การผลิตแบบเติมวัสดุ (AM) คืออะไร?

การผลิตแบบเติมวัสดุกำลังมีความสำคัญเพิ่มมากขึ้น โรงหล่อสามารถได้ประโยชน์จากการพิมพ์สามมิติด้วยเช่นกัน โดยอาจนำมาช่วยเสริมหรือทดแทนกระบวนการผลิตแบบเดิมเพื่อให้ได้ผลผลิตที่ดียิ่งขึ้น และประหยัดขึ้น อย่างไรก็ดี การผลิตแบบเติมวัสดุเหมือนกับทุกกระบวนการผลิตซึ่งมีข้อดีและข้อเสีย มีความเหมาะสมสำหรับการใช้งานบางประเภท บทความนี้จะมาทำความรู้จัก ว่ากระบวนการเติมวัสดุทำงานอย่างไร ข้อดี ข้อเสีย และเหมาะสมที่จะใช้งานประเภทไหน?

กระบวนการผลิตแบบเติมวัสดุ ได้เปิดความเป็นไปได้ในการออกแบบใหม่ทั้งหมด (ที่มา: โดเมนสาธารณะ / Pixabay )

การผลิตแบบเติมวัสดุกำลังมีบทบาทที่สำคัญมากขึ้นในอุตสาหกรรมการผลิต โดยถูกใช้เป็นหลักในการทำเครื่องมือและสร้างต้นแบบ (Prototyping)

การผลิตแบบเติมวัสดุ: คำจำกัดความและคำอธิบาย

กระบวนการผลิตนี้ถูกใช้มากกว่าอย่างอื่นในด้านการทำเครื่องมือที่รวดเร็ว (rapid tooling) การผลิตที่รวดเร็ว (rapid manufacturing) และการผลิตต้นแบบที่รวดเร็ว (rapid prototyping) 

เทคโนโลยีการผลิตโดยทั่วไปจำแนกเป็นสามประเภทหลัก:

  • กระบวนการหักล้าง (บางสิ่งถูกขจัดออกไป): การกัด การกลึง ฯลฯ
  • กระบวนการขึ้นรูป (วัสดุถูกออกแบบใหม่): การหล่อ การตีขึ้นรูป ฯลฯ
  • กระบวนการเติมวัสดุ (บางสิ่งถูกเติมเข้าไป): การพิมพ์สามมิติ

การผลิตแบบเติมวัสดุกล่าวอธิบายถึงกระบวนการซึ่งชิ้นส่วนที่จะผลิตถูกก่อขึ้นโดยการเติมวัสดุ การก่อทำเป็นชั้นๆ ซึ่งมีความเกี่ยวข้องในสองแง่มุม ดังต่อไปนี้:

1. ส่วนประกอบถูกทำขึ้นจากชั้น (layer) ที่แตกต่างกัน โดยปกติกระบวนการจะดำเนินการจากข้างล่างสุดไปบนสุด ใช้หลักการเดียวกับการสร้างปราสาททราย: ชั้นใหม่ถูกทาลงบนแท่นอาคารเพื่อที่จะสร้างหอสูง

2. กระบวนการที่แตกต่างกันเกิดขึ้นซ้ำๆ ในชั้นต่างๆ (ทีละชั้น) สิ่งนี้รวมถึงการป้อนวัสดุ การหลอมละลาย (การทำให้เป็นรูปร่าง) และท้ายที่สุดการเชื่อมกับชั้นต่อก่อนหน้า ขั้นตอนเหล่านี้ เรียกว่า ห่วงโซ่กระบวนการ ซึ่งเหมือนกันหมดไม่ว่าใช้เครื่องไหน ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือ วิธีการที่แต่ละชั้นถูกสร้างขึ้นมา

ดังที่กล่าวมา การผลิตแบบเติมวัสดุจึงสามารถสร้างวัตถุสามมิติได้ โดยอันดับแรกเครื่องจักรจำเป็นต้องมีสเปคแบบสามมิติ  (“CAD สามมิติ”) ของชิ้นส่วนที่จะผลิต ชุดข้อมูลเฉพาะนี้ประกอบด้วยข้อมูลโครงร่าง (ความยาว x, ความสูง y), จำนวนชั้น (z) และความหนาของชั้น (dz) โปรแกรมคอมพิวเตอร์ที่ตรงกันจะแบ่งโมเดลออกเป็นชั้น (Layers) ต่างๆ ที่เหมาะสม จากนั้นซอฟต์แวร์จะส่งชุดข้อมูลของเครื่องจักรในรูปแบบของคำสั่งในการผลิตไปยังเครื่องพิมพ์

การผลิตแบบเติมวัสดุทำงานอย่างไร?

ในเกือบทุกกรณี การผลิตแบบเติมวัสดุใช้แท่นผงวัสดุ (powder bed) โดยวัสดุผงจะถูกป้อนเข้าไปในแท่นเพื่อดำเนินการต่อ อย่างการพิมพ์โลหะสามมิติ โลหะ (หนึ่งชนิดหรือมากกว่า) ถูกทำให้เป็นผงก่อนป้อนเข้าไปในช่องแล้วสร้างขึ้นมาใหม่ การผลิตชั้นจากผงวัสดุโดยทั่วไปมีอยู่สี่วิธี: 

1) Selective Laser Sintering (SLS): การเผาผนึก ทำให้วัสดุร้อนภายใต้ความดัน แต่ไม่ถึงจุดหลอมเหลว เทคโนโลยีเลเซอร์ทำให้สร้างเรขาคณิตสามมิติโดยการใช้ undercut เป็นไปได้ (ผู้เขียน: undercut หมายถึง ร่องหรือบ่าที่ป้องกันไม่ให้ชิ้นงานหลุดออกจากแม่พิมพ์) โดยปกติจะใช้เลเซอร์ CO2 หรือเลเซอร์ไฟเบอร์ในการทำ

2) Selective Laser Melting (SLM): ผงวัสดุถูกทำให้ร้อนโดยเลเซอร์ไฟเบอร์พลังงานสูง จากนั้นทำให้เย็นลง รูปทรงของส่วนประกอบถูกสร้างขึ้นโดยการหักเหลำแสงเลเซอร์แบบมีเป้าหมาย, SLM กำลังถูกใช้บ่อยขึ้นเรื่อยๆ มากกว่า SLS เนื่องจากไม่ใช้ความดัน วัตถุจึงมีความแข็งแรงสูงกว่า ทนทานกว่า กระบวนการนี้มักใช้สำหรับการพิมพ์โลหะสามมิติ

3) Electronic Beam Melting (EMD/ EBM): โดยหลักการแล้ว วิธีนี้เหมือนกับ SLM แต่ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนแทนลำแสงเลเซอร์ของ SLM, กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นในสุญญากาศ โดย EMD มีความเร็วมากกว่า SLM แต่มีความแม่นยำน้อยกว่า และปริมาณพิมพ์สูงสุดที่ต่ำกว่า, เครื่อง EMD มีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 350 มม. ความสูง 380 มม.,เครื่อง SLM มีขนาดใหญ่กว่า EMD สองเท่า เหมาะสมโดยเฉพาะกับการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็กในปริมาณมาก กระบวนการนี้มักใช้ในการพิมพ์โลหะสามมิติด้วยเช่นกัน

4) Binder Jetting: ผงวัสดุถูกเลือกเติมสารยึดเกาะที่เป็นของเหลวเพื่อก่อชั้นต่างๆ กระบวนการนี้มีข้อดีในการทำให้การก่อมีความเรียบง่ายอย่างมาก ในสีที่แตกต่างกัน

กระบวนการผลิตอื่นๆ

การผลิตแบบเติมวัสดุสี่ประเภทต่อไปนี้สามารถถูกเสริมหรือทดแทนด้วยกระบวนการอื่นๆ: 

Stereolithography: นี้เป็นกรณีดั้งเดิมสำหรับการผลิตแบบเติมวัสดุ กระบวนการได้ถูกพัฒนาขึ้นโดย Chuck Hull ในปี 1983 วัตถุค่อยๆ ลดระดับลงไปในอ่างโฟโตโพลิเมอร์เหลว และถูกดำเนินการโดยเลเซอร์

  • Fused Layer Modelling (FLM): เป็นกระบวนการปกติสำหรับการพิมพ์สามมิติด้วยพลาสติก มีกระบวนการอัดรีดพิเศษซึ่งวัสดุถูก “บีบอัด” ออกจากหัวฉีดเพื่อก่อขึ้นรูปหลังเย็นลง การอัดรีดเกิดเป็นชั้นๆ FLM มักใช้เสริมวัตถุที่ผลิตด้วยวิธี SLM ในอุตสาหกรรมยานยนต์หรืออิเล็กทรอนิกส์


แอปพลิเคชั่นด้านต่างๆ 

แอปพลิเคชั่นด้านต่างๆ ของกระบวนการผลิตแบบเติมวัสดุสามารถถูกแบ่งออกได้เป็นสามประเภท

1) การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว (Rapid prototyping): การผลิตแบบเติมวัสดุถูกใช้เพื่อสามารถก่อสร้างโมเดลอย่างรวดเร็ว โดยทั่วไป ควรมีโมเดลทางกายภาพในระยะแรกของการพัฒนาผลิตภัณฑ์, Rapid prototyping สามารถทำให้ผลิตโมเดลเหล่านี้ในลักษณะที่เชื่อถือได้เป็นพิเศษ 

2) การทำเครื่องมืออย่างรวดเร็ว (Rapid Tooling): ในประเทศเยอรมันี เครื่องมือชุดขนาดเล็กสำหรับการหล่อฉีดขึ้นรูปและการหล่อโลหะ โดยปกติผลิตด้วยการพิมพ์โลหะสามมิติ

3) การผลิตอย่างรวดเร็ว (Rapid Manufacturing): การผลิตวัตถุที่ใช้เป็นผลิตภัณฑ์ปลายทางหรือส่วนประกอบ ต่างกับ rapid prototyping ตรงที่ชิ้นส่วนไม่ใช่โมเดลต้นแบบ แต่เป็นชิ้นส่วนพร้อมใช้ 

ข้อได้เปรียบและเสียเปรียบของการผลิตแบบเติมวัสดุ

อะไรคือข้อได้เปรียบของการผลิตแบบเติมวัสดุ?

  • การทำให้เป็นแบบเฉพาะตัว (Individualisation)
  • อิสระในการออกแบบที่มากขึ้น
  • ความรวดเร็ว
  • ไม่จำเป็นต้องมีเครื่องมือหรือแม่พิมพ์

หนึ่งในข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดคือ วัตถุสามารถปรับแต่งได้ตามต้องการ ตัวอย่างเช่น เป็นไปได้ที่จะผลิตผนังที่มีความหนาที่ผันแปร โครงสร้างที่ละเอียดมาก หรือมีขนาดเล็กมาก นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะทำเรขาคณิตที่มีความซับซ้อนให้เป็นจริงด้วยการพิมพ์สามมิติ ซึ่งไม่สามารถเป็นไปได้ด้วยกระบวนการผลิตอื่น สิ่งนี้รวมถึงโพรง อันเดอร์คัต (ร่องหรือบ่า) ช่องทางที่มีส่วนโค้งหรือยื่นออกมา เคยเป็นกรณีที่การออกแบบวัตถุต้องตามข้อจำกัดของความเป็นไปได้ในการผลิต ข้อจำกัดนี้ได้ถูกขจัดไปอย่างมากด้วยการผลิตแบบเติมวัสดุ ดังนั้นจึงมีข้อได้เปรียบอย่างมากโดยเฉพาะในการพิมพ์โลหะสามมิติ นอกจากนี้การผลิตวัตถุแบบเติมวัสดุยังใช้เวลาไม่กี่ชั่วโมง ในขณะที่กระบวนการผลิตอื่นๆ ใช้เวลาเป็นหลายวันหรือหลายสัปดาห์

แต่การผลิตแบบเติมวัสดุก็ยังมีข้อเสียเปรียบดังต่อไปนี้

  • ไม่สามารถหลีกเลี่ยงการตกแต่งได้
  • ความเหมาะสมที่จำกัดสำหรับการผลิตปริมาณมากเชิงอุตสาหกรรม

หากวัตถุต้องมีคุณภาพพื้นผิวบางอย่าง การทำหลังกระบวนการย่อมไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ ในกรณีของการพิมพ์โลหะสามมิติ การตกแต่งยิ่งกินเวลามหาศาล การพิมพ์โลหะสามมิติโดยปกติสามารถผลิตวัตถุได้มากที่สุดสองชิ้นเวลาเดียวกัน ในเครื่องเดียวกัน อีกด้านหนึ่ง วิธีการผลิตแบบดั้งเดิมสามารถผลิตในจำนวนที่มากกว่ามาก เพื่อการผลิตจำนวนมากเชิงอุตสาหกรรม การผลิตแบบเติมวัสดุจึงมีความเหมาะสมในขอบเขตที่จำกัด ตัวอย่างที่ดีที่สุดคือ การผลิตยานยนต์ ในทางทฤษฎีแล้ว สามารถที่จะผลิตพาหนะทั้งคันได้ด้วยการผลิตแบบเติมวัสดุ อย่างไรก็ตามเนื่องจากจำนวนส่วนประกอบที่มากมาย มันจะแพงเกินไปมาก ด้วยเหตุนี้ ส่วนประกอบส่วนใหญ่ยังคงถูกผลิตด้วยกระบวนการดั้งเดิม

ต้นทุน

คำถามเกี่ยวกับการลงทุนยังเป็นประเด็นโต้แย้งกันอยู่ ตามที่ผู้เชี่ยวชาญกล่าว เนื่องด้วยช่วงราคาที่ซื้อหาได้ของเครื่องตั้งแต่ 15 ยูโรถึงมากกว่า 100,000 ยูโร ถือว่าไม่แพงเมื่อเทียบกับเครื่องจักรอื่นๆ ยิ่งถ้ารวมค่าบำรุงรักษาเข้าไปด้วย การผลิตแบบเติมวัสดุจะประหยัดต้นทุนได้มาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเทคโนโลยีทางการแพทย์

อย่างไรก็ดีในแง่ของการใช้งานอุตสาหกรรมที่ผลิตจำนวนมาก การพิมพ์สามมิติเป็นตัวเสริมเติมเต็มให้กับระบบการผลิตแบบดั้งเดิมเสียมากกว่า ผู้ผลิตไม่สามารถทดแทนระบบการผลิตแบบเดิมได้ทั้งหมด ดังนั้นในแง่นี้ การผลิตแบบเติมวัสดุก็เป็นต้นทุนเพิ่มเติมขึ้นมา (ผู้เขียน: ประเด็นเรื่องต้นทุน แน่นอนว่าไม่ได้แค่มิติเดียวที่จะคำนึงถึง การประเมินความคุ้มค่าของการลงทุนต้องดูจากหลายปัจจัย ทั้งคุณภาพและการประหยัดที่จะได้ เปรียบเทียบกับต้นทุนเพิ่มที่จะเสีย ทั้งยังต้องคำนึงถึงระดับคุณภาพที่จำเป็นสำหรับการใช้การผลิตแบบเติมวัสดุอีกด้วย)

การผลิตแบบเติมวัสดุในอนาคต

การผลิตแบบเติมวัสดุมีอนาคตที่ยอดเยี่ยมรออยู่ข้างหน้า SAMG (กลุ่มการผลิตแบบเติมวัสดุสวิส) กล่าวสรุปว่า: พัฒนาการปัจจุบันของการผลิตแบบเติมวัสดุไปได้ไกลกว่าคาดการณ์ไว้ในการศึกษาเมื่อหลายปีก่อน สถาบันวิจัยที่มีชื่อเสียงอย่าง ETH Zurich มีความมั่นใจว่าการพิมพ์โลหะสามมิติจะทวีความสำคัญมากยิ่งขึ้นในด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการทำเครื่องมือ เป้าหมายคือให้การผลิตแบบเติมวัสดุมีความเร็วและถูกต้องแม่นยำที่เพียงพอ เพื่อให้เหมาะสำหรับการผลิตแบบอนุกรม 

ในปัจจุบันความเป็นไปได้ของการผลิตแบบเติมวัสดุยังคงแข่งขันอยู่กับเครื่องควบคุม  CNC ซึ่งมีความเหมาะสมกว่าสำหรับการผลิตแบบอนุกรม เป้าหมายระยะยาวสำหรับการพิมพ์โลหะสามมิติของวัตถุที่มีความซับซ้อนคือ การแซงหน้า CNC ในอนาคต

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