เรื่อง Basic สำหรับ 3D Printing ที่คุณต้องรู้!!
เทคโนโลยีการเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) หรือที่บางคนอาจจะเรียกกันง่าย ๆ ว่า 3D Printing (การพิมพ์ 3 มิติ) กลายเป็นส่วนสำคัญในการผลิตและธุรกิจยุคปัจจุบัน ด้วยความสามารถในการใช้งานที่ง่ายดาย เข้าถึงได้ง่ายสำหรับทุกคน ตลอดจนถึงมีกลุ่มสังคมที่แบ่งปันความรู้และไฟล์ที่ใช้จำนวนมาก ทำให้การเริ่มต้นไม่ได้เป็นเรื่องยากอีกต่อไป
การพิมพ์ 3 มิติ คืออะไร?การพิมพ์ 3 มิติ หรือ การเติมเนื้อวัสดุ เป็นการขึ้นรูปวัสดุที่แตกต่างไปจากวิธีที่นิยมใช้กันมาอย่างยาวนาน การขึ้นรูปวัสดุที่นิยมใช้กันปัจจุบันนั้นแบ่งเป็น 2 วิธี ได้แก่
1. การใช้แม่พิมพ์ (Injection Molding) เป็นการฉีดวัสดุเข้าไปในแม่เพิ่มเพื่อขึ้นรูป
2. การกัดวัสดุ (Subtractive Manufacturing) เป็นการเฉือนเนื้อวัสดุออกเพื่อให้ได้รูปทรงตามต้องการ
สำหรับการพิมพ์วัสดุ 3 มิตินั้นเป็นการผลิตที่เรียกว่าการเติมเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) โดยเป็นการเพิ่มเนื้อวัสดุทีละชั้น (Layer) ในแนวนอน โดยสามารถเลือกใช้วัสดุได้อย่างหลากหลาย มีจุดเด่นที่สามารถสร้างชิ้นงานที่มีความซับซ้อน ซึ่งกรรมวิธีการขึ้นรูปวัสดุแบบอื่นไม่สามารถทำได้ อาทิ ชิ้นส่วนในเครื่องบินเจ็ท ที่ต้องการน้ำหนักเบา มีความซับซ้อนเชิงโครงสร้างสูง ซึ่งการผลิตแบบอื่นนั้นจำเป็นจะต้องนำมาประกอบกันในภายหลังเพื่อให้ได้โครงสร้างแบบเดียวกัน แต่กลับมีจุดอ่อนด้านความทนทานจากความจำเป็นในการนำมาประกอบ เป็นต้น
การพิมพ์ 3 มิติ สามารถใช้งานได้หลากหลายรูปแบบ ตั้งแต่การผลิตชิ้นส่วนต้นแบบ การผลิตอะไหล่ทดแทนที่หายาก การผลิตชิ้นส่วนที่ปรับแต่งตามความต้องการ การผลิตของเล่น เครื่องประดับ ฯลฯ เทคโนโลยีนี้สามารถนำจินตนาการให้เป็นจริงได้ ไม่ว่าจะเป็นอาหาร อาคาร ยานพาหนะ เช่น เรือตรวจการณ์ ก็มีเกิดขึ้นแล้ว โดยสำหรับงานต้นแบบสามารถลดระยะเวลาในการผลิตและต้นทุนลงได้อย่างมหาศาล ลดระยะเวลาจากการผลิตแม่พิมพ์และแก้ไขต่าง ๆ จากหลักเดือนให้เหลือหลักวันหรือสับดาห์ได้ และสำหรับชีวิตประจำวัน เครื่องพิมพ์ 3 มิติสามารถเป็นแหล่งเรียนรู้ชั้นดีสำหรับเยาวชนในการผลิตและออกแบบ หรือในการสร้างเครื่องมือเครื่องใช้เฉพาะตัวขึ้น ทั้งยังสามารถใช้ในการแก้ไขสถานการณ์ฉุกเฉินแห่งความขาดแคลนได้เป็นอย่างดี ตัวอย่าง กรณี COVID-19 ที่ต่างประเทศใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติในการผลิตอุปกรณ์การแพทย์ฉุกเฉินเพื่อแก้ไขอุปกรณ์ที่ขาดแคลน อาทิ อุปกรณ์รัดหน้ากาก หรือ Face Shield เป็นต้น
วัสดุแต่ละประเภทที่แตกต่างกันในการเติมเนื้อวัสดุนั้นทำให้เกิดเทคโนโลยีที่ใช้ในการแปรรูปวัสดุเหล่านี้ที่แตกต่างกันอีกด้วย โดยโครงสร้างหรือส่วนประกอบหลักสำหรับเครื่องพิมพ์แต่ละแบรนด์แต่ละประเภทนั้นจะมีจุดร่วมกัน ดังนี้
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
ประเภทของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
ด้วยความสามารถในการใช้งานที่หลากหลายของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ที่แม้จะมีโครงสร้างการทำงานที่คล้ายกัน คือ สร้างวัสดุขึ้นทีละชั้น แต่กระบวนการในการแปรรูปวัสดุนั้นแตกต่างกันออกไป โดยแบ่งได้ตามเทคโนโลยีที่ใช้ในการแปรรูป ดังนี้
1. Stereolithography (SLA) เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่เกิดขึ้นมาแรก ๆ ตั้งแต่ช่วงปี 1986 มีจุดเด่นตรงที่ความสามารถในการขึ้นชิ้นงานได้ด้วยความละเอียดสูง มีพื้นผิวของชิ้นงานที่เรียบร้อย สามารถใช้เป็นชิ้นงานต้นแบบเพื่อทดลองใช้ได้ทันที วัสดุที่ใช้จะเป็น Photopolymer เหลวนำมาผ่านแสง UV Laser ความเข้มข้นสูงเพื่อให้เกิดปฏิกริยาทางเคมีจนเกิดเป็นวัตถุที่มีการแข็งตัวขึ้น
2. Digital Light Processing (DLP) การทำงานคล้ายคลึงกับ SLA แตกต่างกันตรงที่ DLP นั้นจะใช้การฉายแสงดิจิทัลผ่านหน้าจอพร้อมกันในทีเดียว ทำให้การผลิตมีความรวดเร็วมากกว่า SLA เหมาะสำหรับงานขึ้นรูปชิ้นส่วนต้นแบบ และการผลิตจำนวนน้อยที่ต้องการความรวดเร็ว
3. Selective Laser Sintering (SLS) เป็นการใช้เลเซอร์ CO2 เพื่อทำการหลอมรวมผงวัสดุที่มีพื้นฐานมาจากไนลอนหรือโพลีเมอร์เข้าด้วยกันเพื่อขึ้นรูปวัสดุ เป็นการขึ้นรูปชิ้นงานที่มาจากการหลอมรวมวัสดุจึงทำให้มีความแข็งแรง สามารถรองรับน้ำหนักได้ในระดับหนึ่ง หรือสามารถออกแบบเพื่อใช้กับชิ้นส่วนที่เป็นคลิป ซึ่งมีการขยับเพื่อให้เกิดการล็อคอย่างพอเหมาะลงตัว
4. Fused Deposition Modeling (FDM) เป็นเทคโนโลยีการขึ้นรูป 3 มิติแบบพลาสติกที่มีราคาถูกที่สุด พบเห็นได้ง่าย และมีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายทั่วโลก เทคโนโลยีนี้จะใช้หัวพิมพ์โลหะ เช่น ทองเหลืองเพื่อให้ความร้อนในการละลายเส้นใยพลาสติกที่ต้องการ โดยอุณหภูมิที่ใช้จะขึ้นอยู่กับพลาสติกแต่ละชนิด เมื่อเส้นพลาสติกหลอมเหลวจะถูกฉีดตามตำแหน่งที่กำหนดเป็นลำดับชั้น ชิ้นงานที่ได้มีความแข็งแรงในระดับหนึ่ง แต่โดยมากพื้นผิววัสดุที่ได้จะไม่เรียบร้อยนัก มีลักษณะเป็นเส้น ๆ ตามการจัดเรียงชั้นของหัวพิมพ์ที่จัดเรียงลงไป
5. Material Jetting (MJ) – PolyJet MJ นั้นมีความสามารถในการพิมพ์วัสดุที่ทำงานคล้ายคลึงกับเครื่องพิมพ์เอกสารทั่วไป แตกต่างตรงที่มันไม่ได้หยดหมึก แต่เป็นการปล่อยของเหลวกลุ่ม Photopolymer และทำให้แข็งตัวด้วยแสง UV มีจุดเด่นที่สามารถเลือกวัสดุตลอดจนสามารถเลือกใช้งานสีได้ตามความต้องการ
6. Binder Jetting (BJ) เป็นการพิมพ์ 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) การทำงานเหมือนกับ SLS เลย คือ การใช้เลเซอร์ยิงลงไปยังผงวัสดุแล้วใช้ความร้อนหลอมรวมในการขึ้นรูป ความแตกต่าง คือ วัสดุที่ใช้นั้นเป็นผงโลหะ
ความแตกต่างระหว่าง SLM และ DMLS นั้น คือ DMLS จะเป็นการให้ความร้อนเพื่อให้โมเลกุลโลหะนั้นเชื่อมติดกัน ในขณะที่ SLM นั้นจะเป็นการหลอมเหลวทำให้วัสดุกลายเป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมด DMLS จึงอาจจะเหมาะกับงานโลหะกลุ่มอัลลอยมากกว่า ในขณะที่ SLM เหมาะกับไทเทเนียมซึ่งจำเป็นต้องมีความเป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมดมากกว่า
วัสดุที่ผลิตโดยเทคโนโลยีนี้ต้องการโครงสร้างสนับสนุนในการรับน้ำหนักแตกต่างจาก SLS ซึ่งวัตถุดิบมีน้ำหนักเบากว่า นอกจากนี้การผลิตด้วยวิธีนี้ยังมีโอกาสที่วัสดุอาจบิดเบี้ยว หรือคดงอได้มากเนื่องจากต้องใช้อุณหภูมิที่สูงมาก การตั้งค่าต่าง ๆ จึงเป็นสิ่งสำคัญ
8. Electron Beam Melting (EBM) เป็นเทคโนโลยีการขึ้นรูปวัสดุแบบ 3 มิติสำหรับโลหะ โดยใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กผ่านลำแสงอิเล็กตรอนที่ถูกควบคุมด้วยขดลวดแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งการผลิตจะเกิดขึ้นในพื้นที่สุญญากาศ สามารถใช้กับวัสดุที่มีสถานะถูกเหนี่ยวนำได้เท่านั้น จุดเด่นของ EBM อยู่ที่ความเร็วในการผลิตซึ่งมีความรวดเร็วในการผลิตมากกว่า SLM อีกด้วย
9. Bio Printing การพิมพ์ชิ้นส่วนชีวภาพ หรืออวัยวะต่าง ๆ นั้นอาจยังไม่แพร่หลายในการใช้งานจริง เป็นการพิมพ์เนื้อเยื่อหรืออวัยวะเทียมต่าง ๆ ที่มีความคล้ายคลึงกับอวัยวะจริงในปัจจุบัน โดยมากมักเป็นวัสดุชีวภาพที่สามารถใช้งานได้อย่างปลอดภัยกับเป้าหมาย การพิมพ์ในรูปแบบนี้ปัจจุบันเกิดขึ้นเป็นส่วนน้อยโดยมากอยู่ในกลุ่มงานวิจัยเฉพาะทาง
ซอฟต์แวร์และการทำงานที่เกี่ยวข้อง
การทำงานเกี่ยวกับการพิมพ์ 3 มิตินั้นจะเกี่ยวข้องกับการงานใช้ซอฟต์แวร์สำหรับการออกแบบไม่น้อย ซึ่งปัจจุบันมี ซอฟต์แวร์ สำหรับงาน CAD จำนวนมากอยู่ในตลาดให้เลือกใช้ ทั้งแบบฟรี จ่าย Subscription การซื้อขาด ซึ่งซอฟต์แวร์แต่ละตัวจะมีจุดเด่นในการใช้งานแตกต่างกันไป ซอฟต์แวร์บางตัวเหมาะสำหรับงานออกแบบทั่วไป ไม่ใช่งานวิศวกรรม เช่น MAYA หรือ Blender แต่สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องออกแบบเพื่อคุณสมบัติทางวิศวกรรมโดยเฉพาะจำเป็นต้องใช้ซอฟต์แวร์ที่มีการรองรับค่าต่าง ๆ อาทิ FreeCAD, AutoCAD, SOLIDWORKS หรือ Solid Edge เป็นต้น
เมื่อทำการออกแบบเสร็จแล้ว จำเป็นต้องใช้ซอฟต์แวร์ในการปรับแปลงไฟล์ให้เหมาะสมกับการพิมพ์ด้วยซอฟต์แวร์กลุ่ม Slicing อาทิ CURA, Slic3r, MakerBot Print, Netfabb Standard หรือ MatterControl เป็นต้น ซอฟต์แวร์เหล่านี้จะทำการตั้งค่าไฟล์ให้เหมาะสมกับเครื่องพิมพ์แต่ละชนิด ไม่ว่าจะเป็นความหนาของแต่ละชิ้นสำหรับชิ้นงาน ความไวในการพิมพ์ อุณหภูมิที่เกี่ยวข้อง การระบายอากาศ ตลอดจนการออกแบบชิ้นส่วนสนับสนุนรับน้ำหนัก เป็นต้น การกำหนดค่าเหล่านี้ส่งผลต่อคุณภาพการผลิตโดยตรง ไม่ว่าจะเป็นความเรียบร้อยของชิ้นงาน ความแข็งแรง ตลอดจนมาตรฐานที่เกิดขึ้น
ขั้นตอนการทำงานเครื่องพิมพ์ 3 มิติ แบ่งออกเป็น 4 ส่วนหลัก ได้แก่
1. การออกแบบชิ้นงาน
2. การปรับตั้งค่าชิ้นงานในการพิมพ์
3. การพิมพ์ชิ้นงาน
4. การเก็บรายละเอียดชิ้นงาน
ก่อนการผลิตชิ้นงานนั้นอย่าลืมตรวจสอบความพร้อมของอุปกรณ์ทุกครั้ง ไม่ว่าจะเป็นจำนวนของวัตถุดิบที่เพียงพอ อุณหภูมิที่เหมาะสม ความสมบูรณ์ของส่วนประกอบต่าง ๆ หากเป็นเครื่องแบรนด์ยุโรปราคาแพงที่มีการจัดเก็บและออกแบบมีโครงครอบอย่างดีอาจไม่สามารถตรวจสอบได้ง่ายนัก แต่หากเป็นเครื่องรุ่นยอดนิยมราคาประหยัดที่เป็นโครงเหล็กเปลือยการตรวจสอบจุดที่ขยับได้ทั้งหมดเป็นสิ่งสำคัญ
โดยจุดขยับเหล่านี้จำเป็นต้องมีความแน่นไม่หย่อนคล้อยไม่ว่าจะเป็นสายพาน ลูกรอก ตลอดจนจารบีที่เคลือบเสาการเคลื่อนที่แนวดิ่ง สำหรับผู้ผลิตบางรายอาจรวมถึงตำแหน่งการรัดสายไฟที่แน่นหนาเนื่องจากให้เหตุผลในการทำงานที่ผิดเพี้ยนของเครื่องว่าเกิดจากการขยับของสายไฟสายสัญญาณที่อาจทำให้เกิดอาการหลวมและทำงานได้ไม่ดีนัก
เครื่องพิมพ์ส่วนมากจะมาพร้อมกับระบบตั้งค่าที่ช่วยในการ Calibrate หัวพิมพ์ ซึ่งควรดำเนินการทุกครั้งก่อนเริ่มพิมพ์เพื่อตรวจสอบการทำงานว่ามีปัญหาหรือไม่ เช่น เมื่อทดสอบแล้วอาจพบว่าหัวพิมพ์เกิดกดฐานพิมพ์อย่างรุนแรง ซึ่งบ่งบอกถึงปัญหาที่เกิดจากเซนเซอร์มีความผิดเพี้ยนเป็นต้น หรือการอุดตันของวัสดุที่ค้างอยู่ในหัวพิมพ์ส่งผลให้หัวพิมพ์ทำงานไม่ได้สมบูรณ์
ในขั้นตอนการพิมพ์นั้นหมั่นสังเกตการทำงานและวัสดุว่ามีความผิดเพี้ยนใดเกิดขึ้นหรือไม่ อาทิ การที่ฐานชิ้นงานเกิดโค้งงอหลังจากพิมพ์ไปได้สักระยะหนึ่ง อาจส่งผลให้ชิ้นงานหลุดร่อนและไม่สามารถพิมพ์ต่อได้ จำเป็นต้องหยุดการผลิตเพื่อปรับแก้ค่าใหม่
การพิมพ์ชิ้นงานโดยมากนั้นเมื่อพิมพ์เสร็จแล้วยังไม่อาจใช้งานได้ทันที เนื่องด้วยเงื่อนไขที่แตกต่างกันตามแต่ละเทคโนโลยี เช่น โลหะอาจต้องมีการอบความร้อนเพื่อให้เซ็ทตัวและนำชิ้นส่วนรับน้ำหนักออก หรืองาน FDM ที่ผิวลักษณะเป็นเส้นชั้น ๆ อาจใช้การอบสารเคมีเพื่อให้ผิวเรียบหรือทำการขัดด้วยกระดาษทรายก็สามารถทำได้เช่นกัน
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/
ขอบคุณที่มาโดย MODERN MANUFACTURING
ขอบคุณภายโดย mebner1 จาก Pixabay
บทความน่าสนใจ
• การพิมพ์ 3 มิติ ทางการแพทย์รูปแบบใหม่ ทนทาน ลดการติดเชื้อแบคทีเรีย
• 3 วัสดุพอลิเมอร์ใหม่สำหรับการพิมพ์ 3 มิติประสิทธิภาพสูง
