เทคโนโลยีการเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) หรือที่บางคนอาจจะเรียกกันง่าย ๆ ว่า 3D Printing (การพิมพ์ 3 มิติ) กลายเป็นส่วนสำคัญในการผลิตและธุรกิจยุคปัจจุบัน ด้วยความสามารถในการใช้งานที่ง่ายดาย เข้าถึงได้ง่ายสำหรับทุกคน ตลอดจนถึงมีกลุ่มสังคมที่แบ่งปันความรู้และไฟล์ที่ใช้จำนวนมาก ทำให้การเริ่มต้นไม่ได้เป็นเรื่องยากอีกต่อไป และสำหรับคนที่กำลังหาข้อมูลพื้นฐานของเครื่องพิมพ์ 3 มิติกันอยู่ Modern Manufacturing พร้อมให้ข้อมูลกันแล้วครับ!
การพิมพ์ 3 มิติ คืออะไร?
การพิมพ์ 3 มิติหรือการเติมเนื้อวัสดุนั้นเป็นการขึ้นรูปวัสดุที่แตกต่างไปจากวิธีที่นิยมใช้กันมาอย่างยาวนาน การขึ้นรูปวัสดุที่นิยมใช้กันปัจจุบันนั้นแบ่งออกอย่างง่าย ๆ เป็นสองวิธี ได้แก่ การใช้แม่พิมพ์ (Injection Molding) และการกัดวัสดุ (Subtractive Manufacturing) ซึ่งการใช้แม่พิมพ์นั้นเป็นการฉีดวัสดุเข้าไปในแม่เพิ่มเพื่อขึ้นรูป ในขณะที่การกัดเนื้อวัสดุนั้นเป็นการเฉือนเนื้อวัสดุออกเพื่อให้ได้รูปทรงตามต้องการ
สำหรับการพิมพ์วัสดุ 3 มิตินั้นเป็นการผลิตที่เรียกว่าการเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) โดยเป็นการเพิ่มเนื้อวัสดุทีละชั้น (Layer) ในแนวนอน โดยสามารถเลือกใช้วัสดุได้อย่างหลากหลาย มีจุดเด่นที่สามารถสร้างชิ้นงานที่มีความซับซ้อนซึ่งกรรมวิธีการขึ้นรูปวัสดุแบบอื่นไม่สามารถทำได้ อาทิ ชินส่วนในเครื่องบินเจ็ท ที่ต้องการน้ำหนักเบามีความซับซ้อนเชิงโครงสร้างสูง ซึ่งการผลิตแบบอื่นนั้นจำเป็นจะต้องนำมาประกอบกันในภายหลังเพื่อให้ได้โครงสร้างแบบเดียวกันแต่กลับมีจุดอ่อนด้านความทนทานจากความจำเป็นในการนำมาประกอบเป็นต้น
การพิมพ์ 3 มิติสามารถใช้งานได้หลากหลายรูปแบบตั้งแต่การผลิตชิ้นส่วนต้นแบบ การผลิตอะไหล่ทดแทนที่หายาก การผลิตชิ้นส่วนที่ปรับแต่งตามความต้องการ การผลิตของเล่น เครื่องประดับ ฯลฯ ทุกอย่างที่คุณจินตนาการและขึ้นแบบได้เทคโนโลยีนี้สามารถนำจินตนาการให้เป็นจริงได้ ไม่ว่าจะเป็นอาหาร อาคาร ยานพาหนะ เช่น เรือตรวจการณ์ ก็มีเกิดขึ้นแล้ว โดยสำหรับงานต้นแบบสามารถลดระยะเวลาในการผลิตและต้นทุนลงได้อย่างมหาศาลลดระยะเวลาจากการผลิตแม่พิมพ์และแก้ไขต่าง ๆ จากหลักเดือนให้เหลือหลักวันหรือสับดาห์ได้ และสำหรับชีวิตประจำวัน เครื่องพิมพ์ 3 มิติสามารถเป็นแหล่งเรียนรู้ชั้นดีสำหรับเยาวชนในการผลิตและออกแบบ หรือในการสร้างเครื่องมือเครื่องใช้เฉพาะตัวขึ้น ทั้งยังสามารถใช้ในการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉินแห่งความขาดแคลนได้เป็นอย่างดี ยกตัวอย่างกรณี COVID-19 ที่ต่างประเทศใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติในการผลิตอุปกรณ์การแพทย์ฉุกเฉินเพื่อแก้ไขอุปกรณ์ที่ขาดแคลน อาทิ อุปกรณ์รัดหน้ากาก หรือ Face Shield เป็นต้น
วัสดุแต่ละประเภทที่แตกต่างกันในการเติมเนื้อวัสดุนั้นทำให้เกิดเทคโนโลยีที่ใช้ในการแปรรูปวัสดุเหล่านี้ที่แตกต่างกันอีกด้วย โดยโครงสร้างหรือส่วนประกอบหลักสำหรับเครื่องพิมพ์แต่ละแบรนด์แต่ละประเภทนั้นจะมีจุดร่วมกันดังนี้
- โครงภายนอก
- มอเตอร์/กลไกควบคุมการเคลื่อนที่หัวพิมพ์
- หัวพิมพ์/เครื่องมือแปรรูปวัสดุ
- ฐานรองวัสดุ/Build Bed
- เซนเซอร์ตรวจวัดระยะ
- หน้าจอ/บอร์ดควบคุมการทำงาน
- ช่องทางเชื่อมต่อ/USB-Micro SD Card
การทำงานโดยทั่วไปหัวพิมพ์จะเคลื่อนที่เป็นแนวนอน (แกน X และ Y) เพื่อเติมเนื้อวัสดุในแต่ละชั้นเมื่อเนื้อวัสดุในชั้นนั้น ๆ ทำการพิมพ์เสร็จแล้วจะทำการพิมพ์ในชั้นต่อไปด้วยการเคลื่อนที่ในแนวตั้ง (แกน Z) ซึ่งระยะในการเคลื่อนที่นั้นขึ้นอยู่กับการตั้งค่าไฟล์ซึ่งจะเกี่ยวข้องกับขนาดความหนาวัสดุในแต่ละชั้นและระยะการทำงานที่ตั้งค่า
เครื่องพิมพ์ 3 มิติมีกี่ประเภท?
ด้วยความสามารถในการใช้งานที่หลากหลายของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ที่แม้จะมีโครงสร้างการทำงานที่คล้ายกัน คือ สร้างวัสดุขึ้นทีละชั้น แต่กระบวนการในการแปรรูปวัสดุนั้นแตกต่างกันออกไป โดยแบ่งได้ตามเทคโนโลยีที่ใช้ในการแปรรูป ดังนี้
1. Stereolithography (SLA)
SLA นั้นเป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่เกิดขึ้นมาแรก ๆ ตั้งแต่ช่วงปี 1986 มีจุดเด่นตรงที่ความสามารถในการขึ้นชิ้นงานได้ด้วยความละเอียดสูง มีพื้นผิวของชิ้นงานที่เรียบร้อย สามารถใช้เป็นชิ้นงานต้นแบบเพื่อทดลองใช้ได้ทันที
วัสดุที่ใช้จะเป็น Photopolymer เหลวนำมาผ่านแสง UV Laser ความเข้มข้นสูงเพื่อให้เกิดปฏิกริยาทางเคมีจนเกิดเป็นวัตถุที่มีการแข็งตัวขึ้น
2. Digital Light Processing (DLP)
DLP นั้นมีการทำงานที่คล้ายคลึงกับ SLA แตกต่างกันตรงที่ DLP นั้นจะใช้การฉายแสงดิจิทัลผ่านหน้าจอพร้อมกันในทีเดียว ทำให้การผลิตมีความรวดเร็วมากกว่า SLA เหมาะสำหรับงานขึ้นรูปชิ้นส่วนต้นแบบ และการผลิตจำนวนน้อยที่ต้องการความรวดเร็ว
3. Selective Laser Sintering (SLS)
SLS นั้นเป็นการใช้เลเซอร์ CO2 เพื่อทำการหลอมรวมผงวัสดุที่มีพื้นฐานมาจากไนลอนหรือโพลีเมอร์เข้าด้วยกันเพื่อขึ้นรูปวัสดุ เป็นการขึ้นรูปชิ้นงานที่มาจากการหลอมรวมวัสดุจึงทำให้มีความแข็งแรง สามารถรองรับน้ำหนักได้ในระดับหนึ่ง หรือสามารถออกแบบเพื่อใช้กับชิ้นส่วนที่เป็นคลิปซึ่งมีการขยับเพื่อให้เกิดการลอคอย่างพอเหมาะลงตัว
4. Fused Deposition Modeling (FDM) – Fused Filament Fabrication (FFF)
FDM นั้นเป็นเทคโนโลยีการขึ้นรูป 3 มิติแบบพลาสติกที่มีราคาถูกที่สุด พบเห็นได้ง่าย และมีกาใช้งานกันอย่างแพร่หลายทั่วโลก เทคโนโลยีนี้จะใช้หัวพิมพ์โลหะ เช่น ทองเหลืองเพื่อให้ความร้อนในการละลายเส้นใยพลาสติกที่ต้องการ โดยอุณหภูมิที่ใช้จะขึ้นอยู่กับพลาสติกแต่ละชนิด เมื่อเส้นพลาสติกหลอมเหลวจะถูกฉีดตามตำแหน่งที่กำหนดเป็นลำดับชั้น ชิ้นงานที่ได้มีความแข็งแรงในระดับหนึ่ง แต่โดยมากพื้นผิววัสดุที่ได้จะไม่เรียบร้อยนัก มีลักษณะเป็นเส้น ๆ ตามการจัดเรียงชั้นของหัวพิมพ์ที่จัดเรียงลงไป
5. Material Jetting (MJ) – PolyJet
MJ นั้นมีความสามารถในการพิมพ์วัสดุที่ทำงานคล้ายคลึงกับเครื่องพิมพ์เอกสารทั่วไป แตกต่างตรงที่มันไม่ได้หยดหมึกแต่เป็นการปล่อยของเหลวกลุ่ม Photopolymer และทำให้แข็งตัวด้วยแสง UV มีจุดเด่นที่สามารถเลือกวัสดุตลอดจนสามารถเลือกใช้งานสีได้ตามความต้องการ
6. Binder Jetting (BJ)
BJ นั้นเป็นการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้วัตถุดิบหลัก 2 ชนิดเพื่อขึ้นรูป ได้แก่ ของเหลวที่ทำหน้าที่ยึดติดวัสดุและผงวัสดุ การทำงานของ BJ นั้นจะคล้ายคลึงกับ SLS อย่างมากแต่ต่างกันตรงที่ SLS นั้นใช้เลเซอร์ในการหลอมรวมวัสดุให้เป็นชิ้นงานแต่ BJ นั้นเป็นการหยดของเหลวพิเศษเพื่อทำให้วัสดุเกาะตัวขึ้นรูปทีละชั้น วัสดุที่ใช้งานสามารถเลือกได้หลากหลายตั้งแต่ทราย พลาสติก โลหะ หรือเซรามิก
7. Selective Laser Melting (SLM) – Direct Metal Laser Sintering (DMLS)
SLM และ DMLS นั้นมีการทำงานที่เหมือนกับ SLS เลยทีเดียว นั่นคือการใช้เลเซอร์ยิงลงไปยังผงวัสดุแล้วใช้ความร้อนหลอมรวมในการขึ้นรูป ความแตกต่าง คือ วัสดุที่ใช้นั้นเป็นผงโลหะ
ความแตกต่างระหว่าง SLM และ DMLS นั้น คือ DMLS จะเป็นการให้ความร้อนเพื่อให้โมเลกุลโลหะนั้นเชื่อมติดกัน ในขณะที่ SLM นั้นจะเป็นการหลอมเหลวทำให้วัสดุกลายเป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมด DMLS จึงอาจจะเหมาะกับงานโลหะกลุ่มอัลลอยมากกว่าในขณะที่ SLM เหมาะกับไทเทเนียมซึ่งจำเป็นต้องมีความเป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมดมากกว่า
วัสดุที่ผลิตโดยเทคโนโลยีนี้นั้นต้องการโครงสร้างสนับสนุนในการรับน้ำหนักแตกต่างจาก SLS ซึ่งวัตถุดิบมีน้ำหนักเบากว่า นอกจากนี้การผลิตด้วยวิธีนี้ยังมีโอกาสที่วัสดุอาจบิดเบี้ยว หรือคดงอได้มากเนื่องจากต้องใช้อุณหภูมิที่สูงมาก การตั้งค่าต่าง ๆ จึงเป็นสิ่งสำคัญ
8. Electron Beam Melting (EBM)
EBM เป็นเทคโนโลยีการขึ้นรูปวัสดุแบบ 3 มิติสำหรับโลหะโดยใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กผ่านลำแสงอิเล็กตรอนที่ถูกควบคุมด้วยขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งการผลิตจะเกิดขึ้นในพื้นที่สุญญากาศ สามารถใช้กับวัสดุที่มีสถานะถูกเหนี่ยวนำได้เท่านั้น นอกจากจนี้จุดเด่นของ EBM นั้นอยู่ที่ความเร็วในการผลิตซึ่งมีความรวดเร็วในการผลิตมากกว่า SLM อีกด้วย
9. Bio Printing
การพิมพ์ชิ้นส่วนชีวภาพ หรืออวัยวะต่าง ๆ นั้นอาจยังไม่แพร่หลายในการใช้งานจริง เป็นการพิมพ์เนื้อเยื่อหรืออวัยวะเทียมต่าง ๆ ที่มีความคล้ายคลึงกับอวัยวะจริงในปัจจุบัน โดยมากมักเป็นวัสดุชีวภาพที่สามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัยกับเป้าหมาย การพิมพ์ในรูปแบบนี้ปัจจุบันเกิดขึ้นเป็นส่วนน้อยโดยมากอยู่ในกลุ่มงานวิจัยเฉพาะทาง
ซอฟต์แวร์และการทำงานที่เกี่ยวข้อง
การทำงานเกี่ยวกับการพิมพ์ 3 มิตินั้นจะเกี่ยวข้องกับการงานใช้ซอฟต์แวร์สำหรับการออกแบบไม่น้อย ซึ่งปัจจุบันมีซอฟต์แวร์สำหรับงาน CAD จำนวนมากอยู่ในตลาดให้เลือกใช้ ทั้งแบบฟรี จ่าย Subscription การซื้อขาด ซึ่งซอฟต์แวร์แต่ละตัวจะมีจุดเด่นในการใช้งานแตกต่างกันไป ซอฟต์แวร์บางตัวเหมาะสำหรับงานออกแบบทั่วไปไม่ใช่งานวิศวกรรม เช่น MAYA หรือ Blender แต่สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องออกแบบเพื่อคุณสมบัติทางวิศวกรรมโดยเฉพาะจำเป็นต้องใช้ซอฟต์แวร์ที่มีการรองรับค่าต่าง ๆ อาทิ FreeCAD, AutoCAD, SOLIDWORKS หรือ Solid Edge เป็นต้น
เมื่อทำการออกแบบเสร็จแล้วจะเป็นต้องใช้ซอฟต์แวร์ในการปรับแปลงไฟล์ให้เหมาะสมกับการพิมพ์ด้วยซอฟต์แวร์กลุ่ม Slicing อาทิ CURA, Slic3r, MakerBot Print, Netfabb Standard หรือ MatterControl เป็นต้น ซอฟต์แวร์เหล่านี้จะทำการตั้งค่าไฟล์ให้เหมาะสมกับเครื่องพิมพ์แต่ละชนิด ไม่ว่าจะเป็นความหนาของแต่ละชิ้นสำหรับชิ้นงาน ความไวในการพิมพ์ อุณหภูมิที่เกี่ยวข้อง การระบายอากาศ ตลอดจนการออกแบบชิ้นส่วนสนับสนุนรับน้ำหนักเป็นต้น การกำหนดค่าเหล่านี้ส่งผลต่อคุณภาพการผลิตโดยตรง ไม่ว่าจะเป็นความเรียบร้อยของชิ้นงาน ความแข็งแรง ตลอดจนมาตรฐานที่เกิดขึ้น เช่น วัสดุบางประเภทหากใช้เวลาในการพิมพ์นานเกินไปและมีอุณหภูมิที่ต่ำอาจทำให้เกิดการบิดเบี้ยวได้ง่าย หรือการกำหนดความเร็วในการพิมพ์ไม่สอดคล้องกับขนาดของเส้นพลาสติกในกรณีของ FDM อาจทำให้ชิ้นงานเกิดความเสียหายได้เป็นต้น
โดยในการใช้งานเครื่องพิมพ์ 3 มิติ นั้นสามารถแบ่งขั้นตอนการทำงานออกเป็น 4 ส่วนหลัก ได้แก่
- การออกแบบชิ้นงาน
- การปรับตั้งค่าชิ้นงานในการพิมพ์
- การพิมพ์ชิ้นงาน
- การเก็บรายละเอียดชิ้นงาน
ก่อนการผลิตชิ้นงานนั้นอย่าลืมตรวจสอบความพร้อมของอุปกรณ์ทุกครั้ง ไม่ว่าจะเป็นจำนวนของวัตถุดิบที่เพียงพอ อุณหภูมิที่เหมาะสม ความสมบูรณ์ของส่วนประกอบต่าง ๆ หากเป็นเครื่องแบรนด์ยุโรปราคาแพงที่มีการจัดเก็บและออกแบบมีโครงครอบอย่างดีอาจไม่สามารถตรวจสอบได้ง่ายนัก แต่หากเป็นเครื่องรุ่นยอดนิยมราคาประหยัดที่เป็นโครงเหล็กเปลือยการตรวจสอบจุดที่ขยับได้ทั้งหมดเป็นสิ่งสำคัญ
โดยจุดขยับเหล่านี้จำเป็นต้องมีความแน่นไม่หย่อนคล้อยไม่ว่าจะเป็นสายพาน ลูกรอก ตลอดจนจารบีที่เคลือบเสาการเคลื่อนที่แนวดิ่ง สำหรับผู้ผลิตบางรายอาจรวมถึงตำแหน่งการรัดสายไฟที่แน่นหนาเนื่องจากให้เหตุผลในการทำงานที่ผิดเพี้ยนของเครื่องว่าเกิดจากการขยับของสายไฟสายสัญญาณที่อาจทำให้เกิดอาการหลวมและทำงานได้ไม่ดีนัก
เครื่องพิมพ์ส่วนมากจะมาพร้อมกับระบบตั้งค่าที่ช่วยในการ Calibrate หัวพิมพ์ ซึ่งควรดำเนินการทุกครั้งก่อนเริ่มพิมพ์เพื่อตรวจสอบการทำงานว่ามีปัญหาหรือไม่ เช่น เมื่อทดสอบแล้วอาจพบว่าหัวพิมพ์เกิดกดฐานพิมพ์อย่างรุนแรง ซึ่งบ่งบอกถึงปัญหาที่เกิดจากเซนเซอร์มีความผิดเพี้ยนเป็นต้น หรือการอุดตันของวัสดุที่ค้างอยู่ในหัวพิมพ์ส่งผลให้หัวพิมพ์ทำงานไม่ได้สมบูรณ์
ในขั้นตอนการพิมพ์นั้นหมั่นสังเกตการทำงานและวัสดุว่ามีความิผดเพี้ยนใดเกิดขึ้นหรือไม่ อาทิ การที่ฐานชิ้นงานเกิดโค้งงอหลังจากพิมพ์ไปได้สักระยะหนึ่ง อาจส่งผลให้ชิ้นงานหลุดร่อนและไม่สามารถพิมพ์ต่อได้ จำเป็นต้องหยุดการผลิตเพื่อปรับแก้ค่าใหม่
การพิมพ์ชิ้นงานโดยมากนั้นเมื่อพิมพ์เสร็จแล้วยังไม่อาจใช้งานได้ทันที เนื่องด้วยเงื่อนไขที่แตกต่างกันตามแต่ละเทคโนโลยี เช่น โลหะอาจตะ้องมีการอบความร้อนเพื่อให้เซ็ทตัวและนำชิ้นส่วนรับน้ำหนักออก หรืองาน FDM ที่ผิวลักษณะเป็นเส้นชั้น ๆ อาจใช้การอบสารเคมีเพื่อให้ผิวเรียบหรือทำการขัดด้วยกระดาษทรายก็สามารถทำได้เช่นกัน
สำหรับผู้ที่สนใจการพิมพ์ 3 มิติพื้นฐานแต่ยังไม่สามารถออกแบบ 3 มิติได้ สามารถดาวน์โหลดตัวอย่างเพื่อทดลองตั้งค่าการพิมพ์และฝึกฝนการใช้งานได้ที่ Community Online อย่าง www.thingiverse.com
อ้างอิง:
Nationalmolding.com/blog/difference-between-mould-and-die-that-you-must-know-about/
Protolabs.com/resources/blog/types-of-3d-printing/
All3dp.com/1/types-of-3d-printers-3d-printing-technology/
3dinsider.com/3d-printer-types/
All3dp.com/1/best-3d-slicer-software-3d-printer/
บทความที่เกี่ยวข้อง:
3D Printing X Metalex 2020
Voltaire
