฝั่งที่กำลังใช้งานอยู่ และเปิดอีกฝั่งขึ้นมา ทำขั้นตอนเดิมซ้ำเพื่อให้แน่ใจว่าวัตถุซ้อนทับกับช่องทางไหลเข้าของ mold core อีกฝั่งอย่างสมบูรณ์ เมื่อจัดตำแหน่งวัตถุเรียบร้อยแล้ว คุณก็พร้อมที่จะลบส่วนพื้นที่ของวัตถุที่ซ้อนทับกัน โดยใช้ฟังก์ชัน “boolean difference” ใน Blender

   เลือกครึ่งแรกของวัตถุ จากนั้นเลือกตัวเลือก boolean ในเมนู Modifiers เลือกวัตถุที่ต้องการตัดออก และตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้เลือกการทำงานแบบ “difference” จากนั้นกด Apply เพื่อใช้งานคำสั่ง และทำขั้นตอนเดียวกันกับอีกฝั่งหนึ่ง ผลลัพธ์ควรมีลักษณะคล้ายกับภาพตัวอย่างด้านล่าง หากติดปัญหาในขั้นตอนนี้ บทช่วยสอนเกี่ยวกับการเพิ่มชิ้นส่วนแบบ interlocking ลงในงานออกแบบอาจเป็นประโยชน์
   

   
   ตอนนี้แม่พิมพ์ของคุณพร้อมสำหรับการพิมพ์แล้ว ให้ส่งออก (Export) แต่ละครึ่ง โดยตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้เลือกช่อง “Selection Only” ในตัวส่งออก (Exporter) ของ Blender
   
2. พิมพ์แม่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
   

   ในการพิมพ์แม่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ สิ่งสำคัญคือการเลือกวัสดุที่สามารถทนต่ออุณหภูมิและแรงดันที่เกิดขึ้นกับแม่พิมพ์ระหว่างกระบวนการฉีดขึ้นรูป

   จากการทดสอบภายในและกรณีศึกษาจากลูกค้าของเรา เราแนะนำให้เลือกเรซินสำหรับการพิมพ์ 3 มิติโดยอ้างอิงตามเกณฑ์ในตารางด้านล่าง โดยระดับสามดาวหมายถึงเรซินมีประสิทธิภาพสูง ส่วนหนึ่งดาวหมายถึงมีประสิทธิภาพน้อยกว่า
   

   เกณฑ์	High Temp Resin	Grey Pro Resin	Rigid 10K Resin
   อุณหภูมิการขึ้นรูปสูง	★★★	★	★★
   ระยะเวลาในการทำให้เย็นสั้นลง	★★★	★	★★
   แรงดันสูง	★	★★	★★★
   เพิ่มจำนวนรอบการผลิตสำหรับรูปทรงซับซ้อน	★	★★	★★★

   การตั้งค่างานพิมพ์ใช้เวลาเพียงไม่กี่วินาทีใน PreForm ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์เตรียมงานพิมพ์สำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติระดับมืออาชีพของ Formlabs หากแบบแม่พิมพ์ของคุณต้องใช้โครงสร้างรองรับ (support structures) ในการพิมพ์ ให้จัดวางครึ่งแม่พิมพ์ใน PreForm โดยให้ส่วนโพรง (cavity) หงายขึ้น วิธีนี้จะช่วยให้ขั้นตอนหลังการพิมพ์ง่ายขึ้น และช่วยให้ได้พื้นผิวของชิ้นงานที่มีคุณภาพสูง

   ขึ้นอยู่กับรูปทรงและขนาด คุณสามารถพิมพ์แม่พิมพ์หลายชิ้นพร้อมกันบนแท่นพิมพ์ (build platform) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการพิมพ์

3. การฉีดขึ้นรูปชิ้นส่วนพลาสติก
   

   ตอนนี้เมื่อคุณได้ออกแบบและพิมพ์แม่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติเรียบร้อยแล้ว คุณสามารถนำไปใช้ฉีดขึ้นรูปชิ้นงานด้วยเครื่องฉีดขึ้นรูปพลาสติกแบบตั้งโต๊ะได้

   คุณมีวัสดุให้เลือกใช้สำหรับการฉีดขึ้นรูปหลากหลายชนิด โดย Formlabs และลูกค้าของเราได้ทดสอบวัสดุต่อไปนี้ร่วมกับแม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วย 3 มิติ:

   LDPE
   PP
   PA
   PE
   TPE
   TPU
   PLA
   ABS
   ASA
   HDPE
   EVA
   PS
   POM

   ก่อนเลือกวัสดุ ควรพิจารณาคุณสมบัติที่ต้องการของชิ้นงาน และความสามารถของเครื่องฉีดขึ้นรูปของคุณ จากนั้นให้ปฏิบัติตามคำแนะนำเฉพาะของเครื่องฉีดขึ้นรูปเพื่อผลิตชิ้นงานได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ

   ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ในการฉีดขึ้นรูป การยึดติดของชิ้นงานกับแม่พิมพ์อาจทำให้แม่พิมพ์เสื่อมสภาพระหว่างการถอดชิ้นงานออก โดยเฉพาะวัสดุที่มีความยืดหยุ่น เช่น TPU หรือ TPE การใช้สารช่วยถอดแบบ (mold release agent) เป็นวิธีที่ดีในการช่วยให้แยกชิ้นงานออกจากแม่พิมพ์ได้ง่าย โดยสารปลดแบบชนิดซิลิโคนสามารถใช้งานร่วมกับ Formlabs Grey Pro Resin, High Temp Resin และ Rigid 10K Resin ได้

   หากคุณมีคำถามเพิ่มเติมเกี่ยวกับขั้นตอนการทำงาน อย่าลืมเข้าไปดูบทความคำถามที่พบบ่อย (FAQ): Injection Molding With 3D Printed Molds
   

เคล็ดลับสำหรับนักออกแบบที่ต้องการลองทำการฉีดขึ้นรูปแบบ DIY

เมื่อออกแบบแม่พิมพ์ ควรพิจารณาทั้งสิ่งที่จะสามารถพิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติได้สำเร็จ และสิ่งที่จะสามารถขึ้นรูปได้สำเร็จด้วยการฉีดขึ้นรูป

แนวทางในการทำ DIY injection molding อาจแตกต่างกันไปตามแบบและปริมาณที่คุณต้องการ แต่เคล็ดลับต่อไปนี้จะช่วยเพิ่มโอกาสความสำเร็จของคุณได้

เพื่อลดการมองเห็นของเส้นเลเยอร์บนชิ้นงานสุดท้าย ให้พิมพ์แม่พิมพ์ด้วยความหนาชั้นที่เล็กลง (50 หรือ 25 ไมครอนต่อชั้น แทนค่าเริ่มต้นที่ 100 ไมครอน) โดยต้องทราบว่าการตั้งค่านี้จะทำให้ใช้เวลาในการพิมพ์นานขึ้น

การเพิ่มมุมดราฟต์ (draft) ประมาณ 2 ถึง 5 องศาบนพื้นผิวที่ตั้งฉากกับทิศทางการดึงชิ้นงานออก จะช่วยให้สามารถถอดชิ้นงานได้ง่ายขึ้น และลดการสึกหรอของแม่พิมพ์

คุณสามารถขัดพื้นผิวแนวแยก (split-plane) ด้วยกระดาษทรายละเอียดเพื่อลดการเกิดครีบ (flash)

พิจารณาใช้การแช่น้ำ (water bath) เพื่อช่วยให้ชิ้นงานเย็นตัวเร็วขึ้น และลดการบิดงอ (warping)

รายละเอียดแบบนูน (embossed) และแบบแกะ (engraved) ควรยกห่างจากพื้นผิวอย่างน้อย 1 มิลลิเมตร

หากออกแบบสำหรับโครงแม่พิมพ์อะลูมิเนียม ให้เพิ่มความหนาด้านหลังของแผ่นแม่พิมพ์อีก 0.125 มิลลิเมตร เพื่อชดเชยแรงกด และช่วยให้เกิดการปิดผนึกที่สมบูรณ์

การพลิกโฉมแม่พิมพ์ด้วยการพิมพ์ 3 มิติ

การพูดถึงการพิมพ์ 3 มิติและการฉีดขึ้นรูปมักถูกมองว่าเป็นสิ่งที่ตรงข้ามกัน แต่ในความเป็นจริงแล้ว ไม่ได้จำเป็นต้องเลือกอย่างใดอย่างหนึ่งเสมอไป โดยการพิมพ์ชิ้นงานโดยตรงด้วย 3 มิติ หรือการใช้แม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วย 3 มิติสำหรับการฉีดขึ้นรูปในงานต้นแบบและการผลิตปริมาณน้อย คุณสามารถใช้ประโยชน์จากข้อดีของทั้งสองเทคโนโลยีร่วมกันได้ วิธีนี้จะช่วยให้กระบวนการผลิตของคุณมีประสิทธิภาพทั้งด้านเวลาและต้นทุนมากขึ้น และช่วยให้คุณสามารถนำสินค้าออกสู่ตลาดได้รวดเร็วยิ่งขึ้น

ต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการฉีดขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วย 3 มิติหรือไม่ ดาวน์โหลดไวท์เปเปอร์ของเราเพื่อดูแนวทางโดยละเอียดสำหรับการใช้งานแม่พิมพ์ 3 มิติในกระบวนการฉีดขึ้นรูป พร้อมทั้งศึกษากรณีตัวอย่างจริงจาก Braskem, Holimaker และ Novus Applications

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

แหล่งอ้างอิง

https://formlabs.com/blog/diy-injection-molding/