กระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ เช่น การฉีดขึ้นรูป การขึ้นรูปด้วยความร้อน หรือการหล่อ จำเป็นต้องใช้เครื่องมือที่ทำขึ้นเฉพาะทางเพื่อสร้างชิ้นส่วนสำหรับการใช้งานจริง อย่างไรก็ตาม เครื่องมือเหล่านี้มาพร้อมกับต้นทุนเริ่มต้นที่สูง และระยะเวลารอคอยจากผู้ให้บริการที่ยาวนานหลายสัปดาห์หรือหลายเดือน ซึ่งทำให้การพัฒนาผลิตภัณฑ์ล่าช้า และยืดระยะเวลาที่ผลิตภัณฑ์จะออกสู่ตลาดออกไป

การนำกระบวนการทำเครื่องมืออย่างรวดเร็วภายในองค์กร เช่น แม่พิมพ์ ลวดลายต้นแบบ และดายที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ เข้ามาเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการพัฒนาผลิตภัณฑ์ ช่วยให้ธุรกิจสามารถตรวจสอบและยืนยันความถูกต้องของการออกแบบและการเลือกใช้วัสดุก่อนที่จะเปลี่ยนผ่านไปสู่การผลิตจำนวนมาก อีกทั้งยังเป็นวิธีที่มีต้นทุนเข้าถึงได้ในการผลิตชิ้นส่วนสำหรับการใช้งานจริงแบบสั่งทำพิเศษหรือแบบผลิตจำนวนจำกัดอีกด้วย

คู่มือฉบับครอบคลุมนี้จะกล่าวถึง:

1. สิ่งที่ทำให้การทำเครื่องมืออย่างรวดเร็วแตกต่างจากการทำเครื่องมือแบบดั้งเดิม

2. การประยุกต์ใช้งานที่หลากหลายของการทำเครื่องมืออย่างรวดเร็ว

3. กรณีศึกษาจากการใช้งานจริงที่เกี่ยวข้องกับการทำเครื่องมืออย่างรวดเร็ว

4. กระบวนการผลิตที่สามารถได้รับประโยชน์จากการทำเครื่องมืออย่างรวดเร็ว

5. วิธีการเริ่มต้นสร้างเครื่องมืออย่างรวดเร็วภายในองค์กรด้วยตนเอง

Rapid Tooling คืออะไร?

Rapid tooling คือกลุ่มของเทคนิคที่ใช้ในการผลิตเครื่องมืออย่างรวดเร็ว ด้วยต้นทุนต่ำ และมีประสิทธิภาพ สำหรับกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม เพื่อสร้างชิ้นส่วนภายในระยะเวลาที่กระชั้นชิดหรือในปริมาณที่น้อยกว่า

เครื่องมือแบบดั้งเดิมมักผลิตจากโลหะที่มีความทนทาน โดยใช้เทคโนโลยี เช่น การกลึงกัดด้วยเครื่องจักร และการหล่อโลหะ อย่างไรก็ตาม กระบวนการเหล่านี้มีค่าใช้จ่ายสูง และเหมาะสมกับรอบการผลิตในระดับขนาดใหญ่ เมื่อถูกนำมาใช้สำหรับการปรับแก้เครื่องมือหลายรอบ หรือเพื่อผลิตเครื่องมือที่ใช้สำหรับการผลิตชิ้นส่วนเพียงล็อตเล็ก ๆ ต้นทุนจะเพิ่มสูงขึ้น และระยะเวลาในการผลิตจะยืดออกไปอย่างมาก

การนำ rapid tooling เข้ามาเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการพัฒนาผลิตภัณฑ์ ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถตรวจสอบและยืนยันการออกแบบและการเลือกใช้วัสดุก่อนที่จะเปลี่ยนผ่านไปสู่การผลิตจำนวนมาก เพื่อเร่งการพัฒนาผลิตภัณฑ์ ทำการปรับปรุงแบบได้อย่างรวดเร็ว และนำผลิตภัณฑ์ที่ดียิ่งขึ้นออกสู่ตลาด Rapid tooling ช่วยให้วิศวกรสามารถใช้วัสดุเกรดเดียวกับการผลิตจริง เพื่อประเมินว่าชิ้นส่วนจะทำงานอย่างไรในสภาพการใช้งานจริง และสามารถผลิตสินค้าในปริมาณจำกัดสำหรับการทดสอบเบต้าและการทดสอบยืนยันผล Rapid tooling ยังสามารถช่วยแก้ไขปัญหาในกระบวนการผลิตก่อนที่จะลงทุนในเครื่องมือการผลิตที่มีราคาสูง

ในอีกทางหนึ่ง rapid tooling ยังเป็นวิธีในการผลิตชิ้นส่วนสำหรับการใช้งานจริงแบบสั่งทำพิเศษหรือแบบผลิตจำนวนจำกัด โดยใช้กระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม ซึ่งหากใช้เครื่องมือแบบดั้งเดิมจะมีต้นทุนสูงจนไม่คุ้มค่า วิธีนี้ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถทดสอบตลาดสำหรับผลิตภัณฑ์ใหม่ เสนอผลิตภัณฑ์ได้หลากหลายมากขึ้น หรือปรับแต่งชิ้นส่วนตามความต้องการของลูกค้าได้

Rapid Tooling เทียบกับ Rapid Prototyping

ผู้ที่คุ้นเคยกับการทำต้นแบบอย่างรวดเร็ว (Rapid Prototyping) อาจตั้งคำถามเกี่ยวกับความแตกต่างระหว่างการทำต้นแบบอย่างรวดเร็วและการทำเครื่องมืออย่างรวดเร็ว (Rapid Tooling)

Rapid prototyping คือกลุ่มของเทคนิคที่ใช้ในการผลิตแบบจำลองตามสัดส่วนของชิ้นส่วนหรือชุดประกอบทางกายภาพอย่างรวดเร็ว โดยอ้างอิงจากข้อมูลการออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์สามมิติ (CAD) เนื่องจากชิ้นส่วนหรือชุดประกอบเหล่านี้มักถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ แทนที่จะเป็นวิธีการแบบตัดเฉือนวัสดุแบบดั้งเดิม คำนี้จึงกลายเป็นคำที่ใช้แทนความหมายของการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) และการพิมพ์สามมิติ (3D Printing)

Rapid tooling ใช้กระบวนการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุหรือกระบวนการตัดเฉือน เพื่อสร้าง “เครื่องมือ” ไม่ใช่สร้างชิ้นส่วนโดยตรง แต่เป็นการสร้างแม่พิมพ์ ดาย หรือแบบหล่อ ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมเพื่อผลิตชิ้นส่วนขั้นสุดท้าย วิธีนี้ทำหน้าที่เชื่อมช่องว่างระหว่างการทำต้นแบบ (อย่างรวดเร็ว) กับการผลิตจริง และช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนสำหรับการใช้งานจริงได้

Soft Tooling เทียบกับ Hard Tooling

คำว่า soft tooling และ hard tooling มักถูกกล่าวถึงในบริบทของ rapid tooling อยู่บ่อยครั้ง Soft tooling โดยทั่วไปหมายถึงการใช้แม่พิมพ์ซิลิโคนและกระบวนการหล่อยูรีเทน (urethane casting) คล้ายกับ rapid tooling คือมักถูกนำมาใช้ในการทำต้นแบบ (prototyping) การทำเครื่องมือสะพาน (bridge tooling) และการผลิตในปริมาณน้อย แบบต้นแบบสำหรับการหล่อยูรีเทนก็มักถูกผลิตด้วยการพิมพ์สามมิติ

Hard tooling เป็นคำที่ใช้แทนเครื่องมือที่ทำจากโลหะ โดยมักใช้ในบริบทของการฉีดขึ้นรูป (injection molding) เป็นหลัก Hard tooling สามารถผลิตได้ด้วยวิธีการของ rapid tooling โดยส่วนใหญ่ทำจากอะลูมิเนียม Hard tooling มีความทนทาน และสามารถรองรับการผลิตในปริมาณมากได้ แต่มีต้นทุนสูงกว่า soft tooling หรือวิธี rapid tooling ส่วนใหญ่อย่างมีนัยสำคัญ จึงเหมาะสมกับการผลิตจำนวนมากมากกว่า

การประยุกต์ใช้งานของ Rapid Tooling

Rapid tooling สามารถนำมาใช้เพื่อสนับสนุนกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมที่หลากหลาย เพื่อผลิตชิ้นส่วนที่ทำจากพลาสติก ซิลิโคน หรือยาง วัสดุคอมโพสิต และแม้กระทั่งชิ้นส่วนโลหะ

การผลิตชิ้นส่วนพลาสติก (Plastic parts fabrication):

1. การฉีดขึ้นรูป (Injection Molding)
2. การขึ้นรูปด้วยความร้อน (Thermoforming)
3. การหล่อ (Casting)
4. การโอเวอร์โมลดิ้งและการขึ้นรูปแบบแทรกชิ้นส่วน (Overmolding and Insert Molding)
5. การขึ้นรูปแบบอัด (Compression Molding)

การผลิตชิ้นส่วนซิลิโคนหรือยาง (Silicone or rubber parts fabrication):

1. การฉีดขึ้นรูป (Injection Molding)
2. การหล่อ (Casting)
3. การขึ้นรูปแบบอัด (Compression Molding)
4. การโอเวอร์โมลดิ้งและการขึ้นรูปแบบแทรกชิ้นส่วน (Overmolding and Insert Molding)

การผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิต (Composite parts fabrication):

1. การขึ้นรูปด้วยความร้อน (Thermoforming)
2. การขึ้นรูปแบบอัด (Compression Molding)
3. การขึ้นรูป (Forming)

การผลิตชิ้นส่วนโลหะ (Metal parts fabrication):

1. การหล่อ (Casting)

2. การขึ้นรูปโลหะแผ่น (Sheet Metal Forming)

วิธีการทำ rapid tooling ที่แตกต่างกันสามารถจัดแบ่งออกได้เป็นสองหมวดหมู่หลัก ได้แก่ แบบทางตรง (direct tooling) และแบบทางอ้อม (indirect tooling)

การทำเครื่องมือแบบทางอ้อม (indirect tooling) เกี่ยวข้องกับการใช้ต้นแบบหลัก (master patterns) เพื่อผลิตแม่พิมพ์หรือเครื่องมือ ซึ่งจากนั้นจะถูกนำไปใช้ผลิตชิ้นส่วนขั้นสุดท้าย

ส่วนการทำ rapid tooling แบบทางตรง (direct rapid tooling) เครื่องจักรหรือเครื่องพิมพ์สามมิติระดับอุตสาหกรรมจะสร้างแม่พิมพ์ ดาย หรือเครื่องมือจริงโดยตรง ซึ่งถูกนำไปใช้ในการผลิตชิ้นส่วนขั้นสุดท้ายทันที

การฉีดขึ้นรูป

การฉีดขึ้นรูปเป็นหนึ่งในกระบวนการผลิตที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับชิ้นส่วนเทอร์โมพลาสติก ซิลิโคน หรือยาง เนื่องจากต้นทุนที่สูงมากของเครื่องมือโลหะแบบดั้งเดิม กระบวนการนี้จึงเป็นกระบวนการที่สามารถได้รับประโยชน์จาก rapid tooling ได้มากที่สุด

ด้วยเครื่องพิมพ์เรซินสามมิติแบบตั้งโต๊ะที่มีราคาจับต้องได้ และวัสดุการพิมพ์สามมิติที่ทนต่ออุณหภูมิสูง จึงสามารถสร้างแม่พิมพ์ฉีดขึ้นรูปที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติภายในองค์กร เพื่อผลิตต้นแบบที่ใช้งานได้จริงและชิ้นส่วนขนาดเล็กที่ใช้งานได้จริง โดยใช้พลาสติกเกรดสำหรับการผลิตจริง

สำหรับการผลิตในปริมาณน้อย (ประมาณ 10–1000 ชิ้น) แม่พิมพ์ฉีดขึ้นรูปที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติช่วยประหยัดทั้งเวลาและค่าใช้จ่าย เมื่อเทียบกับแม่พิมพ์โลหะที่มีราคาแพง อีกทั้งยังเอื้อให้เกิดแนวทางการผลิตและการพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่คล่องตัวมากขึ้น โดยเปิดโอกาสให้วิศวกรและนักออกแบบสามารถสร้างต้นแบบที่ใช้งานได้จริง หรือชิ้นส่วนสำหรับการใช้งานจริงในปริมาณน้อย เพื่อทดสอบและยืนยันการเลือกใช้วัสดุ และทำการปรับปรุงแบบอย่างต่อเนื่อง ด้วยระยะเวลานำสั้นและต้นทุนต่ำ ก่อนที่จะลงทุนใน hard tooling

การพิมพ์สามมิติแบบสเตอริโอลิโทกราฟี (SLA) เป็นทางเลือกที่คุ้มค่ากว่าการกัดกลึงแม่พิมพ์จากอะลูมิเนียมหรือเหล็ก ชิ้นงานที่พิมพ์ด้วย SLA มีเนื้อวัสดุทึบเต็มและมีคุณสมบัติเท่ากันทุกทิศทาง (isotropic) และมีวัสดุที่สามารถทนต่ออุณหภูมิวิบัติจากความร้อน (heat deflection temperature) ได้สูงถึง 238°C ที่ความดัน 0.45 MPa ซึ่งหมายความว่าสามารถทนต่อความร้อนและแรงดันของกระบวนการฉีดขึ้นรูปได้

ผู้รับจ้างผลิตตามสัญญา Multiplus ซึ่งตั้งอยู่ในเมืองเซินเจิ้น ใช้แม่พิมพ์ฉีดขึ้นรูปที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ โดยใช้วัสดุ Rigid 10K Resin ที่มีการเติมเส้นใยแก้วในปริมาณสูงและทนความร้อน บนเครื่องพิมพ์เรซินสามมิติของ Formlabs ช่วยลดระยะเวลานำสำหรับการผลิตชิ้นส่วนฉีดขึ้นรูปล็อตเล็กประมาณ 100 ชิ้น จากสี่สัปดาห์เหลือเพียงสามวัน

โครงกล่องควบคุม (Control Box Housings) ที่ทำจากวัสดุ ABS ซึ่งผลิตด้วยกระบวนการฉีดขึ้นรูป โดยใช้แม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ

ตัวอย่างเพิ่มเติม ได้แก่ สายรัดหน้ากากฉุกเฉินโดยบริษัทปิโตรเคมี Braskem และชิ้นส่วนต้นแบบรวมถึงชิ้นส่วนก่อนการผลิตจริงสำหรับลูกค้าของผู้ผลิตเครื่องฉีดขึ้นรูปแบบควบคุมด้วยมือ Holimaker
ในฐานะทางเลือกสำหรับการผลิตในปริมาณระดับกลางประมาณ 500 ถึง 10,000 ชิ้น การกัดกลึงแม่พิมพ์จากอะลูมิเนียมก็สามารถช่วยลดต้นทุนคงที่ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตแม่พิมพ์ได้เช่นกัน การกัดกลึงอะลูมิเนียมทำได้เร็วกว่าเหล็กประมาณห้าถึงสิบเท่า และก่อให้เกิดการสึกหรอต่อเครื่องมือน้อยกว่า ซึ่งหมายถึงระยะเวลานำที่สั้นลงและต้นทุนที่ลดลง

นอกจากนี้ อะลูมิเนียมยังนำความร้อนได้เร็วกว่าหล็ก ส่งผลให้ความจำเป็นในการทำช่องระบายความร้อนลดลง และเปิดโอกาสให้ผู้ผลิตสามารถออกแบบแม่พิมพ์ให้เรียบง่ายขึ้น ขณะเดียวกันก็ยังคงรักษาเวลารอบการผลิต (cycle time) ให้สั้นได้

การขึ้นรูปด้วยความร้อน

การขึ้นรูปด้วยความร้อน (Thermoforming) เป็นกระบวนการผลิตแบบครอบคลุมที่รวมวิธีการต่าง ๆ ที่ผู้ผลิตสามารถเลือกใช้ในการขึ้นรูปแผ่นพลาสติกที่ถูกให้ความร้อน เช่น การขึ้นรูปด้วยสุญญากาศ (Vacuum Forming) และการขึ้นรูปด้วยแรงดัน (Pressure Forming) กระบวนการขึ้นรูปด้วยความร้อนช่วยให้ผู้ผลิตสามารถผลิตชิ้นส่วนจากวัสดุเทอร์โมพลาสติกหลากหลายประเภท รวมถึงวัสดุคอมโพสิตได้

ธุรกิจจำนวนมากเลือกใช้การพิมพ์สามมิติแบบ SLA เพื่อสร้างแม่พิมพ์สำหรับกระบวนการขึ้นรูปด้วยความร้อน เนื่องจากให้ระยะเวลาผลิตที่รวดเร็วในราคาที่ต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตระยะสั้น ชิ้นส่วนสั่งทำพิเศษ และงานออกแบบต้นแบบ การพิมพ์สามมิติยังมอบอิสระในการออกแบบที่เหนือกว่า เพื่อสร้างแม่พิมพ์ที่มีรูปทรงซับซ้อนและละเอียดอ่อน ใช้เครื่องพิมพ์ SLA แบบตั้งโต๊ะ Form 4 เพื่อผลิตแม่พิมพ์ขนาดเล็ก และใช้เครื่องพิมพ์สามมิติขนาดใหญ่ Form 4L สำหรับแม่พิมพ์ที่มีขนาดสูงสุดถึง 35.3 x 19.6 x 35 เซนติเมตร (13.9 x 7.7 x 13.8 นิ้ว)
บริษัทพัฒนาผลิตภัณฑ์ Glassboard ใช้ประโยชน์จากความเร็วในการพิมพ์ของวัสดุ Fast Model Resin เพื่อผลิตแม่พิมพ์ได้อย่างรวดเร็ว และขึ้นรูปต้นแบบโพลีคาร์บอเนต เช่น เปลือกหมวกกันน็อกหรือบรรจุภัณฑ์ พวกเขาสามารถสร้างรูปทรงแม่พิมพ์ที่ซับซ้อน ซึ่งยากต่อการผลิตด้วยวิธีดั้งเดิม รวมถึงรายละเอียดขนาดเล็กและรูสำหรับช่วยกระจายแรงดูดสุญญากาศบนพื้นผิวได้อย่างสม่ำเสมอยิ่งขึ้น

บริษัทพัฒนาผลิตภัณฑ์ Glassboard ใช้แม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติในการขึ้นรูปด้วยความร้อนต้นแบบโพลีคาร์บอเนต เช่น เปลือกหมวกกันน็อกหรือบรรจุภัณฑ์

ผู้ผลิตเครื่องสำอาง Lush เคยสร้างแม่พิมพ์ต้นแบบหลักสำหรับผลิตภัณฑ์ยอดนิยมของพวกเขาด้วยมือ แต่ในช่วงหลัง พวกเขาได้หันมาใช้การพิมพ์สามมิติในการสร้างแม่พิมพ์สำหรับการขึ้นรูปแบบสุญญากาศ (vacuum forming) ที่มีรายละเอียดและพื้นผิวซับซ้อน ซึ่งช่วยให้สามารถเปลี่ยนแนวคิดจากขั้นคอนเซปต์ให้กลายเป็นชิ้นงานจริงได้ภายในเวลาไม่ถึง 24 ชั่วโมง และสามารถทดสอบแนวคิดการออกแบบได้มากกว่าหนึ่งพันแบบในแต่ละปี

ทีมงานของ Lush พิมพ์แม่พิมพ์ต้นแบบหลักด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติภายในองค์กร สำหรับใช้ในกระบวนการขึ้นรูปแบบสุญญากาศ (vacuum forming)
rapid tooling ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติยังเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตชิ้นส่วนสำหรับการใช้งานจริงแบบสั่งทำหรือแบบปรับแต่งเฉพาะบุคคลได้อย่างคุ้มค่า ตัวอย่างเช่น การขึ้นรูปแบบสุญญากาศ (vacuum forming) บนโมเดลที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ เป็นวิธีหลักที่ใช้ในการผลิตเครื่องมือจัดฟันแบบใสในงานทันตกรรมจัดฟัน


การขึ้นรูปแบบสุญญากาศ (vacuum forming) และการขึ้นรูปแบบแรงดัน (pressure forming) บนโมเดลที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ เป็นวิธีหลักที่นิยมใช้ในการผลิตเครื่องมือจัดฟันแบบใสในงานทันตกรรมจัดฟัน

วัสดุคอมโพสิตสมรรถนะสูง เช่น คาร์บอนไฟเบอร์ ก็สามารถนำมาวางชั้นและเคลือบด้วยมือ (hand laminate) บนแม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติได้ เครื่องพิมพ์สามมิติแบบ SLA ให้ผิวงานที่เรียบเนียน ซึ่งเป็นคุณสมบัติสำคัญสำหรับแม่พิมพ์ที่ใช้ในกระบวนการวางชั้นวัสดุ (layup molds)

ทีม TU Berlin Formula Student Team ทำการวางชั้นคาร์บอนไฟเบอร์ด้วยมือบนแม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติสำหรับรถแข่ง แม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วยวัสดุ Tough 1500 Resin มีความแข็งแรงและรองรับโครงสร้างได้ดีในระหว่างกระบวนการวางชั้น อีกทั้งยังมีความยืดหยุ่นเพียงพอในการแยกชิ้นงานออกจากแม่พิมพ์หลังจากกระบวนการบ่ม (curing) เสร็จสิ้น ซึ่งช่วยเปิดโอกาสด้านการออกแบบให้กว้างขึ้น

แม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ และชิ้นส่วนคาร์บอนไฟเบอร์ที่ถอดออกจากแม่พิมพ์แล้ว สำหรับโครงครอบด้านหน้าของพวงมาลัย

การโอเวอร์โมลดิ้งและการขึ้นรูปแบบแทรกชิ้นส่วน

rapid tooling ที่ใช้แม่พิมพ์ซึ่งพิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ ยังสามารถนำมาใช้ในการขึ้นรูปชิ้นส่วนพลาสติก ซิลิโคน หรือยาง รวมถึงการโอเวอร์โมลดิ้งชิ้นส่วนแทรกหรือฮาร์ดแวร์ภายในได้

ทีม Google ATAP ใช้ชิ้นส่วนตัวแทน (stand-ins) ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ หรือชิ้นส่วนทดแทน (surrogate parts) แทนชุดประกอบอิเล็กทรอนิกส์ย่อยที่ผ่านกระบวนการโอเวอร์โมลดิ้ง สำหรับการปรับตั้งแม่พิมพ์เบื้องต้น (initial tool tuning) ภายในโรงงาน

นักออกแบบที่ห้องปฏิบัติการ Google Advanced Technology and Projects (ATAP) สามารถลดต้นทุนได้มากกว่า 100,000 ดอลลาร์สหรัฐ และย่นระยะเวลารอบการทดสอบจากสามสัปดาห์เหลือเพียงสามวัน โดยใช้การผสมผสานระหว่างการพิมพ์สามมิติและการขึ้นรูปแบบแทรกชิ้นส่วน (insert molding) ทีมของ Google ATAP พบว่า ด้วยการพิมพ์ชิ้นส่วนทดสอบด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ พวกเขาสามารถประหยัดทั้งเวลาและค่าใช้จ่าย เมื่อเทียบกับการใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีราคาแพงซึ่งต้องสั่งและจัดส่งมาจากซัพพลายเออร์

Dame Products ซึ่งเป็นสตาร์ทอัพที่ตั้งอยู่ในบรูกลิน ออกแบบผลิตภัณฑ์สำหรับอุตสาหกรรมสุขภาพและสุขภาวะ โดยใช้กระบวนการซิลิโคนอินเสิร์ตโมลดิ้ง (silicone insert molding) เพื่อห่อหุ้มฮาร์ดแวร์ภายในสำหรับต้นแบบเบต้าของลูกค้า สายผลิตภัณฑ์ของ Dame Products ประกอบด้วยรูปทรงตามหลักสรีรศาสตร์ที่ซับซ้อน ซึ่งถูกห่อหุ้มอย่างสมบูรณ์ด้วยชั้นซิลิโคนที่ปลอดภัยต่อผิวหนัง และมีสีสันสดใส

Dame Products ใช้กระบวนการซิลิโคนอินเสิร์ตโมลดิ้ง (silicone insert molding) เพื่อห่อหุ้มฮาร์ดแวร์ภายใน สำหรับต้นแบบเบต้าให้กับลูกค้า

วิศวกรสามารถสร้างต้นแบบอุปกรณ์แบบอินเสิร์ตและโอเวอร์โมลดิ้งได้หลายสิบชิ้นภายในวันเดียว โดยหมุนเวียนใช้แม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติแบบ SLA จำนวนสามหรือสี่ชุด ในขณะที่ยางซิลิโคนของต้นแบบชิ้นหนึ่งกำลังอยู่ในขั้นตอนการบ่ม (curing) ต้นแบบชิ้นถัดไปก็สามารถถอดออกจากแม่พิมพ์ (demolded) และเตรียมสำหรับการเทวัสดุรอบถัดไปได้ กระบวนการเก็บรายละเอียดและทำความสะอาดต้นแบบที่ถอดออกจากแม่พิมพ์แล้วจะดำเนินการควบคู่กันไป

เมื่อฮาร์ดแวร์ต้นแบบถูกส่งกลับมายังบริษัท อุปกรณ์เบต้าจะถูกฟอกทำความสะอาด ชั้นซิลิโคนบาง ๆ จะถูกลอกออก และฮาร์ดแวร์ภายในจะถูกนำกลับมาใช้ซ้ำในต้นแบบเบต้าชิ้นใหม่

การขึ้นรูปแบบอัด

rapid tooling ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติสำหรับกระบวนการขึ้นรูปแบบอัด (compression molding) สามารถนำมาใช้ในการผลิตชิ้นส่วนเทอร์โมพลาสติก ซิลิโคน ยาง และคอมโพสิตได้ สำหรับการทำต้นแบบชิ้นส่วนขนาดเล็กหรือขนาดกลาง การพิมพ์สามมิติอาจเป็นวิธีที่มีต้นทุนต่ำที่สุดและรวดเร็วที่สุดในการสร้างแม่พิมพ์ สามารถปรับแก้แบบได้หลายรอบอย่างรวดเร็วด้วยซอฟต์แวร์ CAD จากนั้นพิมพ์ใหม่และนำไปทดสอบ การพิมพ์สามมิติมักถูกใช้กับแม่พิมพ์อัดที่ออกแบบมาสำหรับการใช้งานที่ไม่ใช้ความร้อนเป็นหลัก

นักพัฒนาผลิตภัณฑ์ของผู้ผลิตเครื่องใช้ในครัว OXO ใช้การพิมพ์สามมิติในการทำต้นแบบชิ้นส่วนที่มีลักษณะยืดหยุ่นคล้ายยาง เช่น ปะเก็น (gaskets) โดยใช้กระบวนการขึ้นรูปแบบอัดด้วยซิลิโคนสองส่วน (two-part silicone) ผ่านแม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ

การพิมพ์สามมิติเป็นวิธีที่รวดเร็วและมีต้นทุนต่ำในการสร้างแม่พิมพ์สำหรับกระบวนการขึ้นรูปแบบอัด

การหล่อ

วิศวกร นักออกแบบ ช่างทำเครื่องประดับ และผู้ที่ทำงานอดิเรก สามารถใช้ประโยชน์จากความรวดเร็วและความยืดหยุ่นของการพิมพ์สามมิติ โดยผสานกระบวนการหล่อโลหะ เช่น การหล่อแบบลงทุนทางอ้อม (indirect investment casting) การหล่อแบบลงทุนโดยตรง (direct investment casting) การหล่อพิวเตอร์ (pewter casting) และการหล่อทราย (sand casting) เข้ากับแบบหล่อที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ หรือทำการหล่อโลหะลงในแม่พิมพ์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ ชิ้นส่วนโลหะที่หล่อโดยใช้ rapid tooling ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติสามารถผลิตได้ภายในระยะเวลาที่เป็นเพียงเศษเสี้ยวของเวลาที่ใช้ในกระบวนการหล่อแบบดั้งเดิม และมีต้นทุนต่ำกว่าการพิมพ์โลหะสามมิติอย่างมีนัยสำคัญ

เครื่องพิมพ์สามมิติแบบสเตอริโอลิโทกราฟี (SLA) ให้ความแม่นยำสูงและมีคลังวัสดุที่หลากหลาย ซึ่งเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการทำงานด้านการหล่อ และสามารถผลิตชิ้นส่วนโลหะได้ในต้นทุนที่ต่ำกว่า มีอิสระในการออกแบบมากกว่า และใช้เวลาน้อยกว่าวิธีการแบบดั้งเดิม

โดยปกติแล้ว แบบหล่อสำหรับการหล่อแบบลงทุนโดยตรงจะถูกแกะสลักด้วยมือ หรือกัดกลึงด้วยเครื่องจักร หากชิ้นส่วนนั้นเป็นงานชิ้นเดียวหรือคาดว่าจะผลิตเพียงไม่กี่ชิ้น อย่างไรก็ตาม ด้วยการพิมพ์สามมิติ ช่างทำเครื่องประดับสามารถพิมพ์แบบหล่อได้โดยตรง ซึ่งช่วยขจัดข้อจำกัดด้านการออกแบบและด้านเวลาที่มักพบในกระบวนการอื่น ๆ

แบบเครื่องประดับที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ และแหวนที่หล่อด้วยโลหะมีค่า

เช่นเดียวกับการหล่อแบบลงทุน (investment casting) การพิมพ์สามมิติสามารถใช้สร้างแบบสำหรับการหล่อทราย (sand casting) ได้ เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุแบบดั้งเดิม เช่น ไม้ การพิมพ์สามมิติช่วยให้ผู้ผลิตสามารถสร้างรูปทรงที่ซับซ้อนได้ และสามารถเปลี่ยนจากแบบดิจิทัลไปสู่กระบวนการหล่อได้โดยตรง

ด้วยการพิมพ์สามมิติ ผู้ผลิตยังสามารถพิมพ์แม่พิมพ์สำหรับแบบหล่อของตนได้โดยตรง โดยใช้วัสดุ เช่น High Temp Resin หรือ Rigid 10K Resin ซึ่งเป็นเรซินที่มีความทนทานต่ออุณหภูมิสูง วิธีการเดียวกันนี้ยังสามารถใช้สร้างแม่พิมพ์สำหรับการหล่อพิวเตอร์โดยตรง (direct pewter casting) ได้อีกด้วย

แบบหล่อที่พิมพ์ด้วย Clear Cast Resin และชิ้นงานโลหะที่หล่อเสร็จสมบูรณ์

นอกเหนือจากโลหะแล้ว การหล่อยังเป็นวิธีที่ได้รับความนิยมในการผลิตชิ้นส่วนซิลิโคนและพลาสติกสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ งานโสตวิทยา การใช้งานที่ต้องปลอดภัยต่ออาหาร และอื่น ๆ

บริษัทอุปกรณ์ทางการแพทย์ Cosm ผลิตเพสซารี (pessary) แบบเฉพาะบุคคลสำหรับผู้ป่วยที่มีภาวะความผิดปกติของกล้ามเนื้ออุ้งเชิงกราน พวกเขาพิมพ์แม่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติแบบ SLA และฉีดซิลิโคนเกรดทางการแพทย์ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ (biocompatible, medical-grade silicone) ลงในแม่พิมพ์เพื่อสร้างชิ้นงาน การใช้ rapid tooling ร่วมกับการพิมพ์สามมิติช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนแบบสั่งทำพิเศษได้ โดยไม่ต้องแบกรับต้นทุนสูงของเครื่องมือแบบดั้งเดิม

เพสซารีแบบเฉพาะบุคคลสำหรับผู้ป่วย ซึ่งผลิตด้วยกระบวนการหล่อซิลิโคน

การผลิตแม่พิมพ์หูแบบสั่งทำด้วยการพิมพ์สามมิติได้ปฏิวัติวงการโสตวิทยาเช่นกัน สำหรับการใช้งาน เช่น เครื่องช่วยฟัง อุปกรณ์ป้องกันเสียง และหูฟังที่สวมใส่พอดีกับแต่ละบุคคล การผลิตแบบดิจิทัลให้การควบคุมและความแม่นยำที่มากกว่าวิธีการผลิตแม่พิมพ์แบบดั้งเดิม ช่วยลดจำนวนความผิดพลาดและการทำงานซ้ำได้อย่างมีนัยสำคัญ

กระบวนการทีละขั้นตอนในการทำจุกหูแบบสั่งทำเฉพาะบุคคล โดยใช้แม่พิมพ์หูซิลิโคน

การขึ้นรูปโลหะแผ่น

rapid tooling ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติยังแสดงคุณสมบัติที่น่าสนใจสำหรับกระบวนการขึ้นรูปโลหะแผ่นอีกด้วย ด้วยลักษณะเด่นด้านความแม่นยำสูงและพื้นผิวที่เรียบเนียน เครื่องพิมพ์สามมิติแบบ SLA สามารถผลิตเครื่องมือที่มีคุณลักษณะการจัดตำแหน่ง (registration features) ที่ยอดเยี่ยม เพื่อให้ได้ความสามารถในการทำซ้ำ (repeatability) ที่ดียิ่งขึ้น

ด้วยคลังวัสดุที่หลากหลายซึ่งมีคุณสมบัติทางกลแตกต่างกัน การเลือกเรซินให้เหมาะสมกับลักษณะการใช้งานเฉพาะสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของผลลัพธ์ในการขึ้นรูปได้ เรซินแบบ SLA มีคุณสมบัติเท่ากันทุกทิศทาง (isotropic) และมีความเสถียรภายใต้แรงกระทำค่อนข้างดีเมื่อเทียบกับวัสดุการพิมพ์สามมิติประเภทอื่น

นอกจากนี้ เครื่องมือที่ทำจากพลาสติกยังสามารถช่วยลดขั้นตอนการขัดผิวได้ เนื่องจากดายพลาสติกจะไม่ทิ้งรอยบนแผ่นโลหะเหมือนดายที่ทำจากโลหะ

ชุดดายบนและดายล่างในหลายเวอร์ชัน ซึ่งผลิตด้วยการพิมพ์สามมิติ สำหรับใช้ในการขึ้นรูปการ์ดป้องกันใบมีดทดแทน

กลไกการทำงานมีลักษณะคล้ายกับกระบวนการขึ้นรูปโลหะแผ่นทั่วไป ความแตกต่างอยู่ที่การออกแบบและการพิมพ์เครื่องมือแบบสองชิ้น ซึ่งประกอบด้วยดายบนและดายล่าง จากนั้นนำแผ่นโลหะเปล่า (blank sheet) วางไว้ระหว่างดายพลาสติกทั้งสองชิ้น และทำการกดด้วยเครื่องอัดไฮดรอลิกหรืออุปกรณ์ขึ้นรูปอื่น ๆ

วิธีการผลิต Rapid Tooling

วิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในการผลิต rapid tooling คือ การพิมพ์สามมิติ และการกัดกลึงด้วยเครื่องจักร ลองเปรียบเทียบกระบวนการทั้งสองแบบเพื่อระบุแนวทางที่เหมาะสม ขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน กระบวนการผลิต ปริมาณการผลิต และปัจจัยอื่น ๆ

การพิมพ์สามมิติ

การพิมพ์สามมิติเป็นวิธีที่รวดเร็วที่สุดและมีต้นทุนต่ำที่สุดในการผลิต rapid tooling สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ดังที่เห็นจากตัวอย่างก่อนหน้านี้ ทั้ง rapid tooling แบบทางตรงและแบบทางอ้อมต่างใช้ประโยชน์จากการพิมพ์สามมิติในรูปแบบที่แตกต่างกัน เพื่อพัฒนาเครื่องมือที่ใช้งานได้จริง เช่น แม่พิมพ์ แบบหล่อ และดาย สำหรับกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมหลากหลายประเภท

ในบรรดากระบวนการพิมพ์สามมิติประเภทต่าง ๆ เครื่องพิมพ์สามมิติแบบ SLA มอบโซลูชันที่หลากหลายและยืดหยุ่นมากที่สุดสำหรับงานเครื่องมือ ชิ้นงานที่พิมพ์ด้วย SLA มีความแม่นยำ กันน้ำได้ มีพื้นผิวเรียบซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานแม่พิมพ์ และสามารถถ่ายทอดรายละเอียดขนาดเล็กสำหรับแม่พิมพ์และแบบหล่อที่มีความซับซ้อนได้

rapid tooling ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการฉีดขึ้นรูปในปริมาณการผลิตต่ำ

วัสดุ SLA สมรรถนะสูงยังสามารถผสานเข้ากับกระบวนการทำงานในระดับอุตสาหกรรมได้อย่างง่ายดาย เพื่อผลิตแม่พิมพ์และแบบหล่อที่มีความแข็งแรง พื้นผิวเรียบ และมีรายละเอียดสูง ซึ่งสามารถใช้ผลิตชิ้นส่วนได้ตั้งแต่หลายร้อยถึงหลายพันชิ้น

 

เครื่องพิมพ์สามมิติแบบ SLA ใช้งานได้ง่ายภายในองค์กร ทำให้การทำ rapid tooling มีความรวดเร็วมากขึ้นและเข้าถึงได้ง่ายยิ่งขึ้น

การพิมพ์สามมิติแบบ SLA ทำให้การทำ rapid tooling ภายในองค์กรเข้าถึงได้ง่ายกว่าที่เคยเป็นมา สามารถจัดตั้งสถานีงานพิมพ์สามมิติ (3D printing workstation) ได้ด้วยงบประมาณที่เหมาะสม และสามารถใช้งานได้อย่างง่ายดายภายในองค์กร ช่วยให้บริษัทสามารถผลิต rapid tooling ได้ภายใน 24 ชั่วโมง และปรับปรุงแบบได้รวดเร็วกว่ากระบวนการอื่นใด

การกัดกลึงด้วยเครื่องจักร

การกัดกลึงด้วยเครื่องจักรเป็นหนึ่งในวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการผลิตเครื่องมือแบบดั้งเดิมและ hard tooling แต่ก็สามารถนำมาใช้ในการสร้าง rapid tooling ได้เช่นกัน แทนที่จะใช้โลหะที่มีความทนทานสูง เช่น เหล็กหรือโลหะผสมนิกเกิล rapid tooling มักถูกกัดกลึงจากวัสดุอย่าง tooling board ไม้ พลาสติก หรืออะลูมิเนียม

เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องมือที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ เครื่องมือที่กัดกลึงจากวัสดุอ่อนอาจมีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับเครื่องมือขนาดใหญ่และรูปทรงที่เรียบง่าย แต่จะมีความใช้แรงงานสูงและมีต้นทุนเพิ่มขึ้นตามความซับซ้อนของการออกแบบ เครื่องมืออะลูมิเนียมมีความทนทานมากกว่า และโดยทั่วไปถูกใช้สำหรับการผลิตในปริมาณต่ำถึงปานกลาง โดยเฉพาะในงานฉีดขึ้นรูป

เครื่องจักรสำหรับการกัดกลึงมีราคาสูงกว่า ต้องใช้ผู้ปฏิบัติงานที่มีทักษะ และมีขั้นตอนการทำงานที่ซับซ้อนสำหรับการผลิตภายในองค์กร เมื่อเทียบกับเครื่องพิมพ์สามมิติ โดยเฉพาะสำหรับชิ้นงานแบบครั้งเดียว เช่น การทำต้นแบบหลายเวอร์ชันต่อเนื่องของ rapid tooling ด้วยเหตุนี้ หลายบริษัทจึงเลือกจ้างผู้ให้บริการภายนอกในการกัดกลึง แต่แนวทางนี้มักมาพร้อมกับระยะเวลานำที่ยาวนานหลายสัปดาห์ และปัจจัยด้าน “ความรวดเร็ว” ของ rapid tooling ก็ลดลงอย่างมาก

เปรียบเทียบกระบวนการผลิตสำหรับ Rapid Tooling

หัวข้อ	3D Printed Rapid Tooling	Machined Rapid Tooling
วิธีการ (Method)	การผลิตเครื่องมือและชิ้นส่วนภายในองค์กร	การผลิตเครื่องมือโดยจ้างภายนอก และมักรวมถึงการผลิตชิ้นส่วนด้วย
อุปกรณ์ที่ต้องใช้ (Equipment required)	เครื่องพิมพ์สามมิติ และเครื่องมือการผลิต (เช่น เครื่องฉีดขึ้นรูปแบบตั้งโต๊ะ เครื่องเทอร์โมฟอร์ม ฯลฯ)	-
วัสดุ (Material)	โพลิเมอร์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ	Tooling board ที่กัดกลึง ไม้ พลาสติก หรืออะลูมิเนียม
ต้นทุนเครื่องมือ (Tooling cost)	$	$$ - $$$
ระยะเวลานำจนได้ชิ้นส่วนสุดท้าย (Lead time to final parts)	หนึ่งถึงสามวัน	หนึ่งถึงสี่สัปดาห์
ปริมาณการผลิตที่เหมาะสม (Ideal production volume)	น้อยกว่า 500 ชิ้น	50 – 10,000 ชิ้น
การใช้งาน (Applications)	การทำต้นแบบการทดสอบยืนยันผลิตภัณฑ์การผลิตแบบสั่งทำพิเศษการผลิตระยะสั้นหรือแบบตามความต้องการการผลิตสะพาน (Bridge production)	การทดสอบยืนยันผลิตภัณฑ์การผลิตระยะสั้นหรือแบบตามความต้องการการผลิตสะพาน (Bridge production)

Rapid Tooling ด้วยการพิมพ์สามมิติทำงานอย่างไร

rapid tooling สามารถผสานเข้ากับกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมที่หลากหลายได้อย่างราบรื่น ขั้นตอนการทำงานจะแตกต่างกันไปตามกระบวนการผลิตเฉพาะแต่ละประเภท แต่โดยทั่วไปแล้วจะประกอบด้วยขั้นตอนดังต่อไปนี้

	การออกแบบ (Design) ออกแบบแม่พิมพ์ แบบหล่อ ดาย หรือเครื่องมือต้นแบบหลักของคุณด้วยซอฟต์แวร์ CAD
	การพิมพ์สามมิติ (3D Print) เลือกวัสดุที่เหมาะสมกับลักษณะการใช้งาน Formlabs มีคลังวัสดุที่ครอบคลุมและหลากหลาย ซึ่งสามารถนำมาใช้พิมพ์ rapid tooling ได้หลายประเภท บนเครื่องพิมพ์สามมิติแบบ SLA ของ Formlabs
	การผลิต (Manufacture) สำหรับวิธีการ rapid tooling แบบทางตรง (direct rapid tooling) คุณสามารถนำเครื่องมือที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติไปติดตั้งในเครื่องจักร และดำเนินกระบวนการผลิตได้ทันทีสำหรับ rapid tooling แบบทางอ้อม (indirect rapid tooling) ให้สร้างแม่พิมพ์หรือเครื่องมือโดยอ้างอิงจากต้นแบบหลัก (master pattern) จากนั้นจึงนำเครื่องมือขั้นสุดท้ายนั้นไปใช้ในกระบวนการทำงานของคุณ
	การปรับแต่งหลังการผลิต (Post-Process) ดำเนินการขั้นตอนปรับแต่งหลังการผลิตที่จำเป็น เพื่อให้ได้คุณภาพผิวและคุณสมบัติของชิ้นส่วนสำหรับการใช้งานจริง

 

เริ่มต้นใช้งาน Rapid Tooling

การผสาน rapid tooling ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติเข้ากับกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม ช่วยให้คุณยกระดับกระบวนการผลิตด้วยการเพิ่มความยืดหยุ่น ความคล่องตัว ความสามารถในการขยายกำลังการผลิต และความคุ้มค่าด้านต้นทุน ตรวจสอบและยืนยันการออกแบบรวมถึงการเลือกใช้วัสดุก่อนเปลี่ยนผ่านไปสู่การผลิตจำนวนมาก และสามารถผลิตชิ้นส่วนสำหรับการใช้งานจริงแบบสั่งทำพิเศษหรือแบบผลิตจำนวนจำกัดได้

สำรวจกระบวนการต่าง ๆ และดาวน์โหลดเอกสารไวท์เปเปอร์ที่มีรายละเอียดเกี่ยวกับขั้นตอนการทำงาน แนวทางปฏิบัติ และกรณีศึกษาจริงได้จากเว็บไซต์ของเรา หากคุณมีคำถามใด ๆ โปรดติดต่อผู้เชี่ยวชาญด้านโซลูชันของ Formlabs เพื่อเริ่มต้นใช้งาน

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

 

แหล่งอ้างอิง

https://formlabs.com/blog/rapid-tooling/