การศึกษาความเป็นไปได้ในการขึ้นรูปโลหะแผ่นด้วยน้ำแบบแรงดันสูงภายใต้ต้นทุนต่ำโดยใช้เทคโนโลยีพิมพ์ 3 มิติInvestigation of Low Cost in High Pressure Sheet Hydroforming with 3D Printing Technology

Abstract

การขึ้นรูปโลหะแผ่นด้วยน้ำนั้นจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์และเครื่องมือที่มีต้นทุนแพงและคุณภาพสูง การผลิตเพียงไม่กี่ชิ้นส่งผลต่อต้นทุนที่สูงเกินความจำเป็น ดังนั้นงานวิจัยฉบับนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อทดสอบความเป็นไปได้ในการขึ้นรูปโลหะแผ่นด้วยน้ำแบบแรงดันสูงภายใต้ต้นทุนต่ำโดยใช้เทคโนโลยีพิมพ์ 3 มิติ ด้วยวัสดุที่ทำจากพีแอลเอเข้ามาช่วยในการทำแม่พิมพ์ในลักษณะของไส้แบบ และใช้เครื่องฉีดน้ำแรงดันสูงรุ่น Bosch AQT 33-11 สร้างแรงดันในการขึ้นรูป โดยได้ออกแบบการทดลองไว้เป็น 2 กรณี ได้แก่ 1) การขึ้นรูปโดมอย่างง่ายที่ใช้วัสดุ SUS304 หนา 0.6 มิลลิเมตร และ 2) การขึ้นรูปลายนูนต่ำที่ใช้วัสดุ SUS304 หนา 0.4 มิลลิเมตร โดยใช้แรงดันที่ 80 บาร์ และแรงบีบยึดที่ 30 ตัน ในการทดลองการขึ้นรูป ผลการทดสอบพบว่าการขึ้นรูปโดมอย่างง่ายและการขึ้นรูปลายนูนต่ำสามารถขึ้นรูปได้โดยไม่เกิดรอยฉีกขาดและยับย่น ในขณะที่แม่พิมพ์ในลักษณะไส้แบบก็ไม่เกิดความเสียหายด้วยเช่นกัน หลังจากนั้นได้ทำการเปรียบเทียบกับการขึ้นรูปโลหะแผ่นแบบดั้งเดิมที่ 3 ปัจจัย ได้แก่ เวลา คุณภาพ และต้นทุน ซึ่งผลปรากฏว่าในด้านของเวลาการขึ้นรูปโลหะแผ่นด้วยน้ำภายใต้ต้นทุนต่ำนั้นใช้เวลามากกว่าการขึ้นรูปโลหะแผ่นแบบดั้งเดิม ในด้านคุณภาพของชิ้นงานที่ได้การขึ้นรูปพบว่าการขึ้นรูปโลหะแผ่นด้วยน้ำมีการกระจายตัวของความหนาชิ้นงานที่ดีกว่า และในด้านของต้นทุน การขึ้นรูปโลหะแผ่นด้วยน้ำนั้นถ้าผลิตชิ้นงานไม่เกิน 3,651 ชิ้น จะมีต้นทุนที่ถูกกว่าการขึ้นรูปโลหะแผ่นแบบดั้งเดิม ดังนั้นจึงสรุปว่าการขึ้นรูปโลหะแผ่นด้วยน้ำแบบแรงดันสูงภายใต้ต้นทุนต่ำโดยใช้เทคโนโลยีพิมพ์ 3 มิตินั้น สามารถเป็นไปได้ และคุ้มค่ากว่าการขึ้นรูปโลหะแผ่นแบบดั้งเดิม ถ้าต้องการชิ้นงานที่เน้นคุณภาพและผลิตเพียงไม่เกิน 3,651 ชิ้น ในกรณีที่ใช้วัสดุและเครื่องจักรเดียวกัน

Sheet hydroforming process is required expensive and high-quality dies and equipment to produce parts. It makes a high mixed low-volume production become very costly. Therefore, this research is aimed to propose and investigate the possibility to produce a low-cost hydroforming by using a 3D printing technology with PLA filament to manufacture the die insert and a household water pressure pump modeled Bosch AQT 33-11 to generate the forming pressure. This investigation was divided into forming of 2 types of the hydroformed parts, namely a) a simple dome configuration and b) an embossing part by using SUS 304 sheet with the thickness of 0.6 and 0.4 mm, respectively. The experiments were performed with a constant pressure of 80 bars (the max pressure of the pump) and the clamping force of 30 tons. The simple dome and embossing parts were successfully formed without any crack and wrinkle. The die inserts after used are still in the working conditions without any damage. This technique was compared with the traditional stamping process in 3 criteria; production time, product quality and cost. The results show the 3D-printing technology takes more production time than that of the stamping process. However, for the part quality in term of a surface quality and thickness distributions, the 3D-printing could provide much better quality. The overall cost to produce the low volume product, in this study is lower than 3,651 parts, the 3D-printing is cheaper. Therefore, the proposed concept of employing 3D-printing and a commercial water pressure pump would be alternative to replace the conventional stamping process in the future.