การสร้างต้นแบบอย่างมีประสิทธิภาพเป็นส่วนสำคัญของวงจรชีวิตผลิตภัณฑ์ ด้วยการทดสอบและปรับแต่งซ้ำอย่างต่อเนื่อง วิศวกรสามารถออกแบบชิ้นส่วนขั้นสุดท้ายที่ใช้งานได้กับคุณสมบัติและประสิทธิภาพที่ต้องการ

เครื่องพิมพ์ 3D เครื่องแรกที่วางจำหน่ายในท้องตลาดได้กำเนิดแนวคิดของการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว ก่อนการพิมพ์ 3D เวลาในการผลิตที่ยาวนานและค่าใช้จ่ายสูงสำหรับชิ้นส่วนปริมาณน้อย หมายความว่าทีมพัฒนาผลิตภัณฑ์สามารถทำซ้ำได้เพียงไม่กี่ครั้งก่อนที่การออกแบบชิ้นส่วนจะต้องได้รับการสรุป

อย่างไรก็ตาม การพิมพ์ 3D ช่วยลดเวลาในการผลิตและต้นทุนที่ยาวนานเหล่านี้ ปัจจุบัน เครื่องพิมพ์ 3D ช่วยให้วิศวกรและทีม R&D สามารถตรวจสอบความถูกต้องของการออกแบบได้รวดเร็ว, ง่ายขึ้น และคุ้มค่ากว่าเมื่อก่อน ในท้ายที่สุด สิ่งนี้ทำให้สามารถบีบการออกแบบซ้ำได้มากขึ้นในกรอบเวลาที่กำหนด — ทีมสามารถไปถึงการออกแบบชิ้นส่วนสุดท้ายได้เร็วกว่า และได้รับผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการตรวจสอบออกสู่ตลาดเร็วขึ้น

ในขณะที่ตลาดยังคงเต็มไปด้วยเครื่องพิมพ์ที่เหมาะสำหรับการใช้สร้างต้นแบบ การเกิดขึ้นของการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุในระดับอุตสาหกรรมทำให้ใช้เวลาในการผลิตและผลประโยชน์ด้านต้นทุนที่เหนือกว่าการจำลอง PLA ปัจจุบัน เครื่องพิมพ์ 3D อุตสาหกรรมประดิษฐ์ทุกอย่างตั้งแต่เครื่องมือและชิ้นส่วนเฉพาะทาง ณ จุดที่ต้องการในเวลาเพียงไม่กี่วัน

แม้ว่าการพิมพ์ 3D จะขยายไปสู่การใช้งานปลายทางมากขึ้น การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วยังคงเป็นวิธีที่สร้างผลกระทบสำหรับผู้ผลิตในการปรับปรุงการพัฒนาผลิตภัณฑ์ อ่านบล็อกนี้เพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วด้วยการพิมพ์ 3D: มันคืออะไร ทำงานอย่างไร ความสัมพันธ์กับการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ รวมถึงประโยชน์และข้อควรพิจารณา

การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วคืออะไร?

การสร้างต้นแบบเป็นส่วนสำคัญของการออกแบบผลิตภัณฑ์และวิศวกรรม เป็นกระบวนการซ้ำแล้วซ้ำเล่าเพื่อให้ได้มาซึ่งการออกแบบที่ได้รับการปรับแต่งและผ่านการทดสอบแล้ว

วิศวกรจะออกแบบแบบจำลองแนวคิดเริ่มต้นของชิ้นส่วนหรือผลิตภัณฑ์เพื่อทดสอบ จากนั้น พวกเขาจะสร้างชิ้นส่วนด้วยการออกแบบเบื้องต้น (ต้นแบบ) รันผ่านชุดการทดสอบ จากนั้นประเมินการออกแบบสำหรับส่วนกลับหัวและส่วนที่ต้องปรับปรุง กิจกรรมเหล่านี้จะถูกทำซ้ำเพื่อให้ได้การออกแบบที่ผ่านการตรวจสอบขั้นสุดท้ายซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดของลูกค้าและวิศวกรรมที่ต้องการ

การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วคือการใช้เทคโนโลยีดิจิทัลในการออกแบบและสร้างต้นแบบได้เร็วและง่ายขึ้น โดยทั่วไป การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วจะอาศัยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3D เพื่อสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว เนื่องจากเป็นการหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการใช้เครื่องมือหรือชุดแม่พิมพ์

นอกเหนือจากการสร้างต้นแบบทางกายภาพแล้ว การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วยังรวมถึงกิจกรรมทางวิศวกรรม เช่น การออกแบบ, การดัดแปลง และการทดสอบ

ก่อนสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว ก่อนการพิมพ์ 3D เชิงพาณิชย์ วิศวกรต้องพึ่งพาการผสมผสานระหว่างการจำลองโฟมที่เร่งรีบและแบบจำลองดินเหนียวที่มีรายละเอียดซึ่งประดิษฐ์ขึ้นโดยช่างฝีมือผู้มีทักษะ ซึ่งหมายถึงระยะเวลาในการผลิตต้นแบบแต่ละชิ้นที่นานขึ้น รวมถึงต้นทุนการผลิตที่สูงขึ้นที่เกี่ยวข้องกับชิ้นส่วนต้นแบบแต่ละชิ้น — ท้ายที่สุดแล้วทำให้การผลิตชิ้นส่วนต้นแบบซ้ำน้อยลงในแต่ละรอบการออกแบบในช่วงเวลาที่กำหนด

ผู้ผลิตหลายรายผลิตต้นแบบการทำงานสำหรับชิ้นส่วนโลหะด้วยวัสดุพิมพ์ 3D ที่มีความแข็งแรงสูง

การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วทำงานอย่างไร

การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วเริ่มต้นด้วยการสร้างไฟล์การออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) สำหรับการทำซ้ำครั้งแรกของชิ้นส่วน ผู้ใช้สามารถนำเข้าไฟล์การออกแบบสำหรับชิ้นส่วนนั้นไปยังซอฟต์แวร์เครื่องพิมพ์ 3D ได้

จากนั้นผู้ใช้กดพิมพ์ ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมงจนถึง 1-2 วัน ชิ้นส่วนต้นแบบจะพร้อมสำหรับการทดสอบ, ประเมิน และแก้ไขสำหรับการทำซ้ำครั้งต่อไป

อย่างไรก็ตาม เครื่องพิมพ์ 3D จำนวนมากถูกจำกัดไว้เฉพาะชิ้นส่วนระดับต้นแบบเท่านั้น เมื่อใช้เครื่องพิมพ์เหล่านี้ การออกแบบอาจต้องปรับเปลี่ยนเพื่อรองรับข้อจำกัดการผลิตแบบดั้งเดิม

เมื่อสร้างต้นแบบด้วยการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุในระดับอุตสาหกรรม ผู้ใช้เพียงแค่เปลี่ยนพลาสติกต้นแบบ เช่น PLA เป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงสูง

การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วและการพิมพ์ 3D

คำจำกัดความที่เป็นทางการ คำจำกัดความอย่างเป็นทางการของการพิมพ์ 3D คือกระบวนการผลิตที่ใช้การผลิตทีละชั้นเพื่อแปลไฟล์ CAD ดิจิทัลให้เป็นวัตถุที่จับต้องได้ การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วเป็นหนึ่งในกรณีการใช้งานมากมายสำหรับการพิมพ์ 3D

การใช้งานร่วมสมัย ปัจจุบัน คำว่าการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับเครื่องพิมพ์ 3D ในยุคเก่า เครื่องพิมพ์รุ่นแรก ๆ เหล่านี้ไม่สามารถให้ความแข็งแรงของชิ้นส่วนหรือคุณภาพเพียงพอสำหรับการใช้งานด้านการผลิตที่มีมูลค่าสูงกว่า สิ่งนี้จำกัดการใช้อย่างมีประสิทธิภาพสำหรับการสร้างต้นแบบ เครื่องพิมพ์รุ่นก่อน ๆ หลายรุ่นวางตลาดในรูปแบบโซลูชันการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว ดังนั้นการสร้างแบรนด์การพิมพ์ 3D เป็นเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วจนถึงทศวรรษที่ผ่านมา ดังนั้น คำศัพท์ทั้งสองจึงมักถูกรวมเข้าด้วยกันและ ‘การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว’ กลายเป็นชื่อเรียกที่ไม่ถูกต้องสำหรับ ‘การพิมพ์ 3D’

การเกิดขึ้นของการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ ปัจจุบัน คำว่า ‘การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ’ ที่แพร่หลายหมายถึงการเปลี่ยนแปลงกระบวนทัศน์ในการพิมพ์ 3D โดยทั่วไปแล้วคำนี้จะอธิบายถึงการใช้การพิมพ์ 3D สำหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่มีมูลค่าสูง เช่น ชิ้นส่วนที่ใช้งานปลายทางที่สำคัญต่อประสิทธิภาพ โดยนัยแล้ว คำนี้พูดถึงการจากไปของการพิมพ์ 3D จากการใช้งานในช่วงแรกซึ่งจำกัดอยู่เพียงการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว

สามารถสร้างต้นแบบชิ้นส่วนโลหะได้มากมายด้วยเครื่องพิมพ์ 3D คอมโพสิตที่มีความแข็งแรงสูง อย่างไรก็ตาม การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วด้วยเครื่องพิมพ์โลหะ 3D ช่วยให้ผู้ใช้สามารถพิมพ์ส่วนสุดท้ายบนแพลตฟอร์มเดียวกันได้เมื่อแอปพลิเคชันต้องการโลหะ

ประโยชน์ของการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วด้วยการพิมพ์ 3D

การใช้แพลตฟอร์มการพิมพ์ 3D เพื่อเปิดใช้งานการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วให้ประโยชน์มากมายเมื่อเทียบกับการสร้างต้นแบบด้วยวิธีการดั้งเดิม:

เวลานำสั้นลง การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วด้วยการพิมพ์ 3D ทำให้เวลาในการผลิตลดลงจากที่ใดก็ได้จากเพียงชั่วโมงเป็นวัน

การใช้วิธีการผลิตแบบดั้งเดิม ทำให้ต้นแบบต้องใช้เครื่องมือใหม่ และ/หรือกระบวนการเพิ่มเติม เช่น การร่างแบบ, การส่ง PO และการจัดการกับเวลาการจัดส่ง หากไม่มีการพิมพ์ 3D ภายในองค์กร การจัดหาต้นแบบแต่ละชิ้นอาจใช้เวลาหลายสัปดาห์ถึงหลายเดือน

เวลานำที่เร็วขึ้นทำมากกว่าแค่ลดความใจร้อน แต่ยังสร้างประโยชน์ทางธุรกิจที่จับต้องได้ บริษัทต่าง ๆ สามารถสร้างสรรค์สิ่งใหม่ ๆ ได้เร็วขึ้น และนำผลิตภัณฑ์ของตนออกสู่ตลาดได้เร็วขึ้น

ประสิทธิภาพด้านต้นทุน เมื่อเทียบกับการผลิตแบบดั้งเดิม การใช้เครื่องพิมพ์ 3D สำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วยังมีความคุ้มค่าด้านเศรษฐกิจต่อหน่วยมากกว่ามาก ไม่ต้องใช้แรงงานพิเศษราคาแพง, ต้นทุนจากผู้ขายภายนอก หรือจำเป็นต้องใช้ชุดเครื่องมือหรือแม่พิมพ์

สะดวกในการใช้ ความเรียบง่ายของการใช้เครื่องพิมพ์ 3D สำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วก็ไม่เสียหายเช่นกัน การพิมพ์ชิ้นส่วนไม่จำเป็นต้องมีความเชี่ยวชาญเฉพาะด้าน ใคร ๆ ก็ทำได้ ช่างเครื่องเฉพาะไม่ต้องทำงานเป็นเวลานาน และไม่จำเป็นต้องร่างแบบ, ส่งใบสั่งซื้อ และประสานงานรายละเอียดด้านลอจิสติกส์กับผู้ขายที่เป็นบุคคลภายนอก

การสร้างต้นแบบและการผลิตบนแพลตฟอร์มเดียวกัน การใช้เครื่องพิมพ์ 3D ระดับอุตสาหกรรม แทนที่จะใช้วัสดุต้นแบบจำกัดจำนวนเพียงชิ้นเดียว หมายความว่านักพัฒนาผลิตภัณฑ์สามารถสร้างต้นแบบและสร้างเครื่องมือหรือชิ้นส่วนสุดท้ายด้วยแพลตฟอร์มเดียวกัน สิ่งนี้ช่วยให้งานพิมพ์สำเร็จสำหรับส่วนสุดท้าย แทนที่จะทำการปรับเปลี่ยนเพื่อรองรับข้อจำกัดของการผลิตแบบหักลบ ผู้ใช้สามารถเปลี่ยนไปใช้วัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าได้

ข้อควรพิจารณาในการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว

วัสดุ ผู้ใช้หลายคนชอบสร้างต้นแบบด้วยวัสดุที่คุ้มค่า สิ่งนี้ช่วยประหยัดเงินสำหรับต้นแบบที่ไม่ต้องการคุณสมบัติทางกลที่เพิ่มขึ้น

สำหรับผู้ใช้ที่มีเครื่องพิมพ์ 3D ขั้นสูงที่มีความสามารถในการผลิต สามารถสงวนวัสดุประสิทธิภาพสูงไว้สำหรับสร้างต้นแบบในการใช้งานที่ต้องการความแข็งแรง เช่น ต้นแบบการผูกสโนว์บอร์ด เป็นต้น หรือสำหรับการพิมพ์ชิ้นส่วนสุดท้ายที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว

การพิมพ์ 3D ด้วยพลาสติกขั้นสูงยังเป็นวิธีที่รวดเร็วและถูกกว่าในการผลิตต้นแบบสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องทำด้วยโลหะในท้ายที่สุด

PLA (Polylactic acid) เป็นวัสดุต้นแบบที่ใช้กันทั่วไปและมีต้นทุนต่ำ เป็นเทอร์โมพลาสติกอุณหภูมิต่ำที่เป็นหนึ่งในวัสดุที่ง่ายที่สุดในการพิมพ์ 3D ได้สำเร็จ

เครื่องพิมพ์ การพิจารณาอีกประการหนึ่งคือเครื่องพิมพ์ 3D เฉพาะที่จะใช้สำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว องค์กรควรพิจารณาปัจจัยต่าง ๆ เช่น ความเร็วของเครื่องพิมพ์ 3D ความน่าเชื่อถือ, วัสดุที่รองรับ, ขนาดการสร้าง และการทำงานของซอฟต์แวร์

แม้ว่าจะมีเครื่องพิมพ์ 3D จำนวนมากที่สามารถผลิตต้นแบบคุณภาพต่ำได้ แต่องค์กรต่าง ๆ ควรพิจารณาเครื่องพิมพ์ที่มีศักยภาพในการผลิตชิ้นส่วนปลายทางคุณภาพสูงด้วย

เครื่องจักรราคาประหยัดที่พิมพ์เฉพาะ PLA อาจดูเหมือนเป็นโซลูชันการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วที่ง่ายดาย อย่างไรก็ตาม การประนีประนอมกับความน่าเชื่อถือของเครื่องพิมพ์อาจขัดขวางวงจรการออกแบบและทำให้เสียประโยชน์ใด ๆ

ผลกระทบของการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว

Centor ผู้ผลิตระบบประตูอุตสาหกรรมที่ได้รับรางวัล สามารถลดค่าใช้จ่ายต่อต้นแบบจาก 800 ดอลลาร์ (ผ่านการตัดเฉือน) ลงเหลือเพียง 10 ดอลลาร์ Digital Forge ลดระยะเวลารอคอยสินค้าจากประมาณหนึ่งสัปดาห์เหลือเพียง 12 ชั่วโมง

Caldwell Manufacturing ผู้ผลิตฮาร์ดแวร์หน้าต่างและประตูระดับโลกซึ่งตั้งอยู่ทางตอนเหนือของรัฐนิวยอร์ก ได้ผลิตชิ้นส่วนที่ก่อนหน้านี้มีราคาตั้งแต่ 500 ถึง 3,000 เหรียญสหรัฐ เหลือเพียง 30 เหรียญสหรัฐ ชิ้นส่วนเหล่านี้มาพร้อมกับระยะเวลารอคอยสินค้านานถึง 8 สัปดาห์ ด้วย Digital Forge Caldwell ประดิษฐ์สิ่งเหล่านี้เองภายในเวลาเพียง 3 วัน