การพิมพ์ 3 มิติทำงานอย่างไร?

หนึ่งในวิธีการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุคือการพิมพ์ 3 มิติ เรียกว่า "แบบเพิ่มเนื้อวัสดุ" เพราะเป็นการวางซ้อนและหลอมรวมชั้นของวัสดุเพื่อสร้างวัตถุจริง โดยไม่จำเป็นต้องใช้บล็อกวัสดุหรือแม่พิมพ์ สามารถสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนกว่าเทคโนโลยี "แบบดั้งเดิม" มักทำได้รวดเร็ว มีต้นทุนการตั้งค่าคงที่ราคาถูก และใช้งานได้กับวัสดุหลากหลายชนิดมากขึ้นเรื่อยๆ ภาควิศวกรรมใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีนี้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสร้างต้นแบบและพัฒนารูปทรงเรขาคณิตที่มีน้ำหนักเบา

การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุและการพิมพ์ 3 มิติ

คำว่า "การพิมพ์ 3 มิติ" มักเชื่อมโยงกับวัฒนธรรมการสร้างสรรค์ (maker culture) กลุ่มมือสมัครเล่นและผู้ที่ชื่นชอบ เครื่องพิมพ์ตั้งโต๊ะ เทคนิคการพิมพ์ที่เข้าถึงได้ง่าย เช่น FDM และวัสดุราคาไม่แพง เช่น ABS และ PLA ส่วนหนึ่งเป็นเพราะเครื่องพิมพ์ตั้งโต๊ะราคาประหยัดที่เกิดขึ้นจากขบวนการ RepRap เช่น MakerBot รุ่นแรกและ Ultimaker ซึ่งมีส่วนช่วยในการทำให้การพิมพ์ 3 มิติเป็นที่แพร่หลายและนำไปสู่กระแสความนิยมการพิมพ์ 3 มิติในปี 2009

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ: อนาคตของการผลิตเชิงนวัตกรรม

3 มิติ การพิมพ์ ประวัติศาสตร์

แนวคิดผลิตภัณฑ์การพิมพ์ 3 มิติเริ่มขึ้นในทศวรรษ 1970 ในปี 1981 ดร. โคดามะ นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่น ซึ่งเป็นคนแรกที่อธิบายวิธีการผลิตแบบพิมพ์ทีละชั้น ได้ทดลองการพิมพ์ 3 มิติ และสร้างเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ SLA (stereolithography) ด้วยตนเอง ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ใช้เรซินไวแสงในการพอลิเมอไรซ์ด้วยแสงอัลตราไวโอเลต

ไม่กี่ปีต่อมา ชาร์ลส์ ฮัลล์ นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน ได้ทำการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับเทคโนโลยี SLA และยื่นจดสิทธิบัตร SLA ฉบับแรกในปี 1986 เขาได้ก่อตั้งบริษัท 3D Systems และวางจำหน่ายผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ชิ้นแรกคือ SLA-1 ในปี 1988 (ภาพด้านล่าง)

อาจกล่าวได้ว่า SLA เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่พัฒนาขึ้นในยุคแรก แล้ว SLS (Selective Laser Sintering) และ FDM (Fused Deposition Modeling) พัฒนาขึ้นมาเมื่อไรในภายหลัง

ในปี 1988 คาร์ล เด็คการ์ด ชาวอเมริกัน ได้จดสิทธิบัตรเทคโนโลยี SLS ที่มหาวิทยาลัยเท็กซัส ซึ่งเป็นเทคนิคการพิมพ์ 3 มิติอีกแบบหนึ่ง โดยใช้เลเซอร์ในการหลอมรวมอนุภาคผงเข้าด้วยกันเฉพาะจุดเพื่อทำการพิมพ์ ในปีเดียวกันนั้น สก็อตต์ ครัมป์ หนึ่งในผู้ก่อตั้ง Stratasys ได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรสำหรับเทคโนโลยีการพิมพ์แบบหลอมรวมวัสดุ (FDM) ตั้งแต่ปี 1980 ถึง 1990 เทคโนโลยีหลักทั้งสามของการพิมพ์ 3 มิติได้รับการจดสิทธิบัตรทั้งหมด ซึ่งถือเป็นจุดเริ่มต้นของช่วงเวลาแห่งการพัฒนาอย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมนี้

ในยุโรป บริษัท EOS GmbH ได้สร้างระบบการออกแบบสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ นั่นคือระบบ "Stereos" ปัจจุบัน โมเดลที่พิมพ์ 3 มิติของระบบนี้ถูกนำไปใช้ทั่วโลกในภาคอุตสาหกรรม โดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ SLS (Selective Laser Sintering) สำหรับพลาสติกและโลหะ

ในปี 1992 บริษัท Stratasys ได้รับสิทธิบัตรเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM (Fused Deposition Modeling) ซึ่งเป็นบริษัทที่พัฒนาเครื่องพิมพ์ 3 มิติเพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายของมืออาชีพและบุคคลทั่วไป

ระหว่างปี 1993 ถึง 1999 เทคโนโลยีต่างๆ ได้เกิดขึ้นมากมายในอุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติ ในเวลาเดียวกัน ซอฟต์แวร์ CAD และซอฟต์แวร์สร้างแบบจำลอง 3 มิติใหม่ๆ ก็ได้รับการพัฒนามากขึ้นเรื่อยๆ ตัวอย่างเช่น Sanders Prototype (ปัจจุบันเรียกว่า Solidscape) ซึ่งเป็นหนึ่งในซอฟต์แวร์รุ่นแรกๆ ที่ถูกสร้างขึ้น

การพิมพ์ 3 มิติ การประยุกต์ใช้งานหลากหลายสาขา

ในปี 2008 อวัยวะเทียมที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติชิ้นแรกได้ถือกำเนิดขึ้น ซึ่งยิ่งเพิ่มบทบาทของการพิมพ์ 3 มิติในสื่อต่างๆ ผู้คนพบว่าการพิมพ์ 3 มิติไม่เพียงแต่สามารถพิมพ์ชิ้นส่วนแบบดั้งเดิมได้เท่านั้น แต่ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการซ่อมแซมร่างกายมนุษย์ได้อีกด้วย โครงการพิมพ์ 3 มิติทางการแพทย์ที่น่าทึ่งนี้ได้รวมชิ้นส่วนทั้งหมดของแขนขาทางชีวภาพเข้าไว้ด้วยกัน และสามารถพิมพ์ได้ "ตามแบบ" โดยไม่ต้องประกอบชิ้นส่วนเพิ่มเติมใดๆ ปัจจุบัน เมื่อรวมกับการสแกน 3 มิติ อวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริมทางการแพทย์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ กำลังมีราคาถูกลงและรวดเร็วขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการของผู้ป่วย ยิ่งไปกว่านั้น อวัยวะเทียมเหล่านี้ได้รับการปรับปรุงและปรับให้เข้ากับสรีระของผู้ป่วยมากขึ้นเรื่อยๆ การพิมพ์ 3 มิติ นำมาซึ่งโอกาสใหม่ๆ สำหรับการปรับแต่งเฉพาะบุคคลในวงกว้าง (เพิ่มรูปภาพ)

ปี 2009 เป็นปีที่สิทธิบัตร FDM เข้าสู่ตลาดผู้บริโภคในวงกว้าง ซึ่งเปิดเส้นทางใหม่สำหรับการพัฒนานวัตกรรมเครื่องพิมพ์ 3 มิติ FDM อย่างกว้างขวาง เมื่อราคาของเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบตั้งโต๊ะลดลง ผู้คนจำนวนมากขึ้นจึงสามารถหันมาให้ความสนใจกับการพัฒนาอุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติได้

ในปี 2013 ประธานาธิบดีบารัค โอบามาของสหรัฐฯ ได้กล่าวถึงการพิมพ์ 3 มิติในสุนทรพจน์แถลงนโยบายประจำปีว่าเป็นรูปแบบการผลิตหลักแห่งอนาคต ทำให้ "การพิมพ์ 3 มิติ" กลายเป็นคำที่ได้รับความนิยมอย่างมาก ปัจจุบัน เทคโนโลยีนี้เป็นที่รู้จักและได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง บริษัทขนาดเล็กและขนาดกลางจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ กำลังใช้ประโยชน์จากการสร้างต้นแบบต้นทุนต่ำของการพิมพ์ 3 มิติ และบูรณาการเข้ากับกระบวนการพัฒนา ปรับปรุง และสร้างสรรค์นวัตกรรมของตนอย่างเต็มรูปแบบ

รถยนต์ต้นแบบพิมพ์ 3 มิติ

ในส่วนของการประยุกต์ใช้ในงานก่อสร้างนั้น บ้านที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติได้กลายเป็นความจริงแล้ว ผู้คนย้ายเข้าไปอยู่ในบ้านที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติเป็นครั้งแรกในปี 2018 บ้านหลังนั้นมีพื้นที่ 1,022 ตารางฟุต ซึ่งถือว่าอยู่อาศัยได้สบาย ใช้เวลาพิมพ์ทั้งหมดสองวัน

ระบบการจำแนกประเภทของการพิมพ์ 3 มิติ โดยพิจารณาจากความเหมือนและความแตกต่างระหว่างการผลิตและการพิมพ์ 3 มิติ

ลองนึกถึงลูกบอลกลวงเป็นตัวอย่าง บนพื้นผิวมีดอกไม้มากกว่าสิบดอก หากใช้เครื่องจักรแบบดั้งเดิมในการผลิต จะยุ่งยากมาก และต้องแก้ไขลวดลายทีละดอก แต่ถ้าเลือกใช้การพิมพ์ 3 มิติ จะไม่มีวัสดุเหลือทิ้ง จึงเรียกว่าการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) ซึ่งหมายถึงการใช้กรรมวิธีค่อยๆ สะสมวัสดุเพื่อผลิตชิ้นส่วน วิธีการแบบดั้งเดิมคือการสร้างต้นแบบก่อน แล้วจึงเอาส่วนเกินออก และวัสดุที่เหลือจะเป็นรูปทรงที่ต้องการ หากพบปัญหา ก็ต้องเปิดแม่พิมพ์และแก้ไข แต่การพิมพ์ 3 มิติใช้การสะสมวัสดุทีละน้อย ทำให้เห็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปได้เร็วขึ้น

การนำเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติมาใช้จริง

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการผลิตทางอุตสาหกรรม สิ่งที่การพิมพ์ 3 มิติต้องการไม่ใช่สิ่งของจริง แต่เป็นแบบจำลองดิจิทัล หากคุณต้องการพิมพ์สิ่งของจริงที่อยู่ตรงหน้าคุณแบบ 3 มิติ คุณต้องใช้คอมพิวเตอร์สร้างแบบจำลอง หรือใช้เครื่องสแกน 3 มิติเพื่อแปลงสิ่งของจริงให้เป็นดิจิทัล นั่นคือแบบจำลอง 3 มิติ และคุณสามารถพิมพ์สิ่งของได้ภายในเวลาเพียงสิบห้านาที ปัจจุบัน เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบ่งออกเป็นสี่ประเภทหลัก ได้แก่ FDM, DLP/SLA และ SLS

SLS -- กระบวนการขึ้นรูปด้วยการเผาผนึกด้วยเลเซอร์

SLS เป็นเทคโนโลยีขั้นสูงที่ใช้ผงวัสดุหลอมเหลวภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงจากการฉายแสงเลเซอร์ โดยการกระจายผงวัสดุเป็นชั้นบางๆ บนโต๊ะทำงาน แล้วใช้ลำแสงเลเซอร์สแกนไปตามหน้าตัดของชั้นผงเพื่อเพิ่มอุณหภูมิให้ถึงจุดหลอมเหลว จากนั้นจึงทำการเผาผนึกและเชื่อมต่อ ทำซ้ำขั้นตอนการกระจายผง การเผาผนึก การขัด และการอบแห้ง จนกระทั่งได้ชิ้นงาน ที่จริงแล้ว การพิมพ์ 3 มิติก็คือการพิมพ์ 2 มิติซ้ำๆ กัน หากคุณหั่นวัตถุให้บางมาก คุณจะพบว่าแต่ละชิ้นมีรูปร่าง หากคุณนำรูปร่างทั้งหมดมารวมกัน คุณจะได้วัตถุที่มีโครงสร้างสามมิติ ดังนั้นเราจึงใช้เลเซอร์ในการวาดภาพ ความทนทานของชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วย SLS ต่อสภาพแวดล้อม (อุณหภูมิ ความชื้น และการกัดกร่อนทางเคมี) นั้นคล้ายกับวัสดุเทอร์โมพลาสติก ในขณะที่ความทนทานของชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วย SLA นั้นค่อนข้างต่ำ ตัวอย่างเช่น ชิ้นงาน SLA ที่ขึ้นรูปด้วยเรซินอีพ็อกซีนั้นไวต่อความชื้นและสารเคมี หากเกิดการกัดกร่อน วัสดุจะอ่อนตัวและบิดเบี้ยวในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 38 องศาเซลเซียส แต่ความแม่นยำในการขึ้นรูปจะสูง

SLA -- กระบวนการขึ้นรูปด้วยสเตอริโอลิโทกราฟี

SLA (Stereolithography) เป็นเทคโนโลยีการบ่มด้วยแสง ซึ่งปัจจุบันพัฒนาค่อนข้างมากในประเทศจีน "สเตอริโอลิโทกราฟี" คือการใช้ลำแสงเลเซอร์สร้างโครงร่างชั้นแรกของวัตถุบนพื้นผิวของเรซินเหลว จากนั้นจึงลดแท่นผลิตลงในระยะหนึ่ง (ระหว่าง 0.05-0.025 มม.) แล้วจึงนำชั้นที่แข็งตัวแล้วไปจุ่มลงในเรซินเหลว และทำซ้ำเช่นนี้ไปเรื่อยๆ เรซินที่ใช้เป็นเรซินไวแสง ซึ่งจะเปลี่ยนเป็นสถานะของแข็งหลังจากได้รับแสงเลเซอร์ ทำให้การขึ้นรูปชิ้นงานรวดเร็วและแม่นยำ

DLP -- กระบวนการขึ้นรูปด้วยสเตอริโอลิโทกราฟี

เทคโนโลยี DLP (Digital Light Processing) หรือที่รู้จักกันในชื่อเทคโนโลยีการขึ้นรูปด้วยเลเซอร์ มีความคล้ายคลึงกับเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ SLA (Single Labeling) อยู่หลายประการ หากเปรียบเทียบการผลิตกับการวาดวงกลมด้วยดินสอ เทคโนโลยี SLA ก็เปรียบเสมือนการวาดทีละชั้น ในขณะที่ DLP เปรียบเสมือนการปั๊มโดยตรง การผลิตจำนวนมากที่เรากำลังดำเนินการอยู่นั้นมีประเด็นสำคัญสองประการ คือ ประสิทธิภาพ และต้นทุนวัสดุ ปัจจุบันมีเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่สามารถพิมพ์ได้เร็วกว่าการผลิตแบบดั้งเดิมหลายร้อยเท่า นั่นคือเทคโนโลยีการพิมพ์แบบหน้าต่อหน้า ซึ่งพัฒนาโดยบริษัท Light Prism Technology ในเมืองเซินเจิ้น การพิมพ์ลูกบอลกลวงด้วยการพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM แบบดั้งเดิมใช้เวลา 2-5 ชั่วโมง และเร็วที่สุดคือหนึ่งชั่วโมง แต่ด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์แบบหน้าต่อหน้าล่าสุด ใช้เวลาเพียงประมาณ 10 นาทีเท่านั้น ความเร็วในการพิมพ์นั้นน่าทึ่งมาก เมื่อเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิตินี้ออกสู่ตลาด ผลกระทบต่อหัตถกรรมแบบดั้งเดิมจะยิ่งใหญ่มาก

FDM -- กระบวนการขึ้นรูปด้วยการหลอมละลาย

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยี DLP และ SLS เทคโนโลยี FDM นั้นค่อนข้างเรียบง่าย จึงมีผู้ใช้งานจำนวนมากและเข้าถึงได้ง่ายกว่า โดยการสร้างต้นแบบโดยตรงจากข้อมูล CAD 3 มิติ โดยใช้เทอร์โมพลาสติกที่ถูกอัดขึ้นรูปเป็นเส้นใยกึ่งหลอมเหลว แล้ววางซ้อนกันทีละชั้น ข้อดีของเทคโนโลยี FDM คือ โครงสร้างเชิงกลที่เรียบง่าย ออกแบบง่าย ต้นทุนการผลิต การบำรุงรักษา และวัสดุต่ำ และไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้น FDM จึงเป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบตั้งโต๊ะสำหรับใช้ในครัวเรือน ส่วนอีกเทคโนโลยีหนึ่งคือวิธีการพิมพ์แบบดั้งเดิมที่ไม่ใช้เลเซอร์ มีต้นทุนต่ำ แต่ความแม่นยำไม่สูงและความเร็วในการพิมพ์ช้ามาก อย่างไรก็ตาม นี่เป็นวิธีการที่ทุกคนเข้าถึงได้ง่ายที่สุด และโดยทั่วไปใช้ในตลาดการศึกษา

ผลกระทบของการพิมพ์ 3 มิติ ต่อการผลิตและงานฝีมือแบบดั้งเดิม

ข้อดีของการพิมพ์ 3 มิติ

(1) การปรับแต่ง

ยกตัวอย่างเช่น ในวงการทันตกรรม ฟันของแต่ละคนไม่เหมือนกัน แต่การพิมพ์ 3 มิติสามารถแก้ปัญหาความขัดแย้งระหว่างการผลิตแบบเฉพาะบุคคลและการผลิตจำนวนมากได้ และสามารถผลิตรากฟันเทียม เครื่องมือจัดฟัน ฯลฯ แบบเฉพาะบุคคลได้ในปริมาณมาก

(2) ตัวอย่างแบบเรียลไทม์

เนื่องจากการพิมพ์ 3 มิติมีความเร็วสูง นักออกแบบสามารถออกแบบผลิตภัณฑ์เวอร์ชันหนึ่งในตอนเช้า และหัวหน้างานสามารถเห็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปได้ในตอนเที่ยง จากนั้นออกแบบเวอร์ชันอื่นในตอนเย็น และเห็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปในเช้าวันถัดไป ซึ่งช่วยเร่งความเร็วในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ได้อย่างมาก หากไม่ซับซ้อนมากนัก การพิมพ์ 3 มิติสามารถผลิตผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปได้ภายใน 3 ชั่วโมง ในขณะที่การตรวจสอบแบบดั้งเดิมใช้เวลา 4-6 สัปดาห์ในแต่ละครั้ง ดังนั้นความเร็วโดยรวมของการออกแบบอุตสาหกรรมจึงได้รับการปรับปรุงเช่นกัน

(3) ไม่มีมลพิษ

 เนื่องจากวัตถุดิบที่ใช้ทั้งหมดเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม กระบวนการผลิตทั้งหมดจึงปราศจากมลพิษ ไม่มีการปล่อยก๊าซเสียและน้ำเสีย และไม่มีวัสดุเหลือทิ้ง

(4) การแปลงข้อมูล

เมื่อทันตกรรมดิจิทัลพัฒนาไปมาก ความต้องการด้านเทคนิคสำหรับทันตแพทย์จะลดลงอย่างมาก ผู้ป่วยเพียงแค่ใช้เครื่องมือสแกนเพียงสองนาทีในโรงพยาบาล ก็สามารถทราบสาเหตุและวิธีแก้ไขปัญหาทางทันตกรรมทั้งหมดได้แล้ว

นอกจากนี้ การพิมพ์ 3 มิติยังสามารถใช้ในด้านทันตกรรมจัดฟันได้ เช่น การพิมพ์เครื่องมือจัดฟันแบบใสที่ออกแบบเฉพาะบุคคล ในระหว่างการศัลยกรรมตกแต่งฟัน ควรเคลื่อนฟันไปทางซ้ายหรือไปข้างหน้า? ควรเคลื่อนกี่มิลลิเมตร? ในอดีต การผ่าตัดทางทันตกรรมอาศัยประสบการณ์ส่วนตัวของแพทย์เพียงอย่างเดียว แต่ทันตกรรมดิจิทัลได้เพิ่มความเสถียรของการผ่าตัดและลดอุปสรรคทางเทคนิคสำหรับแพทย์ลง

(5) เร็ว

 เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการทางอุตสาหกรรมแบบดั้งเดิม การพิมพ์ 3 มิติไม่จำเป็นต้องมีการเตรียมการล่วงหน้า เช่น กำลังคนและการขนส่ง เพียงแค่ใช้เครื่องจักรและวัตถุดิบ ก็สามารถเริ่มการผลิตได้อย่างรวดเร็ว

(6) ระบบอัตโนมัติ

 อาจกล่าวได้ว่ามีเพียงเครื่องพิมพ์ 3 มิติเพียงเครื่องเดียวเท่านั้นที่เป็นตัวเชื่อมระหว่างจินตนาการเสมือนจริงกับสิ่งที่เป็นจริง การผลิตด้วยการพิมพ์ 3 มิติแบบกดปุ่มเดียวช่วยประหยัดต้นทุนแรงงานและข้อผิดพลาดจากมนุษย์ได้มาก