เทคโนโลยีของเครื่องพิมพ์สามมิติ
เครื่องพิมพ์สามมิติแต่ละระบบทำงานอย่างไร
เครื่องพิมพ์สามมิติไม่ว่าจะเป็นระบบใดก็ตามจะสร้างวัตถุขึ้นมาจากไฟล์สามมิติทีละชั้น ๆ เพียงแต่ระบบหนึ่ง ๆ จะมีวิธีการเฉพาะตัว เพื่อไม่ให้เกิดความสับสน เราทำ Infographic ของเครื่องพิมพ์ทุกระบบมาเปรียบเทียบให้เข้าใจได้ง่าย โดยจัดเป็นกลุ่ม ระบบ ชื่อระบบ วัสดุที่ใช้ และยี่ห้อที่มีจำหน่ายในท้องตลาด
คลิ๊กที่รูปเพื่อขยาย
กับคำถามที่ว่าเทคโนโลยีแต่ละแบบทำงานอย่างไร และผลงานที่ได้ออกมาหน้าตาเป็นอย่างไร ระบบการพิมพ์แต่ละแบบมีข้อดี-ข้อด้อยอย่างไร?
ในบทต่อไปนี้จะแสดงให้เห็นว่าระบบต่างๆ ทำงานอย่างไรโดยละเอียด
Fused Filament Fabrication (FFF)
เป็นระบบที่นิยมใช้มากที่สุดสำหรับเครื่องพิมพ์ตั้งโต๊ะ ทำงานได้รวดเร็ว และต้นทุนถูกที่สุด
FFF เป็นการพิมพ์ที่เริ่มต้นจากวัสดุที่ทำมาเป็นเส้นยาว ๆ ซึ่งเรียกว่า Filament มันจะถูกดึงมาจากม้วนป้อนเข้าสู่ส่วนที่ทำความร้อนเพื่อทำให้วัสดุละลาย เมื่อมันละลายแล้วก็จะถูกฉีดออกมาจากหัวพิมพ์ซึ่งจะลากไปตามแบบที่กำหนดจากโปรแกรม ในขณะที่วัสดุถูกฉีดออกมาเป็นชั้นๆ มันก็จะเย็นลง และแข็งตัวเพื่อรองรับวัสดุที่จะซ้อนในชั้นต่อๆ ไปจนกระทั่งเสร็จสิ้นทั้งชิ้นงาน
นอกจากจะเป็นระบบที่ต้นทุนถูกที่สุดแล้ว ยังมีวัสดุ และสีให้เลือกมากมาย ทั้งวัสดุ ABS, PLA, Nylon หรือวัสดุแปลกๆ เช่นเส้นที่ผสมคาร์บอน บรอนซ์ หรือไม้FDM เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับงานที่ต้องการทำต้นแบบด้วยความรวดเร็ว และราคาถูก สามารถนำไปใช้ได้กับงานต่างๆ ได้อย่างกว้างขวาง การพิมพ์ในปัจจุบันมีความก้าวหน้ามาก สามารถพิมพ์ในส่วนที่เป็นกลไก และอิเลคทรอนิคส์ได้ด้วย เช่น โดรน แต่การออกแบบบางลักษณะ และข้อจำกัดของวัสดุ ดังนั้นจึงไม่แนะนำให้ใช้ระบบ FDM กับงานที่มีความละเอียด และซับซ้อนสูง
กล่องใส่ Raspberry Pi B+ ออกแบบโดย walter
ต้นแบบฝาครอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
Mini FPV Tricopter ออกแบบโดย EMaglio. Printed by Ken’s Hub
แบบจำลองบ้านพิมพ์ด้วยวัสดุ PLA และ เส้นพลาสติกผสมไม้
รูปปั้นครึ่งตัวพิมพ์ด้วยเส้นพลาสติกผสมบรอนซ์ ทางขวาเป็นตัวที่ขัดแล้ว
Stereolithography and Digital Light Processing (SLA & DLP)
ระบบเรซิ่นเหลวที่ทำให้แข็งตัวโดยแสง ส่วนมากจะใช้ในงานที่มีรายละเอียดมากๆ งานปั้น และงานเครื่องประดับ
ทั้งระบบ Stereolithography (SLA) และ Digital Light Processing (DLP) สร้างชิ้นงานสามมิติขึ้นจากเรซิ่นเหลว (photopolymer) ใช้แสงที่ส่องเป็นรูปร่างชิ้นงานทำให้มันแข็งตัวเป็นชั้นๆ
ในการขึ้นรูปชิ้นงาน แท่นพิมพ์จะจุ่มลงไปในถาดโปร่งแสงที่มีน้ำเรซิ่นอยู่ เมื่อแท่นพิมพ์จุ่มลงไปถึงก้นถาดเครื่องกำเนิดแสง จะฉายภาพชิ้นงานทีละชั้นทะลุผ่านถาดมาทำให้เรซิ่นแข็งตัว เมื่อเรซิ่นแข็งตัวแล้วแท่นพิมพ์จะขยับสูงขึ้นไปเท่ากับความสูงของชั้นถัดไป น้ำเรซิ่นใหม่ก็จะไหลเข้ามาแทนที่ แล้วเครื่องกำเนิดแสงก็จะฉายภาพของชั้นถัดไป เป็นแบบนี้ทีละชั้นไปเรื่อยๆ จะกระทั่งเสร็จงาน ปัจจุบันเครื่องพิมพ์ระบบนี้มีอยู่สองลักษณะ แตกต่างกันด้วยแหล่งกำเนิดแสงซึ่ง SLA จะใช้แสงเลเซอร์ ในขณะที่เครื่องระบบ DLP จะใช้แสงจากเครื่อง projector
แผนภาพแสดงการทำงานของเครื่องพิมพ์สามมิติระบบ SLA
เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติประเภทนี้มีอยู่ในเครื่องตั้งโต๊ะด้วย วัสดุที่ใช้ได้ขณะนี้จำกัดอยู่ที่เรซิ่นเท่านั้น แต่ก็กำลังจะมีวัสดุหลากหลายอย่างที่มีการผลิตออกมาเพื่อเพิ่มความแข็งแรง และความยืดหยุ่นของชิ้นงาน
เครื่องพิมพ์สามมิติทั้ง SLA และ DLP เป็นระบบมีความละเอียดสูง ได้ผิวงานที่เนียนเรียบ มักใช้กับงานที่มีรายละเอียดมากๆ เช่นงานประติมากรรม เครื่องประดับ งานต้นแบบ โดยปรกติเครื่องพิมพ์ชนิดนี้มีพื้นที่พิมพ์ขนาดเล็ก จึงไม่สามารถพิมพ์งานขนาดใหญ่ได้
การประกอบงานต้นแบบ ใช้เรซิ่นความแข็งแรงสูง (สีน้ำเงิน) กับเรซิ่นปกติ โดยใช้เครื่องของ Formlabs
ใบพัดเทอโบชาร์จเจอร์ ใช้เรซิ่นความแข็งแรงสูง
ชุดเกียร์ ประกอบกับส่วนที่เคลื่อนไหวได้ ออกแบบโดย aubenc. พิมพ์โดย Diederik’s Hub
รูปปั้นพิมพ์ที่ความละเอียด 25 ไมครอน ให้รายละเอียด และความเรียบเนียนของพื้นผิวสูง ออกแบบโดย Robin Brockötter
เครื่องประดับพิมพ์จากเรซิ่นชนิดหล่อตรง และแหวนที่หล่อสำเร็จแล้ว ออกแบบและพิมพ์โดย Formlabs
ระบบ Selective Laser Sintering (SLS)
การขึ้นรูปพลาสติกโดยใช้เลเซอร์ความเข้มสูง เหมาะสำหรับต้นแบบที่นำไปใช้งานได้ และชิ้นส่วนที่มีความสลับซับซ้อน
Selective Laser Sintering (SLS) เป็นการใช้แสงเลเซอร์ไปทำละลายและขึ้นรูปชิ้นงานจากผงวัสดุที่ใส่เข้าไป
เครื่องพิมพ์ระบบนี้จะมีแท่นพิมพ์อยู่สองส่วน เมื่อเริ่มพิมพ์เครื่องจะยิงแสงเลเซอร์ลงไปที่ผงวัสดุ เป็นรูปร่างตามแบบที่กำหนด เมื่อวัสดุละลาย หลอมเป็นเนื้อเดียวกันแล้ว แท่นพิมพ์ส่วนที่สร้างชิ้นงานจะเลื่อนลง ในขณะที่แท่นพิมพ์ส่วนที่บรรจุผงวัสดุจะเลื่อนขึ้น ลูกกลิ้งก็จะกลิ้งเอาผงวัสดุมาทับบนส่วนที่พิมพ์ไปแล้ว แสงเลเซอร์ก็จะยิงแสงเป็นรูปร่างของชั้นต่อไป จนกว่างานจะเสร็จ
แผนภาพแสดงการทำงานของเครื่องพิมพ์สามมิติระบบ SLS
เครื่องพิมพ์ระบบนี้มักใช้ในโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตามในปัจจุบันเครื่องระดับตั้งโต๊ะก็มีให้เห็นแล้ว และกำลังถูกผลักดันให้เป็นระบบหลักของการพิมพ์สามมิติ วัสดุที่ใช้ได้มีหลากหลายเช่น polyamides (หรือ nylon), polystyrenes และ thermoplastic elastomers
ระบบ SLS ถูกใช้อย่างแพร่หลายในการทำต้นแบบที่ใช้การได้จริง รวมถึงผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปเลยทีเดียว ข้อได้เปรียบประการสำคัญของระบบนี้คือเราสามารถออกแบบได้อย่างอิสระ เนื่องจากผงวัสดุที่ไม่ได้ถูกหลอมจะทำหน้าที่เป็น support ให้กับเนื้องาน ดังนั้นงานที่มีความสลับซับซ้อน มีส่วนยื่น หรือ overhang ก็ไม่มีความจำเป็นต้องสร้าง support เพิ่มเติม เนื่องจากระบบนี้ต้องการเวลาในการระบายความร้อนค่อนข้างนาน จึงทำให้ต้องใช้เวลารวมทั้งกระบวนการนานกว่า
ข้อต่อหลักของเครื่องยนต์เจ็ท สามารถลดเนื้อวัสดุลงได้ 78% ออกแบบโดย GE
อุปกรณ์เสริมของ GoPro ออกแบบโดย Alan Nguyen
แบบจำลองแสดงภาพตัดภายในเครื่องยนต์เจ็ทขอบริษัท GE สามารถเคลื่อนไหวได้ด้วย
กล่องใส่คอมพิวเตอร์จิ๋ว BeagleBone พร้อมกับ breadboard ขนาดครึ่งเดียว เพื่อทำเป็นห้องทดลองแบบพกพา
หุ่นจำลองโครงกระดูกของ Tyrannosaurus rex
Material Jetting (PolyJet and MultiJet Modeling)
ระบบที่มีความแม่นยำ และเสมือนจริงมากที่สุด มีความละเอียด และความเรียบเนียนของพื้นผิวที่ดี
Material Jetting (หรือที่บริษัท Stratasys เรียกว่า PolyJet และ 3D Systems เรียกว่า MultiJet Modeling) เป็นระบบที่คล้ายกับเครื่องพิมพ์ inkjet แต่แทนที่มันจะพ่นหมึกพิมพ์ลงบนกระดาษ มันจะพ่นโพลีเมอร์เหลวลงบนแท่นพิมพ์ จากนั้นแสง UV จะทำให้มันแข็งตัวในทันที
กระบวนการสร้างชิ้นงานจะเริ่มจากการที่เครื่องพิมพ์พ่นของเหลวลงบนแท่นพิมพ์ตามด้วยแสง UV เพื่อให้ของเหลวแข็งตัว จากนั้นชั้นบางๆ ของโพลีเมอร์ก็จะถูกทับซ้อนกันขึ้นไปเรื่อยๆ จนเสร็จ ในส่วนที่เป็น overhang ซึ่งต้องการ support เครื่องจะพ่นวัสดุที่เหมือนเจลเพื่อสร้าง support ชั่วคราว และสามารถเอาออกได้โดยง่ายหลังจากพิมพ์เสร็จ
ผังการทำงานของระบบ Material Jetting
ระบบนี้มักใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม วัสดุพิมพ์จะประกอบด้วยโพลีเมอร์ไวแสงแบบเหลว มีให้เลือกหลายชนิดตามความต้องการ เช่นความแข็งแรง ความใส ความยืดหยุ่น ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือสามารถฉีดวัสดุได้หลากหลายชนิดพร้อมกัน เพื่อให้ได้ลักษณะและสีตามความต้องการ
Material Jetting มีข้อได้เปรียบมากมายในการทำงานต้นแบบ มันช่วยให้ผู้ใช้งานสร้างสรรค์งานที่เหมือนจริง และสามารถใช้งานได้ด้วย และยังมีความละเอียด เที่ยงตรง แม่นยำ เป็นระบบการพิมพ์สามมิติที่ให้ความเที่ยงตรงที่สุดในปัจจุบัน มันพิมพ์ได้ถึง 16 ไมครอน ซึ่งบางกว่าเส้นผมของคนเรา
ต้นแบบแปรงสีฟัน ที่มีขนแปรงเป็นวัสดุอ่อนนิ่ม ด้ามแปรงแข็ง เหมือนการฉีดพลาสติกแบบ Overmold
สร้างแม่พิมพ์โดยใช้วัสดุคล้าย ABS ทำได้รวดเร็ว เที่ยงตรงสูง และประหยัด ใช้เป็นแม่พิมพ์ในการฉีดพลาสติกจำนวนไม่มาก ประมาณ 10-100 ชิ้น
แบบจำลองตับ ที่ใส มองเห็นภายในเพื่อการศึกษาของมหาวิทยาลัยโกเบ ใช้พลาสติกใสในการพิมพ์
ท่อแยกหลายทางในเครื่องเทอร์โบ เพื่อทดสอบการติดตั้ง
กรอบใส่โทรศัพท์มือถือ ได้แรงบันดาลใจจากคลื่นน้ำทะเล พิมพ์ด้วยวัสดุเสมือน Polypropylene
Binder Jetting
เครื่องพิมพ์สีธรรมชาติจากหินทราย ใช้กันอย่างกว้างขวางงานประติมากรรมรูปเหมือน และหุ่นจำลอง
เครื่องในระบบ binder jetting จะเหมือนกับระบบ SLS ในแง่ของการพิมพ์โดยใช้ผงวัสดุแล้วหลอมเข้าด้วยกัน เพียงแต่แทนที่จะใช้แสงเลเซอร์เพื่อหลอมผงวัสดุเข้าด้วยกัน มันจะใช้สารเหลวเพื่อเชื่อมให้ผงวัสดุติดกัน
กระบวนการพิมพ์จะเริ่มจากหัวพิมพ์ฉีดสารเหลวไปบนแท่นพิมพ์เพื่อเชื่อมผงวัสดุเข้าด้วยกัน เมื่อชั้นแรกเสร็จเรียบร้อย แท่นพิมพ์จะลดระดับลงเล็กน้อย และผงวัสดุชั้นต่อไปจะถูกเกลี่ยลงไปเป็นชั้นบางๆ แล้ววงจรการพิมพ์ก็จะดำเนินไปเรื่อยๆ จนกระทั่งเสร็จสิ้น ได้ชิ้นงานออกมา
หลังจากที่นำชิ้นงานออกจากแท่นพิมพ์ มันจะต้องถูกนำไปล้างเอาผงวัสดุส่วนเกินออกไป และเคลือบด้วยกาวอีกทีหนึ่งเพื่อให้มันมีความแข็งแรง และป้องกันสีซีดจาง
แผนผังแสดงการทำงานของเครื่องพิมพ์ระบบ Binder Jetting
ระบบ Binder Jetting ถูกใช้ในวงการอุตสาหกรรม วัสดุที่ใช้ปกติจะเป็นหินทราย ให้สีเหมือนธรรมชาติ ในราคาที่เอื้อมถึง เมื่อเทียบกับระบบ SLS เนื่องจากว่าระบบนี้ใช้พลังงานน้อยกว่า แต่งานที่ได้ก็มีความแข็งแรงน้อยกว่า
จากการที่มันพิมพ์งานได้สีตามจริงทำให้มันเป็นที่นิยมในงานแบบจำลองทางสถาปัตยกรรม และรูปปั้นเหมือนจริง ข้อดีข้อหนึ่งที่เหมือนกับระบบ SLS คือผงวัสดุที่ไม่ได้เป็นเนื้องานจะทำหน้าที่เป็น Support ไปในตัว ทำให้งานยากๆ มีส่วนยื่นเยอะๆ ทำได้ง่าย ไม่ต้องสร้าง support เพิ่มเติม
แบบจำลองบ้าน
แบบจำลองสนามกีฬา AEK ในกรุงเอเธนส์
แบบจำลองครัว
รูปปั้น Tyrannosaurus rex
แบบจำลองเครื่องพ่น
การพิมพ์โลหะ (Selective Laser Melting and Electron Beam Melting)
การพิมพ์ในระบบอุตสาหกรรมอย่างแท้จริง เพื่อผลิตงานที่ใช้งานได้จริง และสามารถใช้โลหะ และอัลลอยได้หลายชนิด
Selective Laser Melting and Electron Beam Melting (SLM and EBM) เป็นระบบที่ใช้กันเป็นปรกติสำหรับการพิมพ์โลหะ ลักษณะของมันจะเหมือนกับระบบ SLS ตรงที่ใช้ผงวัสดุเป็นวัตถุดิบในการขึ้นรูป แล้วหลอมวัสดุเหล่านั้นให้เป็นรูปร่างตามต้องการด้วยความร้อน แต่ด้วยวัสดุที่เป็นโลหะ ระบบนี้ต้องใช้พลังงานสูงมากในการหลอมโลหะ แสงเลเซอร์กำลังสูง (ในระบบ SLM) และแสงอิเล็กตรอน (ในระบบ EBM) จึงถูกนำมาใช้
ในการพิมพ์ด้วยระบบนี้ เครื่องพิมพ์จะเกลี่ยผงโลหะให้เป็นชั้นบางๆ บนแท่นพิมพ์ แล้วผงโลหะจะถูกหลอมละลายด้วยแสงเลเซอร์ (SLM) หรือลำแสงอิเล็กตรอน (EBM) จากนั้นแท่นพิมพ์ก็จะเลื่อนลงแล้วเครื่องก็จะเกลี่ยผงโลหะทับขึ้นไปเพื่อพิมพ์ชั้นต่อไป ทำซ้ำๆ ไปจนชิ้นงานเสร็จสมบูรณ์ ทั้งระบบ SLM และ EBM ต้องการ support เพื่อยึดตัวชิ้นงาน และรองรับส่วนยื่นให้ติดกับแท่นพิมพ์ และเพื่อระบายความร้อนจากตัวงานด้วย นอกจากนี้เวลาพิมพ์ ระบบ SLM จะต้องพิมพ์ในพื้นที่ที่มีออกซิเจนต่ำ และระบบ EBM ต้องพิมพ์ในสุญญากาศ เพื่อลดแรงเค้นจากอุณหภูมิ และลดการบิดงอด้วย
ผังแสดงการพิมพ์ระบบ SLM ผังแสดงการพิมพ์ระบบ EBM
ระบบ SLM และ EBM ถูกใช้กันมากในโรงงานอุตสาหกรรม วัสดุที่ใช้ได้เป็นโลหะหลากหลายชนิด เช่นเหล็ก ไทเทเนียม อลูมิเนียม โคบอลต์-โครม และนิเกิล
การพิมพ์โลหะถือเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการพิมพ์สามมิติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวงการการบินอวกาศ อากาศยาน รถยนต์ และระบบดูแลสุขภาพ ครอบคลุมตั้งแต่สินค้าไฮเทค แต่ปริมาณน้อย จากงานต้นแบบไปถึงการพิมพ์เพื่อใช้งานจริง การพิมพ์ชิ้นส่วนโลหะทำให้การออกแบบชิ้นส่วนได้เป็นชิ้นเดียว ไม่จำเป็นต้องมีส่วนย่อยๆ มาประกอบกัน สามารถลดขนาดของชิ้นงาน และลดเนื้อวัตถุดิบได้ ระบบการพิมพ์นี้ได้พัฒนามาจนถึงจุดที่ผลงานสามารถเทียบได้กับสิ่งที่ผลิตจากเครื่องจักรโดยทั่วไปได้แล้ว ทั้งในแง่ของเนื้อวัสดุ และคุณสมบัติทางกายภาพ จนถึงระดับจุลภาคเลยทีเดียว
ชิ้นส่วนเครื่องยนต์ LEAP ของ GE จำนวน 19 ชิ้น ในส่วนของหัวฉีดน้ำมัน สามารถทำให้เครื่องบินรูปร่างเพรียวลมแบบเครื่องบินรุ่น Boeing 737MAX และ Airbus A320neo ทะยานไปได้
ครอบฟัน และสะพานฟันของคนไข้ พิมพ์ด้วยวัสดุผสม cobalt-chrome
ข้อต่อน้ำหนักเบาใช้ในเครื่องบิน Airbus A380
เครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จน้ำหนักเบามาก ผลิตโดยบริษัทรถยนต์ในสวีเดน Koenigsegg
โล่รางวัลพิมพ์จากโลหะ stainless steel
ติดตามตอนต่อไปในเรื่องของวัสดุที่ใช้ในการพิมพ์