The White Paper: จุดเด่นการออกแบบ Jig และ Fixture สำหรับ 3D Print

Formlabs กับแนวคิดเพื่อการออกแบบชิ้นส่วน Jig และ Fixture สำหรับการผลิตด้วยเครืื่องพิมพ์ 3 มิติ สามารถยกระดับคุณภาพชิ้นส่วนและลดค่าใช้จ่ายรวมถึงสร้างความต่อเนื่องในการทำงานทั้งวิศวกรออกแบบและวิศวกรการผลิต

การออกแบบและใช้งาน Jig และ Fixture ด้วยการใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ ด้วยวัตถุดิบเรซิน มีต้นทุนประมาณ 46 ดอลลาร์สหรัฐฯ ใช้เวลาพิมพ์ไม่ถึง 1 วัน ในขณะที่การกัดอะลูมิเนียมมีต้นทุนอยู่ที่ 475 ดอลลาร์สหรัฐฯ ใช้เวลา Lead Time 3 – 5 วัน นับเป็นข้อแตกต่างและทางเลือกสำหรับการใช้งานที่ชัดเจน

พื้นฐาน Jig และ Fixture

โดยทั่วไปแล้ว Fixture มักอยู่ในตำแหน่งที่รองรับแรงเป็นลำดับที่ 2 การผลิตชิ้นส่วนจำเป็นต้องทำความเข้าใจกับขอบเขตการใช้งานเสียก่อน โดยทิศทางที่รองรับการเคลื่อนไหวแบ่งออกเป็น 6 ส่วนแยกกัน ได้แก่ การขยับขึ้นลง การขยับซ้ายขวา การขยับหน้าหลัง และความสามารถในการหมุนหรือมมีมิติทิศทางการขยับที่เพิ่มเติม

พื้นฐานของ Fixture ที่ดี คือ มีมุมองศาที่ถูกจำกัดไว้อย่างแน่นอนเพื่อความแม่นยำและการใช้งานที่ปลอดภัย โดยคำนึงถึงปัจจัยทั้ง 4 ได้แก่

1. ข้อจำกัดที่แน่นอน เช่น มุมองศาที่เหมาะสมสำหรับการทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ
2. เงื่อนไขภายใต้ข้อจำกัด เช่น เมื่อชิ้นส่วนมีการเคลื่อนที่ไม่ว่าจะเป็นการหมุนหรือการเลื่อนใด ๆ ก็ตาม มีเงื่อนไขใดบ้างที่ Fixture ยังสามารถทำงานได้ปรกติและไม่ก่อความเสียหายต่อสิ่งอื่นใด
3. ชิ้นส่วนที่มีการค้ำหรือประคองไว้ เช่น ชิ้นส่วนที่ป้องกันข้อจำกัดสำหรับการขยับหรือเลื่อน ซึ่งแตกต่างจากการป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนเกินความผิดพลาดในการทำงานระหว่างปฏิบัติการณ์ ซึ่งแตกต่างจาก 2 ข้อแรก
4. สิ่งที่เกินกว่าข้อจำกัด เช่น เมื่อโครงสร้างชิ้นส่วนต้องเจอกับแรงอย่างต่อเนื่องซ้ำ ๆ สามารถกลายเป็นปัญหาได้ แน่นอนว่าความเสื่อมและการพังของชิ้นส่วนจะต้องเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว การออกแบบที่ไม่คำนึงถึงเรื่องดังกล่าวสามารถทำให้คุณภาพชิ้นส่วนนั้นไม่พร้อมต่อการใช้งานทั้งยังสร้างความเสี่ยงให้แก่ผู้ปฏิบัติงานอีกด้วย

3D Print ทำอะไรกับ Jig และ Fixture ได้บ้าง?

3D Print สามารถสร้างชิ้นส่วนเพื่อใช้งานได้อย่างหลากหลาย โดยเฉพาะชิ้นส่วนที่มีส่วนโค้งหรือความซับซ้อน ลดค่าใช้จ่ายสำหรับการกัดที่ต้องจ้าง Outsource โดยชิ้นส่วนที่เหมาะสม ซึ่งเบื้องต้นมีชิ้นส่วนดังนี้

1. ช่องใส่ปากจับไม่ชุบแข็ง
2. นำร่องสำหรับการเจาะ
3. Jig สำหรับประกอบ
4. Jig สำหรับแยกประกอบได้
5. Jig สำหรับ Bonding
6. ทำลาเบลหรือมาร์คกิ้ง
7. เกจ Go/No Go
8. ชิ้นส่วนสำรอง

จุดเด่นการออกแบบ 3D Printing ผลิตชิ้นส่วน Jig และ Fixture

1. ไร้กังวลกับความซับซ้อน ด้วยความสามารถในการขึ้นรูปของการพิมพ์ 3 มิติทำให้การออกแบบและผลิต Jig หรือ Fixture สามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีรายละเอียดสูงได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งรายละเอียดเล็ก ๆ
2. ใส่ Datum ลงในชิ้นส่วน Jig และ Fixture ได้ การใช้งานหรือการประกอบชิ้นส่วน Jig และ Fixture นั้นจำเป็นต้องมีความแม่นยำด้านโครงสร้างและสัดส่วน ด้วยความสามารถของเทคโนโลยีการพิมพ์วัสดุ 3 มิติที่มีรายละเอียดอาจทำให้อุปกรณ์ตรวจวัดทั่วไปสามารถทำงานได้ยาก การใส่ Datum หรือจุดอ้างอิงเพื่อวัดตำแหน่งลงไปบนชิ้นงานสามารถช่วยให้ตรวจสอบได้ง่ายและแม่นยำขึ้น
3. เพิ่มความแข็งแกร่ง ด้วยความสามารถในด้านรายละเอียดของชิ้นส่วนทำให้สามารถเพิ่มความแข็งแกร่งของชิ้นงานได้โดยไม่ต้องสูญเสียวัสดุหรือทรัพยากรใด ๆ เพิ่ม อาทิ การออกแบบให้มีนส่วนรับน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นซึ่งหากเป็นการกัดวัสดุทั่วไปนอกจากจะทำให้สูญเสียวัสดุแล้วยังมีขั้นตอนการผลิตเพิ่มเติมซึ่งส่งผลระทบต่อต้นทุนรวมอีกด้วย
4. เพิ่มความทนทานของการเชื่อมต่อเชิงกล การเจาะช่องหรือหลุมในชิ้นส่วนพลาสติกที่ผลิตขึ้นจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติเป็นวิธีที่ไม่มีประสิทธิภาพเท่าไหร่นักในการนำชิ้นส่วนมาประกอบเข้าด้วยกันของ Fixture สามารถแทนที่ได้ด้วยการออกแบช่องหรือหลุมให้เหมาะสมกับน็อตที่ต้องถูกใช้งานเพื่อยึดชิ้นส่วนได้อย่างพอดี
5. ความเป็นไปได้ใหม่ ๆ สำหรับการใช้งาน สำหรับชิ้นส่วนสำรองในคลังสินค้าที่ผลิตโดยการพิมพ์ 3 มิตินั้นสามารถเพิ่มศักยภาพเมื่อใช้ร่วมกับชิ้นส่วนที่ถูกผลิตโดยขั้นตอนทั่วไปได้
6. แก้ปัญหาความคืบ การใช้งาน เรซิน SLA บางครั้งอาจเกิดความคืบ (Creep) ได้กหากมีการยึด Fixture เพื่อใช้งานเป็นเวลานาน เพื่อป้องกันอาจคลายน็อตหลังใชงานเสร็จสิ้น
7. ผลิตเมื่อต้องใช้ ชิ้นส่วนสามารถเกิดความเสียหายได้เป็นปรกติ การผลิต Jig และ Fixture ด้วยการเติมเนื้อวัสดุนั้นสามารถควบคุมการผลิตและเปลี่ยนแปลงการทำงานได้เองโดยไม่ต้องหวังพึ่งทรัพยากรจากภายนอก ลดภาระของ Downtime

ข้อดีสำหรับโฟลวการทำงาน

แน่นอนว่า Jig และ Fixture ไม่จำเป็นต้องผลิตด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติตลอดเวลา แต่การเลือกวัตถุดิบและการทำงานที่ใช้เป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการเลือกใช้เทคนิคการผลิตเป็นส่วนสำคัญที่ใช้ตัดสินใจ นอกจากนี้ความสะดวกในการใช้งานจริงเป็นอีกหนึ่งปัจจัยที่ควรพิจารณา โดยกรณีตัวอย่างที่น่าสนใจมีดังนี้

1. ช่วยในการปลดชิ้นส่วน การออกแบบพื้นผิวหรือชิ้นส่วนที่ต้องถูกยึดเข้าด้วยกันสามารถปลดออกได้ง่ายดายยิ่งขึ้น เช่น การออกแบบพื้นผิวลาดเอียงเพื่อให้สปริงสามารถสไลด์หรือถอดออกได้ง่าย
2. เลือกเครื่องมือการผลิต เครื่องมือใด ๆ ก็ตามสามารถสร้างเศษได้ทั้งสิ้น ดังนั้นการออกแบบที่คิดเผื่อการใช้เครื่องมือสามารถลดปัญหาที่อาจเกิดขึ้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ
3. ส่งเสริมประสบการณ์ให้กับผู้ใช้ Jig และ Fixture การใช้งานชิ้นส่วนต้องสะดวกและเรียบง่ายสำหรับผู้ใช้ การออกแบบที่ดีจะทำให้ผู้ใช้งานมีความปลอดภัย เช่น การออกแบบให้สามารถใช้งานได้ด้วยมือข้างเดียวทำให้มืออีกข้างสามารถปรับแต่งหรือพักการใช้งานได้ การออกแบบให้สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องการสนับสนุนจากมนุษย์ หรือออกแบบให้ชิ้นส่วนเกิดการเคลื่อนไหวน้อยที่สุดเพื่อยืดอายุการใช้งาน

โรงงานสมัยใหม่ต้องการความสามารถในการปรับตัวเพื่อตอบสนองต่อการแข่งขันที่เปลี่ยนแปลงไป รวมถึงการสร้างสภาพแวดล้อมที่ปลอดภัยสำหรับทีมงานซึ่ง 3D Printing หรือการพิมพ์ 3 มิติสามารถเติมเต็มเป้าหมายดังกล่าวได้

ที่มา:

• Designing 3D Printed Jigs and Fixtures (Formlabs White Paper)