3D Printing: เทคโนโลยีของโลกยุคใหม่

เรื่องโดย ดร.ทัศชา ทรัพย์มีชัย

เทคโนโลยีการพิมพ์แบบสามมิติ (3D printing) คือนวัตกรรมเปลี่ยนโลกที่ได้รับการกล่าวถึงอย่างมากในช่วงหลายปีที่ผ่านมา เป็นเทคโนโลยีที่ถูกคิดค้นมากว่า 30 ปีและกำลังขยายการใช้งานเข้าสู่ผู้ใช้ระดับครัวเรือนมากขึ้นในราคาที่ต่ำลงเรื่อย ๆ จนมีผู้นำไปพัฒนาต่อยอดและประยุกต์ใช้ในแวดวงต่าง ๆ อย่างกว้างขวาง เครื่องพิมพ์ 3 มิติสามารถสร้างชิ้นงานได้ด้วยวัสดุหลากหลายแบบ ทั้งพลาสติก ยาง โลหะ ไนล่อน อัลลอย ฯลฯ โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติสามารถแบ่งได้เป็นหลายประเภท ขึ้นอยู่กับวิธีการขึ้นรูปชิ้นงานและวัสดุที่สามารถพิมพ์ได้ ถึงแม้เครื่องพิมพ์แต่ละแบบจะมีความแตกต่างกันแต่หลักการพื้นฐานยังเหมือนเดิมคือ “ขึ้นรูปชิ้นงานโดยการเติมเนื้อวัสดุทีละชั้น” บทความนี้เราจะมาทำความเข้าใจเทคโนโลยีแบบต่าง ๆ ของเครื่องพิมพ์ 3 มิติกัน

Fused Deposition Modeling (FDM) เป็นเทคโนโลยี 3D Printing ที่แพร่หลายที่สุด เนื่องจากมีราคาถูก เครื่องพิมพ์ประเภทนี้ทำงานโดยการทำความร้อนละลายเส้นพลาสติก (Filament) แล้วฉีดพลาสติกออกมาตามรูปทรงหน้าตัดของชิ้นงานทีละชั้นซ้อนกันเรื่อย ๆ จนได้เป็นชิ้นงาน เหมาะสำหรับทำชิ้นงานต้นแบบอย่างรวดเร็ว มีข้อดีคือราคาถูก ใช้งานง่ายและมีวัสดุให้เลือกใช้หลายชนิด (ABS, PLA, Flexible, Nylon, พลาสติกผสมเนื้อไม้หรือโลหะ) ส่วนข้อเสียคือคุณภาพงานพิมพ์ยังสู้เครื่องพิมพ์แบบอื่นไม่ได้ ไม่เหมาะกับชิ้นงานที่ต้องการความละเอียดสูง

การพิมพ์แบบ Stereolithography (SLA) ทำงานโดยใช้แสงเลเซอร์ฉายบนน้ำยาเรซิ่นไวแสง โดยเรซิ่นส่วนที่โดนฉายแสงจะแข็งตัว แสงเลเซอร์จะทำการวาดไปบนพื้นผิวของน้ำยาเรซิ่นตามรูปทรงของวัตถุ เมื่อฉายแสง Layer หนึ่งเสร็จ ฐานพิมพ์ก็จะขยับขึ้นเพื่อวาด Layer ต่อไป ข้อดีของ SLA คือมีความละเอียดสูง ชิ้นงานที่ออกมาจะเรียบเนียน ไม่เหมือน FDM ที่มักเห็นเส้น Layer เป็นชั้น ๆ ส่วนข้อเสียคือตัวเครื่องพิมพ์และวัสดุเรซิ่นมีราคาแพงกว่า FDM และหลังพิมพ์ชิ้นงาน ต้องมีขั้นตอน Post-processing เพิ่มเติม เช่น การล้างแอลกอฮอล์ และการอบแสง UV เหมาะสำหรับทำชิ้นงานที่ต้องการความละเอียดสูงเช่นเครื่องประดับ Jewelry งานทันตกรรม พระเครื่อง งานออกแบบผลิตภัณฑ์

Digital Light Processing (DLP) คล้ายกับ SLA คือใช้วัสดุเป็นน้ำเรซิ่นเหมือนกัน ต่างกันที่ DLP จะใช้โปรเจ็คเตอร์เป็นต้นกำเนิดแสงแทนการใช้เลเซอร์ หลักการทำงานก็คือโปรเจ็คเตอร์จะฉายแสงเป็นรูป Layer ของวัตถุไปบนถาดเรซิ่น ซึ่งจะแข็งตัวกลายเป็นวัตถุสามมิติ กระบวนการนี้จะเร็วกว่า SLA เพราะหนึ่ง Layer ใช้การฉายแสงเพียงครั้งเดียว แทนที่จะใช้ Laser วาดเป็นรูป ข้อเสียก็คือตัวเครื่องมักมีขนาดใหญ่กว่าเครื่อง SLA เนื่องจากต้องมีพื้นที่สำหรับวางโปรเจ็คเตอร์

ระบบหลอมผงวัสดุ Selective Laser Sintering (SLS) ทำงานโดยใช้แสงเลเซอร์เพื่อเชื่อมวัสดุผง เช่น ผงไนล่อนหรือพอลิสไตรีนให้จับตัวเป็นก้อน จากนั้นฐานพิมพ์จะขยับลงและเลเซอร์จะทำการเชื่อมผงวัสดุในชั้นต่อไป ข้อดีของกระบวนการนี้คือไม่จำเป็นต้องใช้ Support Structure เนื่องจากผงวัสดุที่อยู่รอบ ๆ วัตถุทำหน้าที่รองรับให้อยู่แล้ว ทำให้พิมพ์รูปทรงซับซ้อนได้อย่างอิสระ ชิ้นงานมีความละเอียดสูงและมีความแข็งแรง เหมาะกับการใช้งานจริง ส่วนข้อเสียคือเครื่องพิมพ์มีราคาสูงและจำเป็นต้องมีอุปกรณ์เพื่อจัดการกับวัสดุผง เช่น ระบบกรองอากาศและผสมวัสดุ

เครื่องพิมพ์ระบบ Material jetting มีความคล้ายกับเครื่องพิมพ์ประเภท Inkjet ทำงานโดยการฉีดวัสดุพอลิเมอร์เจลลงบนฐานพิมพ์ทีละชั้น แล้วใช้แสง UV ทำให้แข็งตัวในทันที เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ในเครื่องพิมพ์ระดับอุตสาหกรรม สามารถสร้างชิ้นงานที่มีคุณสมบัติหลายแบบ เช่น พลาสติกแข็ง วัสดุใส วัสดุยืดหยุ่น (หรือพิมพ์วัสดุหลายประเภทในชิ้นงานเดียว) ถือเป็นเครื่องพิมพ์ที่มีความละเอียดสูงที่สุด ใช้สำหรับทำชิ้นงาน Prototype ที่มีความเสมือนจริง สำหรับใช้ในการตลาดและการนำ

เครื่องพิมพ์ระบบ Binder Jetting มีความคล้ายคลึงกับระบบ SLS เนื่องจากใช้วัสดุผงในการขึ้นรูปชิ้นงานเหมือนกัน แต่แทนที่จะใช้ Laser เชื่อมผงวัสดุ เครื่องพิมพ์จะใช้วิธีฉีด Binder ซึ่งเป็นสารเคมีทำหน้าที่เหมือนกาวเพื่อเชื่อมผงวัสดุเข้าด้วยกันเป็นรูปร่าง และยังพ่นสีลงไปได้ด้วย ทำให้ได้ชิ้นงานที่มีความละเอียด แถมยังมีสีสันเหมือนเครื่องพิมพ์ Inkjet ที่พิมพ์บนกระดาษ อย่างไรก็ตามชิ้นงานที่ออกจากเครื่องจะเปราะบาง ต้องนำไปเคลือบกาวเพื่อเสริมความแข็งแรง

Selective Laser Melting (SLM) และ Electron Beam Melting (EBM) เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะที่นิยมใช้ที่สุด มีหลักการทำงานเหมือน SLS คือขึ้นรูปชิ้นงานจากวัสดุผงทีละชั้น โดยใช้เลเซอร์พลังสูง (SLM) หรือลำแสงอิเล็กตรอน (EBM) เพื่อหลอมละลายโลหะ เนื่องจากโลหะมีจุดหลอมเหลวสูงจึงต้องใช้พลังงานสูงตามไปด้วย การพิมพ์ชิ้นงานโลหะทั้งแบบ SLM และ EBM จำเป็นต้องพิมพ์ Support เพื่อยึดชิ้นงานกับฐานพิมพ์และเพื่อระบายความร้อนจากการหลอมโลหะ

การพิมพ์ด้วยโลหะถือเป็นจุดสูงสุดของการพิมพ์ 3 มิติ มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม High-tech สำหรับทำชิ้นงานที่มีมูลค่าสูง เช่น อากาศยาน อวกาศยาน ยานยนต์ การแพทย์ ฯ การสร้างชิ้นงานโลหะด้วยการพิมพ์ 3 มิติสามารถช่วยลดจำนวนชิ้นส่วน ลดความซับซ้อนและลดน้ำหนักของเครื่องจักรต่าง ๆ โดยเทคโนโลยีนี้ได้พัฒนาไปถึงจุดที่สามารถสร้างชิ้นงานโลหะที่มีความแข็งแรงเทียบเท่ากับชิ้นงานโลหะหล่อเลยทีเดียว

แหล่งข้อมูล