การพิมพ์ 3 มิติทำงานอย่างไร?

วิธีการผลิตแบบเติมแต่งวิธีหนึ่งคือการพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งเป็น "แบบเติมแต่ง" ในแง่ที่ว่าเพียงแค่ซ้อนและหลอมรวมชั้นวัสดุเข้าด้วยกันเพื่อสร้างวัตถุจริง แทนที่จะต้องใช้วัสดุเป็นก้อนหรือแม่พิมพ์ สามารถสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนกว่าเทคโนโลยี "ทั่วไป" มักทำได้รวดเร็ว มีต้นทุนการติดตั้งคงที่ต่ำ และใช้งานได้กับวัสดุหลากหลายประเภทที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ภาควิศวกรรมใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีนี้อย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อต้องสร้างต้นแบบและพัฒนารูปทรงเรขาคณิตที่มีน้ำหนักเบา

การผลิตแบบเติมแต่งและการพิมพ์ 3 มิติ

คำว่า "การพิมพ์ 3 มิติ" มักถูกเชื่อมโยงกับวัฒนธรรมของผู้ผลิต ไม่ว่าจะเป็นมือสมัครเล่นหรือผู้ที่ชื่นชอบ เครื่องพิมพ์ตั้งโต๊ะ เทคนิคการพิมพ์ที่เข้าถึงได้ง่าย เช่น FDM และวัสดุราคาไม่แพง เช่น ABS และ PLA ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากเครื่องพิมพ์ตั้งโต๊ะราคาประหยัดที่เกิดขึ้นจากกระแส RepRap เช่น MakerBot และ Ultimaker รุ่นแรก ซึ่งมีส่วนทำให้การพิมพ์ 3 มิติแพร่หลายมากขึ้น และการพิมพ์ 3 มิติก็เฟื่องฟูในปี 2009

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ: อนาคตของการผลิตเชิงนวัตกรรม

3 มิติ การพิมพ์ ประวัติศาสตร์

ผลิตภัณฑ์แนวคิดการพิมพ์ 3 มิติเริ่มต้นขึ้นในช่วงทศวรรษ 1970 ในปี 1981 ดร. โคดามะ นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่น ผู้ซึ่งเป็นคนแรกที่อธิบายวิธีการผลิตแบบพิมพ์ทีละชั้น ได้ทดลองใช้การพิมพ์ 3 มิติ และได้ประดิษฐ์เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ SLA (stereolithography) ด้วยตนเอง ซึ่งเป็นเรซินไวแสงที่ผ่านกระบวนการพอลิเมอร์ด้วยแสงอัลตราไวโอเลต

ไม่กี่ปีต่อมา นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกัน Charles Hull ได้ทำการวิจัยเชิงลึกเกี่ยวกับเทคโนโลยี SLA และยื่นสิทธิบัตรฉบับแรกของ SLA ในปี 1986 ก่อตั้ง 3D Systems และเปิดตัวผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ตัวแรก SLA-1 ในปี 1988 (ภาพด้านล่าง)

SLA ถือเป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่ได้รับการพัฒนาเร็วที่สุด แล้ว SLS (Selective Laser Sintering) และ FDM (Fused Deposition Modeling) พัฒนาขึ้นมาเมื่อใด

ในปี พ.ศ. 2531 คาร์ล เด็คการ์ด ชาวอเมริกัน ได้จดสิทธิบัตรเทคโนโลยี SLS ที่มหาวิทยาลัยเท็กซัส ซึ่งเป็นอีกเทคนิคการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้เลเซอร์หลอมรวมอนุภาคผงเข้าด้วยกันเพื่อพิมพ์ ในปีเดียวกันนั้น สก็อตต์ ครัมป์ หนึ่งในผู้ก่อตั้ง Stratasys ได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรสำหรับการสร้างแบบจำลองการตกตะกอนแบบหลอมรวม (FDM) ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2523 ถึง พ.ศ. 2533 เทคโนโลยีหลักทั้งสามของการพิมพ์ 3 มิติได้รับการจดสิทธิบัตรทั้งหมด ซึ่งถือเป็นจุดเริ่มต้นของยุคแห่งการพัฒนาอย่างรวดเร็วในอุตสาหกรรมนี้

ในยุโรป บริษัท EOS GmbH ได้พัฒนาระบบการออกแบบสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ นั่นคือระบบ Stereos ปัจจุบัน โมเดลที่พิมพ์ 3 มิติของบริษัทในภาคอุตสาหกรรมถูกนำไปใช้ทั่วโลกสำหรับเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ SLS (Selective Laser Sintering) สำหรับพลาสติกและโลหะที่ได้รับการยอมรับ

ในปี พ.ศ. 2535 Stratasys อนุมัติสิทธิบัตรเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM (Fused Deposition Modeling) ซึ่งพัฒนาเครื่องพิมพ์ 3 มิติเพื่อตอบสนองความต้องการที่แตกต่างกันของผู้เชี่ยวชาญและบุคคลต่างๆ มากมาย

ระหว่างปี พ.ศ. 2536 ถึง พ.ศ. 2542 มีเทคโนโลยีหลากหลายเกิดขึ้นในอุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติ ขณะเดียวกันก็มีการพัฒนาซอฟต์แวร์ CAD และซอฟต์แวร์สร้างแบบจำลอง 3 มิติใหม่ๆ เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ เช่น Sanders Prototype (ปัจจุบันเรียกว่า Solidscape) ซึ่งเป็นหนึ่งในโครงการแรกๆ ที่ถูกสร้างขึ้น

การพิมพ์ 3 มิติ การใช้งานหลายสาขา

ในปี 2008 ขาเทียมพิมพ์ 3 มิติตัวแรกได้ปรากฏขึ้น ซึ่งยิ่งเพิ่มสัดส่วนการพิมพ์ 3 มิติในสื่อต่างๆ ผู้คนพบว่าการพิมพ์ 3 มิติไม่เพียงแต่สามารถพิมพ์ชิ้นส่วนแบบดั้งเดิมได้เท่านั้น แต่ยังนำไปประยุกต์ใช้ในการซ่อมแซมร่างกายมนุษย์ได้อีกด้วย โครงการพิมพ์ 3 มิติทางการแพทย์อันน่าทึ่งนี้ผสมผสานทุกส่วนของแขนขาเทียมเข้าด้วยกัน และสามารถพิมพ์ "ตามสภาพ" ได้โดยไม่ต้องประกอบชิ้นส่วนใดๆ เพิ่มเติม ปัจจุบัน เมื่อใช้ร่วมกับการสแกน 3 มิติ ขาเทียมทางการแพทย์ที่พิมพ์ 3 มิติ และอุปกรณ์พยุงร่างกาย (orthotics) ก็มีราคาถูกลงและรวดเร็วขึ้น เพื่อตอบสนองความต้องการของผู้ป่วย ยิ่งไปกว่านั้น ขาเทียมเหล่านี้ยังได้รับการพัฒนาและปรับให้เข้ากับสรีระของผู้ป่วยมากขึ้น การพิมพ์ 3 มิตินำมาซึ่งโอกาสใหม่ๆ สำหรับการปรับแต่งเฉพาะบุคคลในวงกว้าง (เพิ่มรูปภาพ)

ปี 2009 เป็นปีที่สิทธิบัตร FDM เข้าสู่ตลาดผู้บริโภคจำนวนมาก ซึ่งเปิดเส้นทางใหม่สำหรับนวัตกรรมเครื่องพิมพ์ 3 มิติ FDM อย่างกว้างขวาง เมื่อราคาของเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบตั้งโต๊ะลดลง ผู้คนจำนวนมากจึงหันมาให้ความสนใจกับการพัฒนาของอุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติมากขึ้น

ในปี 2013 ประธานาธิบดีบารัค โอบามา แห่งสหรัฐอเมริกา ได้กล่าวถึงการพิมพ์ 3 มิติในการกล่าวสุนทรพจน์ประจำปีว่า “การพิมพ์ 3 มิติ” จะเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการผลิตแห่งอนาคต ทำให้คำว่า “การพิมพ์ 3 มิติ” กลายเป็นคำฮิตติดปาก ปัจจุบัน คำว่า “การพิมพ์ 3 มิติ” เป็นที่พูดถึงอย่างกว้างขวางในวงกว้าง บริษัทขนาดกลางและขนาดย่อมจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ กำลังใช้ประโยชน์จากการสร้างต้นแบบต้นทุนต่ำจากการพิมพ์ 3 มิติ โดยผนวกรวมเข้ากับกระบวนการทำซ้ำ นวัตกรรม และกระบวนการผลิตอย่างเต็มรูปแบบ

รถยนต์แนวคิดการพิมพ์ 3 มิติ

ในส่วนของงานก่อสร้าง บ้านที่พิมพ์ 3 มิติได้กลายเป็นความจริงแล้ว มีคนย้ายเข้ามาอยู่ในบ้านที่พิมพ์ 3 มิติเป็นครั้งแรกในปี 2018 บ้านหลังนี้มีพื้นที่ 1,022 ตารางฟุต ซึ่งน่าอยู่มาก ใช้เวลาพิมพ์ทั้งหมดสองวัน

ระบบการจำแนกประเภทการพิมพ์ 3 มิติตามความเหมือนและความแตกต่างระหว่างการผลิตและการพิมพ์ 3 มิติ

ยกตัวอย่างเช่นลูกบอลที่กลวงออก มีดอกไม้มากกว่าสิบดอกอยู่บนพื้นผิว หากใช้วิธีการกลึงแบบดั้งเดิม จะยุ่งยากมาก และต้องปรับเปลี่ยนรูปแบบทีละชิ้น และหากเลือกใช้การพิมพ์ 3 มิติ ก็จะไม่มีการสูญเสียวัสดุ จึงเรียกอีกอย่างว่า การผลิตแบบเติมแต่ง (additive manufacturing) ซึ่งหมายความว่าใช้วิธีการสะสมวัสดุอย่างค่อยเป็นค่อยไปในการผลิตชิ้นส่วนทางกายภาพ วิธีการดั้งเดิมคือการสร้างตัวอ่อนก่อน จากนั้นจึงนำวัสดุส่วนเกินออก และวัสดุที่เหลือจะเป็นรูปทรงที่ต้องการ หากตรวจพบปัญหา จำเป็นต้องเปิดแม่พิมพ์และปรับเปลี่ยน ในขณะที่การพิมพ์ 3 มิติจะค่อยๆ สะสมวัสดุทีละน้อย คุณจะเห็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปได้อย่างรวดเร็ว

การนำเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติมาใช้

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการผลิตเชิงอุตสาหกรรม สิ่งที่การพิมพ์ 3 มิติต้องการไม่ใช่วัตถุทางกายภาพ แต่เป็นแบบจำลองดิจิทัล หากคุณต้องการพิมพ์วัตถุจริงที่อยู่ตรงหน้าคุณแบบ 3 มิติ คุณต้องใช้คอมพิวเตอร์สร้างแบบจำลอง หรือใช้เครื่องสแกน 3 มิติเพื่อแปลงวัตถุจริงให้เป็นดิจิทัล ซึ่งก็คือแบบจำลอง 3 มิติ และคุณสามารถพิมพ์สิ่งต่างๆ ได้ภายในเวลาเพียงสิบห้านาที ปัจจุบันเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบ่งออกเป็นสี่ประเภทหลัก ได้แก่ FDM, DLP/SLA และ SLS

SLS-- กระบวนการขึ้นรูปด้วยการเผาผนึกด้วยเลเซอร์

SLS เป็นผงเทคโนโลยีขั้นสูงที่สามารถหลอมละลายภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงของการฉายรังสีเลเซอร์ โรยผงบางๆ ลงบนโต๊ะทำงาน แล้วสแกนหน้าตัดของชั้นผงด้วยลำแสงเลเซอร์เพื่อเพิ่มอุณหภูมิให้ถึงจุดหลอมเหลว เพื่อให้สามารถเผาและยึดติดได้ กระจายผง เผา บด และอบแห้งซ้ำๆ จนกระทั่งได้แบบจำลอง อันที่จริงแล้ว การพิมพ์ 3 มิติก็คือการพิมพ์ 2 มิติซ้ำแล้วซ้ำเล่า หากคุณหั่นวัตถุให้บางมาก คุณจะพบว่าแต่ละชิ้นมีรูปร่าง หากคุณนำรูปทรงทั้งหมดมารวมกัน คุณจะได้วัตถุที่มีโครงสร้างสามมิติ ดังนั้นเราจึงใช้เลเซอร์ในการวาดภาพกราฟิก ความทนทานของชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วย SLS ต่อสภาพแวดล้อม (อุณหภูมิ ความชื้น และการกัดกร่อนทางเคมี) ใกล้เคียงกับวัสดุเทอร์โมพลาสติก ในขณะที่ชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วย SLA มีความทนทานค่อนข้างต่ำ ยกตัวอย่างเช่น ชิ้นงาน SLA ที่ขึ้นรูปด้วยเรซินอีพอกซีจะไวต่อความชื้นและสารเคมี การกัดกร่อนจะอ่อนตัวและบิดเบี้ยวในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 38°C แต่ความแม่นยำในการขึ้นรูปก็สูง

SLA -- กระบวนการขึ้นรูปด้วยเทคนิคสเตอริโอลิโทกราฟี

SLA เป็นเทคโนโลยีการบ่มด้วยแสง ซึ่งปัจจุบันค่อนข้างพัฒนาในประเทศจีน "Stereolithography" คือการใช้ลำแสงเลเซอร์วาดโครงร่างชั้นแรกของวัตถุบนพื้นผิวของเรซินเหลว จากนั้นจึงลดระดับแท่นผลิตลงตามระยะห่างที่กำหนด (ระหว่าง 0.05-0.025 มม.) จากนั้นนำชั้นที่แข็งตัวแล้วไปจุ่มลงในเรซินเหลว เรซินที่ใช้เป็นเรซินไวแสง ซึ่งจะเกิดสถานะของแข็งหลังจากถูกฉายรังสีด้วยลำแสงเลเซอร์ ทำให้ได้แบบจำลองการขึ้นรูปที่รวดเร็วและแม่นยำ

DLP-- กระบวนการขึ้นรูปด้วยเทคนิคสเตอริโอลิโทกราฟี

การประมวลผลแสงดิจิทัล DLP หรือที่รู้จักกันในชื่อเทคโนโลยีการสร้างรูปร่างด้วยเลเซอร์ เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ DLP มีความคล้ายคลึงกับเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ SLA หลายประการ หากเปรียบการผลิตเป็นการวาดวงกลมด้วยดินสอ เทคโนโลยี SLA ก็เทียบเท่ากับการวาดทีละชั้น ในขณะที่ DLP เทียบเท่ากับการปั๊มขึ้นรูปโดยตรง การผลิตจำนวนมากที่เรากำลังดำเนินการอยู่มีสองประเด็นสำคัญอย่างยิ่ง ประการแรกคือประสิทธิภาพ และประการที่สองคือต้นทุนวัสดุ มีเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่สามารถพิมพ์ได้เร็วกว่าการผลิตแบบดั้งเดิมหลายร้อยเท่า นั่นคือเทคโนโลยีการพิมพ์แบบ Face-to-Face ซึ่งพัฒนาโดยบริษัท Light Prism Technology ในเมืองเซินเจิ้น การพิมพ์ลูกบอลกลวงด้วยการพิมพ์ 3 มิติ FDM แบบดั้งเดิมใช้เวลา 2-5 ชั่วโมง และเร็วที่สุดคือหนึ่งชั่วโมง แต่ใช้เวลาเพียงประมาณ 10 นาทีในการพิมพ์ด้วยเทคโนโลยี Face-to-Face ล่าสุด ความเร็วในการพิมพ์นั้นน่าทึ่งมาก เมื่อการพิมพ์ 3 มิตินี้ออกสู่ตลาด ผลกระทบต่องานฝีมือแบบดั้งเดิมก็ยังคงมหาศาล

FDM -- กระบวนการขึ้นรูปแบบหลอมรวม

เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยี DLP และ SLS แล้ว เทคโนโลยี FDM นั้นค่อนข้างเรียบง่าย จึงเข้าถึงกลุ่มเป้าหมายได้กว้างและเข้าถึงได้ง่ายกว่า ต้นแบบถูกสร้างขึ้นโดยตรงจากข้อมูล 3D CAD โดยใช้วัสดุเทอร์โมพลาสติกที่อัดรีดเป็นเส้นใยกึ่งหลอมเหลว แล้วเคลือบทับเป็นชั้นๆ ข้อดีของเทคโนโลยี FDM คือโครงสร้างทางกลที่เรียบง่าย ออกแบบง่าย ต้นทุนการผลิตต่ำ ค่าบำรุงรักษาและค่าวัสดุต่ำ และไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้น FDM จึงเป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบตั้งโต๊ะในครัวเรือน เป็นวิธีการพิมพ์ที่ค่อนข้างดั้งเดิม ไม่ใช้เลเซอร์ มีต้นทุนต่ำ แต่ความแม่นยำไม่สูง และความเร็วในการพิมพ์ต่ำมาก วิธีนี้เป็นวิธีที่เข้าถึงได้ง่ายสำหรับทุกคน และเป็นที่นิยมใช้กันทั่วไปในตลาดการศึกษา

ผลกระทบของการพิมพ์ 3 มิติต่อการผลิตและงานฝีมือแบบดั้งเดิม

ข้อดีของการพิมพ์ 3 มิติ

(1) การปรับแต่ง

หากนำทันตกรรมมาเป็นตัวอย่าง ฟันของทุกคนย่อมแตกต่างกัน แต่การพิมพ์ 3 มิติสามารถแก้ปัญหาความขัดแย้งระหว่างการผลิตแบบเฉพาะบุคคลกับการผลิตจำนวนมากได้ และยังผลิตรากฟันเทียม เครื่องมือจัดฟัน ฯลฯ ที่กำหนดเองในปริมาณมากได้อีกด้วย

(2) ตัวอย่างแบบเรียลไทม์

เนื่องจากการพิมพ์ 3 มิติมีความเร็วสูง นักออกแบบจึงออกแบบผลิตภัณฑ์หนึ่งรุ่นในตอนเช้า และหัวหน้างานสามารถเห็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปได้ตอนเที่ยง จากนั้นออกแบบอีกรุ่นตอน 18.00 น. และเห็นผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปได้ในเช้าวันถัดไป ซึ่งช่วยเร่งการพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ได้อย่างมาก หากกระบวนการไม่ซับซ้อนมากนัก การพิมพ์ 3 มิติสามารถผลิตผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปได้ภายใน 3 ชั่วโมง ในขณะที่การพิสูจน์อักษรแบบเดิมใช้เวลา 4-6 สัปดาห์ต่อครั้ง จึงทำให้การออกแบบอุตสาหกรรมโดยรวมรวดเร็วยิ่งขึ้น

(3) ไม่มีมลพิษ

 เนื่องจากวัตถุดิบที่ผลิตทั้งหมดเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม กระบวนการผลิตทั้งหมดจึงปราศจากมลพิษ ไม่มีมลพิษจากก๊าซเสียและน้ำเสีย และไม่มีการสูญเสียวัสดุเหลือทิ้ง

(4) การแปลงข้อมูล

เมื่อทันตกรรมดิจิทัลมีความก้าวหน้ามากขึ้น ความต้องการทางเทคนิคของแพทย์จะลดลงอย่างมาก ผู้ป่วยเพียงแค่ใช้เครื่องมือสแกนในโรงพยาบาลเพียงสองนาทีก็สามารถทราบสาเหตุและแนวทางแก้ไขปัญหาทางทันตกรรมทั้งหมดได้

นอกจากนี้ การพิมพ์ 3 มิติยังสามารถใช้กับการจัดฟันได้ เช่น การพิมพ์เครื่องมือจัดฟันแบบใสที่ออกแบบเฉพาะบุคคล ในการทำศัลยกรรมพลาสติก ฟันควรเลื่อนไปทางซ้ายหรือไปข้างหน้า? เลื่อนกี่มิลลิเมตร? ในอดีต การผ่าตัดทางทันตกรรมอาศัยประสบการณ์ส่วนตัวของแพทย์เพียงอย่างเดียว แต่ทันตกรรมดิจิทัลช่วยเพิ่มเสถียรภาพในการผ่าตัดและลดข้อจำกัดทางเทคนิคสำหรับแพทย์

(5) เร็ว

 เมื่อเทียบกับกระบวนการทางอุตสาหกรรมแบบดั้งเดิม การพิมพ์ 3 มิติไม่จำเป็นต้องมีการเตรียมการเบื้องต้น เช่น กำลังคนและการขนส่ง เพียงใช้เครื่องจักรและวัตถุดิบ ก็สามารถนำไปผลิตได้อย่างรวดเร็ว

(6) ระบบอัตโนมัติ

 เรียกได้ว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติมีเพียงเครื่องเดียวเท่านั้นที่อยู่ระหว่างจินตนาการเสมือนจริงกับของจริง การผลิตด้วยการพิมพ์ 3 มิติเพียงปุ่มเดียวช่วยประหยัดต้นทุนแรงงานและความผิดพลาดของมนุษย์ได้มาก