เทคโนโลยี มุมมอง และแนวโน้มล่าสุดของตลาดการผลิตแบบเติมวัสดุในปี 2023

ในปัจจุบันการผลิตด้วยวิธีเติมวัสดุหรือการพิมพ์ 3 มิติ เป็นที่รู้จักและใช้งานกันอย่างแพร่หลาย จากแต่เดิมใช้สำหรับการทำต้นแบบ (Prototyping) ด้วยความเร็วในการผลิตที่ช้าและต้นทุนสูง แต่ในปัจจุบันเริ่มมีการนำมาใช้เป็นกระบวนการผลิตหนึ่งในห่วงโซ่การผลิตเนื่องจากความเร็วในการผลิตที่ดีขึ้นและต้นทุนที่ถูกลงด้วยการใช้วัสดุแบบเม็ด (Pallet)

ซึ่งหาซื้อได้ทั่วไปแบบเดียวกับที่ใช้ในการผลิตแบบเดิม มีราคาถูกกว่าแบบเส้น (Filament) มาก ทำให้ต้นทุนต่อหน่วยต่ำลง (ประมาณ 20 เท่า) อุปสรรคในการเลือกใช้ลดลง อีกทั้งยังมีเครื่องพิมพ์ที่สามารถพิมพ์หลายวัสดุได้ในการพิมพ์เดียว เป็นการช่วยลดขั้นตอนกระบวนการทำงาน แต่การผลิตแบบเติมวัสดุยังมีสิ่งที่ต้องปรับปรุงให้ดีขึ้นในด้านของอัตราของเสีย (Scrap Rate) อย่างน้อยต้องทัดเทียมกับการผลิตแบบเดิม แม้ของเสียหลายอย่างจะสามารถนำกลับมารีไซเคิลใหม่ได้ แต่การนำของเสียไปผลิตใหม่จำเป็นต้องใช้เวลาและพลังงานอยู่ดี จึงไม่ตอบโจทย์เรื่องความต้องการในการลดการปล่อยคาร์บอนจากการผลิต ที่เป็นทิศทางของความยั่งยืนในปัจจุบัน นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่ต้องคำนึงถึงเกี่ยวกับจำนวนพารามิเตอร์ที่ควบคุมในการผลิตแบบเติมวัสดุนั้นมีมาก ทำให้เทคโนโลยีเซนเซอร์แบบเดิมมีความไวไม่พอที่จะจับการเปลี่ยนแปลง จำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีเซนเซอร์ที่ดีกว่าเดิมซึ่งต้องพัฒนากันต่อไป บทความนี้จะมาอัปเดตเทรนด์ล่าสุดของการผลิตแบบเติมวัสดุในปี 2023 กัน

อุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ด้วยการแข่งขันระหว่างกระบวนการพิมพ์ 3 มิติที่แตกต่างกันและความก้าวหน้าทางเทคนิคของเครื่องจักรและกระบวนการวิศวกรรม  โดยทั่วไปแล้วสิ่งนี้เป็นการยืนยันว่าอุตสาหกรรมของการพิมพ์ 3 มิติที่เกี่ยวข้องกับกลยุทธ์การผลิตแบบเดิม (การหล่อหรือการกัด) ยังคงเติบโตเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

Dr.-Ing. Vincent Morrison, CEO ของ Aim3D ในเมือง Rostock ประเทศเยอรมนี

(ที่มา: Aim3D)

การผลิตชิ้นส่วนในตลาดการผลิตส่วนประกอบชุดเล็กและกลาง (ซึ่งมีมากถึง 100,000 ชิ้น/ปี) มีแนวทางใหม่ ๆ และน่าสนใจมากมาย ทั้งการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้โลหะ โพลิเมอร์ ไปจนถึงเซรามิก เกณฑ์ในการแข่งขัน ได้แก่ ความเร็วในการผลิต ขนาดชิ้นส่วน และประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจของต้นทุนต่อหน่วย ปัจจัยเหล่านี้เป็นตัวกำหนดการตัดสินใจในการลงทุนของผู้ใช้

เมื่อมีผู้ใช้เครื่องมือการพิมพ์ 3 มิติแพร่หลาย จึงมีความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับเครื่องจักรที่ให้ผลิตภาพมากขึ้นและวัสดุที่มีราคาถูกลง เนื่องจากปริมาณงานของเครื่องต้องเพิ่มขึ้นเพื่อลดต้นทุนต่อชิ้นส่วน ความกดดันในการแข่งขันด้วยต้นทุนต่อหน่วยกำลังบังคับให้ผู้ให้บริการการพิมพ์ 3 มิติต้องมองหาระบบและเครื่องจักรที่ทันสมัยที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งกับการตัดสินใจที่จะลงทุน

กลยุทธ์การผลิตแบบเติมวัสดุได้รับการยอมรับในอุตสาหกรรม

การพิมพ์ 3 มิติ ได้พัฒนามาจากกลยุทธ์สำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว (Rapid Prototyping) ไปเป็นกลยุทธ์การผลิตชุดเล็กและกลาง เหตุผลหลัก คือ การเพิ่มอัตราการสร้างและความแม่นยำที่ดีขึ้น ทั้งสองอย่างนี้รวมกันส่งผลเป็นการเพิ่มความสามารถในการแข่งขันอย่างต่อเนื่องเมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการแบบเดิม 

ซัพพลายเออร์ระดับที่ 1 และ 2 (Tier 1, Tier2) หลายรายได้พัฒนาความรู้เกี่ยวกับโอกาสและข้อจำกัดของกระบวนการผลิตแบบเติมวัสดุ นอกจากนี้ยังมีสถาบันวิจัย มหาวิทยาลัย และองค์กรที่มีความเชี่ยวชาญสนับสนุนบริษัทสตาร์ทอัพคอยช่วยเหลือผู้ใช้ที่ยังใหม่ต่อโลกการผลิตแบบเติมวัสดุ หรือ ผู้ที่กำลังปรับกระบวนการการผลิตแบบเติมวัสดุให้เหมาะสม ความรู้จากผู้เชี่ยวชาญช่วยให้สามารถเข้าสู่ตลาดได้เร็วขึ้น และลดวงจรเวลาเข้าสู่ตลาดให้สั้นลงอีกด้วย ตัวอย่างเช่น Faye Mills นักวิทยาศาสตร์จากศูนย์เทคโนโลยีการผลิต (Manufacturing Technology Centre – MTC) ซึ่งเป็นองค์กรอิสระด้านการวิจัยและเทคโนโลยีในเมือง Coventry สหราชอาณาจักร โดยที่ MTC เป็นตัวกลางประสานระหว่างกลยุทธ์การผลิตใหม่ ๆ และการใช้งานเฉพาะทาง Faye Mills ใช้ระบบ CEM ของ Aim3D ในโครงการต่าง ๆ ของลูกค้าอุตสาหกรรมเพื่อทดสอบวัสดุใหม่ ๆ ในภาคส่วนโลหะ พัฒนาแนวทางการออกแบบส่วนประกอบ และเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานของวงจรการเผาผนึก 

ในปัจจุบันภาคอุตสาหกรรมและการวิจัยมีความรู้ความชำนาญ (Know-How) ในการหลีกเลี่ยงโครงสร้างรองรับและมีวิธีการที่ถูกต้องในการดำเนินการขั้นตอนหลังกระบวนการ (Post-Processing) ที่มีประสิทธิผลต้นทุนของชิ้นส่วนต่าง ๆ ดังนั้นการผลิตแบบเติมวัสดุกลายมาเป็นขั้นตอนภายในห่วงโซ่การผลิตมากขึ้นและไม่ใช่แค่ขั้นตอนเดียวอีกต่อไป หรือที่เรียกกันว่าการบูรณาการห่วงโซ่กระบวนการดิจิทัล 3 มิติ 

ภาคอุตสาหกรรมยังประสบความสำเร็จในการถ่ายทอดความรู้ตั้งแต่ระดับกระบวนการและต้นแบบสู่ขั้นตอนการออกแบบไปจนถึงการสื่อสารกับลูกค้าปลายทาง

ในเวลาเดียวกันก็ต้องประเมินจุดแข็งที่เป็นเอกลักษณ์ของกลยุทธ์การผลิตแบบเติมวัสดุ เช่น การผลิตแบบไม่ใช้เครื่องมือ รูปทรงที่เป็นอิสระ การออกแบบไบโอนิคหรือการผลิตตามความต้องการ โดยใช้ ‘การคิด’ ในการออกแบบด้วยเทคโนโลยี 3 มิติในอนาคต การออกแบบส่วนประกอบที่เป็นนวัตกรรมจะเกิดขึ้นโดยไม่มีข้อจำกัดของกลยุทธ์การผลิตแบบเดิม 

ศักยภาพของเม็ดพลาสติกและโลหะที่หาซื้อได้ทั่วไป

เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบใช้เม็ดวัสดุนั้นช่วยให้บริษัทต่าง ๆ สามารถพัฒนาต้นแบบตั้งแต่เริ่มต้นไปจนถึงการผลิตเป็นชุดที่ใช้วัสดุและเครื่องจักรแบบเดียวกันและมีจำหน่ายทั่วไป ระบบการพิมพ์แบบอัดขึ้นรูปวัสดุแบบเม็ดในทางอุตสาหกรรมคือกุญแจสำคัญ ไม่เพียงแต่ทำให้วงจรการพัฒนาโพลิเมอร์ตั้งแต่ต้นแบบไปจนถึงการผลิตเป็นชุดสมบูรณ์เป็นครั้งแรกสำหรับอุตสาหกรรมการผลิตแบบเติมวัสดุเท่านั้น แต่ยังสามารถทำให้อุตสาหกรรมนี้เติบโตขึ้นได้อย่างมากในอนาคต

เครื่องพิมพ์อัดขึ้นรูปวัสดุมีความคล้ายคลึงกับกระบวนการฉีดวัสดุแบบเส้น (Filament / FFF) ด้วยเหตุนี้จึงปรับให้เข้ากับอุตสาหกรรมที่แตกต่างกันได้อย่างรวดเร็ว เครื่องพิมพ์แบบเม็ดเหล่านี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดต้นทุนต่อหน่วย แต่ยังเพิ่มจำนวนของวัสดุโพลิเมอร์ที่หาได้ในโลกการผลิตแบบเติมวัสดุจากหลัก 100 เป็นมากกว่า 10,000 ชนิด นอกจากนี้ ยังสามารถพิมพ์วัสดุ 2 หรือ 3 ชิ้นพร้อม ๆ กันได้อีกด้วย ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนโพลีอะไมด์ 6 ที่มีใยแก้ว 50 เปอร์เซ็นต์ (PA6-50GF) และ ซีล TPE (Thermoplastic Elastomers หรือ ยางเทอร์โมพลาสติก) สามารถพิมพ์ได้อย่างประหยัดและพิมพ์ได้ด้วยวัสดุที่ละลายน้ำได้  เทคโนโลยีระบบนี้ยังสามารถผสมผสานกระบวนการกับส่วนประกอบแบบไฮบริดได้ โดยที่ส่วนประกอบหนึ่งผลิตด้วยวิธีแบบเดิม และอีกส่วนประกอบเป็นการพิมพ์ขึ้นมา ส่งผลให้เกิดโซลูชันที่สมบูรณ์แบบสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมหลากหลายประเภท

ในส่วนของกระบวนการ CEM (Composite Extrusion Modelling หรือ การสร้างแบบจำลองการอัดรีดคอมโพสิต) และการพิมพ์ 3 มิติแบบเม็ดด้วยเครื่องพิมพ์หลายวัสดุ ทำให้ผู้ใช้สามารถเลือกใช้วัสดุได้หลากหลายกับการพิมพ์ประสิทธิภาพสูงได้ แต่ถึงกระนั้นประสิทธิผลต้นทุนที่เป็นผลมาจากการที่สามารถแปรรูปเม็ดโพลิเมอร์แบบเดิมมาแทนแบบเส้นใย (Filament) ตัวอย่างของส่วนประกอบที่อธิบายถึงศักยภาพการประหยัดต้นทุนของวิธีการอัดรีดวัสดุแบบเม็ด ดังนี้

1) ความเร็วในการพิมพ์ (เช่น PA6 GF30: เส้นใย: 50 มม./วินาที กับ เม็ด: 500 มม./วินาที เร็วกว่าประมาณ 10 เท่า 

2) ราคาวัสดุ (เส้นใย: 200 ยูโร/กก. กับ เม็ด: 10 ยูโร/กก. ราคาต่ำกว่าประมาณ 20 เท่า) 

เครื่องจักรและระบบเทคโนโลยีในแวดวงการพิมพ์ 3 มิติแบบเม็ด ส่งผลให้มีประสิทธิภาพเชิงกลที่ดี มีความหนาแน่นของก๊าซสูง  ตัวกลางซึมผ่านไม่ได้ ด้วยความหนาของผนังที่ต่ำและเป็นฉนวนไฟฟ้าที่ดี คุณสมบัติเหล่านี้ได้รับการยืนยันโดยซัพพลายเออร์ระดับที่ 1 (Tier 1) ในอุตสาหกรรมยานยนต์และการบินอวกาศ ดังนั้นกลุ่มตลาดการอัดรีดวัสดุจะยังคงเติบโตในอัตราที่สูงกว่าค่าเฉลี่ยในปี 2023 และในปีต่อ ๆ ไป

ความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญในระยะกลางและระยะยาว

ความท้าทายที่สำคัญและเป็นอันดับแรก คือ อัตราของเสียซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการปรับต้นทุนให้เหมาะสม ด้วยการใช้การผลิตแบบเติมวัสดุผลิตเป็นชุดอย่างแพร่หลาย ผู้ผลิตเครื่องจักรและโรงงานจะต้องแก้ไขสถานการณ์ที่อัตราของเสียเกิดขึ้นในกระบวนการผลิตแบบเติมวัสดุเมื่อเทียบกับกระบวนการผลิตแบบเดิมและกลยุทธ์การผลิตที่ค่อนข้างสูง แม้ว่าจะพิจารณาข้อเท็จจริงที่ว่าการอัดรีดวัสดุและกระบวนการหลอมละลายผงวัสดุเป็นชั้น ๆ (Powder Bed Fusion) จะมีอัตราการรีไซเคิลสูง แต่การรีไซเคิลชิ้นส่วนเสียไม่สามารถแก้ปัญหานี้ได้อย่างแท้จริง เนื่องจากใช้เวลาและพลังงานในการรีไซเคิลมากเช่นกัน ดังนั้น ความท้าทายที่สำคัญสำหรับกระบวนการผลิตแบบเติมวัสดุ คือ การทำให้อัตราของเสียมีเสถียรภาพต่ำกว่า 2 เปอร์เซ็นต์ ในกรณีที่ปริมาณงานสูง ผลที่ได้ คือ อัตราของเสียของกระบวนการผลิตแบบเติมวัสดุจะลดลงเท่ากับอัตราของเสียปกติของกระบวนการแบบเดิม ในปัจจุบันภาคยานยนต์และการบินอวกาศมีอัตราของเสียอยู่ที่ 2 – 2.5 เปอร์เซ็นต์ อย่างไรก็ตาม ต้นทุนต่อหน่วยที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับการหล่อฉีดขึ้นรูป จึงมีความจำเป็นอย่างมากที่จะต้องลดอัตราของเสียนี้ลง การผลิตแบบเติมวัสดุจะต้องแข่งขันกับแบบเดิมได้มากขึ้น

ความท้าทายที่ 2 ที่การผลิตแบบเติมวัสดุต้องเผชิญ คือ พารามิเตอร์กระบวนการมีจำนวนมากที่ต้องได้รับการตรวจสอบอยู่ตลอดเวลาระหว่างการพิมพ์ เช่น การทดสอบชิ้นงานระหว่างกระบวนการด้วยเซนเซอร์เลเซอร์ เป็นการเสียเวลามากในกระบวนการสร้างและไม่ได้ช่วยในเรื่องของความคุ้มค่า ส่งผลให้ซัพพลายเออร์เครื่องจักรและโรงงานต้องเปลี่ยนวิธีการควบคุมกระบวนการ แนวทางสำหรับความท้าทายนี้ประกอบไปด้วย PLC ประสิทธิภาพสูงและเทคโนโลยีเซนเซอร์ใหม่ ๆ นอกจากนี้การควบคุมกระบวนการ AI แบบเซลล์ประสาท (Neuronal) ที่มีความซับซ้อนยังสามารถนำมาใช้กับเครื่องจักรเพื่อที่จะนำมาควบคุมกระบวนการจัดการข้อมูลและเงื่อนไขของกระบวนการต่าง ๆ ที่มีปริมาณมากได้

ในอนาคตการแก้ปัญหาความท้าทายของอุตสาหกรรมการผลิตแบบเติมวัสดุทั้งสองเรื่องนี้เป็นเรื่องที่น่าเป็นห่วงอย่างมาก ขอบเขตที่ผู้ผลิตเทคโนโลยี 3 มิติกำลังเผชิญจะเป็นตัวกำหนดศักยภาพทางเทคนิคและสิ่งที่จะได้รับจากกลยุทธ์การผลิตแบบเติมวัสดุ

สุดท้ายเมื่อการผลิตแบบเติมวัสดุกลายมาเป็นหนึ่งในการผลิตที่ได้รับการยอมรับเหมือนการผลิตแบบเดิมก็จะถูกนำมาเปรียบเทียบประสิทธิภาพกับกระบวนการผลิตอื่น ๆ ไม่ว่าจะเป็นกระบวนการพิมพ์ 3 มิติด้วยกันเอง หรือกระบวนการผลิตแบบเดิม ก็จำเป็นต้องตอบโจทย์ทั้งในเรื่องของคุณภาพ ผลิตภาพ และต้นทุนในการผลิตที่ต้องสามารถแข่งขันได้

บทความอ้างอิง: https://www.etmm-online.com/

บทความที่น่าสนใจ

• เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ โซลูชันการผลิตและพัฒนาต้นแบบอย่างยั่งยืน
• เทคโนโลยีที่ช่วยให้นักออกแบบและนักพัฒนาผลิตภัณฑ์ตอบโจทย์ความท้าทายในปัจจุบัน (ตอนที่ 1)
• เทคโนโลยีที่ช่วยให้นักออกแบบและนักพัฒนาผลิตภัณฑ์ตอบโจทย์ความท้าทายในปัจจุบัน (ตอนที่ 2)
• อิสระในการออกแบบที่เพิ่มขึ้น ด้วยเทคโนโลยี Hot Runner ที่ผลิตแบบเติมวัสดุ

About The Author