fbpx

3D Printer ของวงการแพทย์จีนปัจจุบันไปไกลถึงการปลูกถ่ายกระดูกสันหลังเทียม

3D Printer ของวงการแพทย์จีนปัจจุบันไปไกลถึงการปลูกถ่ายกระดูกสันหลังเทียม

โดยการใช้เทคโนโลยี Selective Laser Melting (SLM)
ซึ่งเป็นการเป็นการปลูกถ่ายกระดูกชนิดแรกที่ได้รับการรับรองจากรัฐจีนในระดับสูงสุด
และการรับรองของพวกเขาสามารถช่วยให้แพทย์สามารถรักษาอาการเจ็บป่วยได้ดีขึ้นเช่นกระดูกสันหลังเสื่อม
กระดูกหักและความผิดปกติ เป็นต้นนับว่าเป็นนวัตกรรมสำคัญมากๆสำหรับ 3D Printerในวงการแพทย์

Selective Laser Melting (SLM) คืออะไร ??
Selective Laser Melting (SLM) และ Electron Beam Melting (EBM) เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ
ด้วยโลหะที่นิยมใช้ที่สุด มีหลักการทำงานเหมือน SLS คือขึ้นรูปชิ้นงานจากวัสดุผงทีละชั้น โดยใช้เลเซอร์พลังสูง (SLM)
หรือลำแสงอิเล็กตรอน (EBM) เพื่อหลอมละลายโลหะ เนื่องจากโลหะมีจุดหลอมเหลวที่สูง จึงต้องใช้พลังงานสูงตามไปด้วย
การพิมพ์ชิ้นงานโลหะทั้งแบบ SLM และ EBM จำเป็นต้องพิมพ์ Support เพื่อยึดชิ้นงานกับฐานพิมพ์และเพื่อระบายความร้อน
การพิมพ์ด้วยโลหะถือเป็นจุดสูงสุดของการพิมพ์ 3 มิติ มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม High-tech

สำหรับทำชิ้นงานที่มีมูลค่าสูง เช่นอวกาศยาน การบิน ยานยนต์ การแพทย์ การสร้างชิ้นงานโลหะด้วยการพิมพ์ 3 มิติ
สามารถช่วยลดจำนวนชิ้นส่วน ลดความซับซ้อนและลดน้ำหนักของเครื่องจักรต่างๆ

 

ในปัจจุบันนี้ 3D Printer การปลูกถ่ายกระดูกสันหลังเทียมถูกนำมาปรับใช้ให้เหมาะสม
จากการทดลองการปลูกถ่ายทั้งหมด 108รายที่แตกต่างกัน โดยผลที่ออกมาเป็นที่ยอมรับจากโครงการของ
‘3D Printing Technology Application of Personalized Implant Device’
ผู้เชียวชาญและหลายๆสถาบันวิจัยชั้นนำที่มีการวิจัยรากเทียมได้ยอมรับถึงการวิจัยและการปลูกถ่ายกระดูกสันหลังเทียมแบบ 3D
SLM (Selective Laser Melting) หรือ Direct Matal Printer
เครื่องระบบนี้จะมีวัสดุตั้งต้นเป็นผงโลหะ เช่นผงไททาเนียม ผงสแตนเลส เป็นต้น ขึ้นรูปด้วยแสงเลเซอร์กำลังสูง ทำให้ผงโลหะ

 

Metal 3D Printer พิมพ์โลหะ ที่เล็กที่สุดในโลก ถูกด้วย 2 หมื่นกว่าบาท

Metal 3D Printer พิมพ์โลหะ ที่เล็กที่สุดในโลก ถูกด้วย 2 หมื่นกว่าบาท

ตอนนี้ Flashforge 3D ได้ออกเครื่องพิมพ์ 3มิติ สำหรับพิมพ์โลหะโดยเฉพาะ ราคาเครื่องถูกมาก 69,000JPY (2.3หมื่นบาท) หากเทียบกับยี่ห้อเครื่องพิมพ์โลหะ ในท้องตลาด ไม่ว่าจะเป็น Markforge และ Desktop Metal ที่พิมพ์ได้ขนาดเท่าๆ ราคาอยู่หว่าง 5-10 ล้านบาท น่าสนใจมาก มีรายละเอียดอย่างไง ข้อจำกัดอย่างไง เราไปดูกันครับ

    • เครื่องเป็นรุ่นย่อยของ Flashforge ADV3 มีการ Customize บางอย่างให้แตกต่าง เช่น ฐานพิมพ์แบบ Carbon Fiber หัวฉีดที่ทำแบบพิเศษ ให้พิมพ์ได้ที่ 0.3mm
    • เส้นพลาสติกเป็น Stainless 316L ราคาอยู่ที่ 33,000JPY (หมื่นกว่าบาท)
    • ระบบการพิมพ์ 3มิติ เป็นแบบ FDM การหล่อโลหะ Debinding, Sintering แบบ MIM
    • MIM คือ Metal Injection Molding คือการผสมส่วนประกอบ ผงโลหะ, Polymer เข้าด้วยกัน ทำให้ผงโลหะสามารถนำมาฉีดได้คล้ายการฉีดพลาสติก ขั้นตอนการนำกับมาเป็นโลหะ ต้องใช้กระบวนการ Debinding ที่ใช้ความร้อน ความดัน สารเคมี(จำพวกกรด) เพื่อให้ Polymer ออกจาก Part ขั้นตอนต่อไปคือ Sintering คือเมื่อโพลิเมอร์ออกจากชิ้นงาน ต้องนำไปเผาควบแนนด้วยความร้อนสูง เมื่อเผาโลหะจะมีความแข็งแรงมาก แต่ชิ้นงานจะลดลงประมาณ 12% (หดไม่เท่ากันในแนว แกน XYZ)

      ภาพรวมของ Process MIM – เริ่มต้นด้วยการผสม ผงโลหะ กับ Binding ผงพลาสติก เข้าด้วยกัน คราวนี้โลหะจะมีคุณสมบัติเหมือนพลาสติกแล้ว สามารถฉีดขึ้นรูปได้ เมื่อฉีดขึ้นรูปเราจะเรียกว่า Green Part นำชิ้นงานไปผ่านกระบวนการนำโพลิเมอร์ออก Debinding ชิ้นงานที่ออกมาจะเรียกว่า Brown Part นำไปเผาต่อเพื่อให้โลหะเข้ารูปหากัน เพิ่มความแข็งแรง ได้วัสดุโลหะออกมา
    • Software Flashforge ทำมาเพื่อพิมพ์ Metal โดยเฉพาะชื่อ FlashXPrint โดยมีการคำนวนเพื่อการหดตัวของโลหะ, การสร้าง Support แบบต่างๆ
    • เครื่องกับวัสดุราคาไม่แพงครับ แต่ที่แพงคือค่าทำ Debinding และ Sintering เท่าที่เราสืบราคามา เครื่อง Debinding และ Sintering ราคาหลายล้านบาท
    • ปัจจุบันเครื่องนี้ขายอยู่เฉพาะใน ญี่ปุ่น
    • ส่งชิ้นส่วนที่พิมพ์เสร็จให้เค้าไป Debinding  และ Sintering โดยเค้าคิดราคาคร่าวสำหรับขนาด 20*20*20cm อยู่ที่ 85,000JPY (เกือบ 3หมื่นบาท)
    • เป็นเทคโลยีที่น่าสนมาก จริงๆเส้น 316L สามารถหาซื้อได้ในท้องตลาด เช่น BASF ราคาอยู่ประมาณ 1.3หมื่นบาท แต่ต้องหาที่ Debinding และ Sintering เองจ้าาาา
    • ข้อจำกัดของระบบนี้เหมือน Trial & Error เป็นไปได้ยากที่จะพิมพ์ชิ้นงานและเผาออกมาได้ขนาดตรงที่ออกแบบเลย เนื่องจากมีการหดตัวอยู่มาก
    • ปัจจุบัน ณ ที่เขียนบทความ ตัวนี้ Japan Limited Only – ตัวที่ใกล้เคียงสุดคือ Adventurer 3 และหาเส้น 316L เองจาก BASF
Flashforge Adv3x Metal Printer
มาดู Process จากหน้าเวบ Flashforge Japan ดู
เส้นพลาสติก MIM Stainless 316L ราคาหมื่นกว่าบาท
รายละเอียดการใช้งาน
คู่มือภาษาญี่ปุ่น
มาดูรูปตัวอย่าง Process กันดู หดเยอะอยู่เหมือนกันครับ 12% และไม่เท่ากันในทุกแกน X Y Z
Software ที่ทำมาเพื่อ Metal 3D Printer โดยเฉพาะ FlashXPrint
การ Calibrate
Spec คร่าวๆ
กล้องดูภาพ การทำงาน Online
ตัวอย่างงานที่พิมพ์ออกมา
แผ่นพิมพ์ Carbon Fiber
ราคาในการจ้าง Debinding และ Sintering จาก Flashforge Japan

Bugatti Bolide กับการพิมพ์สามมิติด้วยวัสดุไทเทเนียม

Bugatti Bolide กับการพิมพ์สามมิติด้วยวัสดุไทเทเนียม

บริษัทรถหรูเจ้าแห่งความเร็วอย่างBugatti ได้เตรียมการที่จะผลิตไฮเปอร์คาร์คันใหม่ในชื่อ Bolideโดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ

Bugatti Bolide

รายละเอียดของโครงการนี้อยู่ในวิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของนาย Henrik Hoppe ซึ่งเป็นนักออกแบบของบริษัท หากย้อนกลับไปในปี2017 นายHoppe ก็ได้เขียนวิทยานิพนธ์เกี่ยวกับการคำนวณคาลิปเปอร์ของเบรกที่ใช้กับ Bugatti Chiron โดยการใช้การพิมพ์สามมิติพิมพ์ขึ้นมาใช้จริง ผลคือทำให้ตัวลดมีน้ำหนักลดลงถึง47%เมื่อเทียบกับการผลิตแบบดั้งเดิม ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาทางทีมวิศวกรของบริษัทได้เล็งเห็นประโยชนของเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติในการผลิตชิ้นส่วนรถโดยจะนำมาใช้อย่างเต็มรูปแบบในโปรเจค Bolide เป็นไฮเปอร์คาร์ที่จะใช้เครื่องยนต์ W16 8.0ลิตร นำหนักทั้งคันที่1240kg และจะทำความเร็วสูงสุดถึง500km/h

เพื่อให้ทุกชิ้นส่วนสามารถใช้งานได้จริงจึงได้มีการคำนวณทุกขั้นตอนการผลิต โดยการพิมพ์สามมิติครั้งนี้ได้แรงบัลดาลใจจากกระดูก ที่มีโครงสร้างส่วนใหญ่เป็นผนังบาง โครงสร้างข้างในแบบกลวงและมีกิ่งก้านเชื่อมต่อกัน โครงสร้างชีวภาพในลักษณะนี้มีความแข็งแรงเป็นอย่างมากในขณะที่มีน้ำหนักเบา นาย Hoppe เลือกใช้ระบบ

SLM
โดยใช้เพื่อพิมพ์วัสดุใหม่ กลวง และมีความซับซ้อนพิเศษ ให้มีความแข็งจากข้างในแต่ก็มีน้ำหนักที่เบามากๆ
โดยวัสดุที่เลือกใช้จะเป็นไทเทเนียม ก้านรับแรงกระแทกจะมีน้ำหนักเพียงแค่100กรัมเท่านั้น ซึ่งเป็นก้านข้อต่อไทเทเนียมที่อยู่บริเวณคัซซีถึงแม้จะมีน้ำหนักเบาแต่สามารถถ่ายโอนแรงได้ถึง3.5ตันเพราะว่าโครงสร้างที่เป็นกลวงและมีโครงสร้างแบบกิ่งไม้ซัพพอร์ตอยู่ข้างใน

ตัวอย่างชิ้นส่วนอื่นๆของรถที่พิมพ์ด้วยไทเทียมที่มีอัตราส่วนของน้ำหนักต่อความแข็งแรงที่น่าทึ่งนั่นคือปีกด้านหน้าของตัวรถที่มีน้ำหนักเพียง600กรัมแต่สามารถรองรับทนแรงกดอากาศตามหลักพลศาสตร์ได้ถึง800กิโลกรัมเลยทีเดียว ด้วยชิ้นส่วนที่มีลักษณะกลวงและมีผนังหนาเพียง 0.5 มม.
ทั้งหมดนี้เป็นข้อมูลชิ้นส่วนตัวอย่างเบื้องต้นของ Bugatti Bolide ที่ได้นำเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติมาใช้ในการผลิตรถของพวกเขา ซึ่งยังมีชิ้นส่วนอีกมากมายที่พิมพ์ขึ้นมาเช่น สปอยเลอร์ ท่อไอเสีย เป็นต้น

 

จากงานสแกนสู่งานพิมพ์สามมิติสำหรับชิ้นส่วนมอเตอร์ไซค์

จากงานสแกนสู่งานพิมพ์สามมิติสำหรับชิ้นส่วนมอเตอร์ไซค์

เทคโนโลยีสามมิติเป็นเครื่องมือที่เป็นที่ชื่นชอบและเป็นที่นิยมอย่างแพร่หลายทั่วโลกสำหรับนักประดิษฐ์ นักออกแบบมืออาชีพและวิศวกร การสแกนงานสามมิติในปัจจุบันสามารถเพิ่มความรวดเร็วในการทำงานของนักออกแบบได้มากขึ้นโดยการสแกนแล้วตกแต่งไฟล์เล็กน้อยจากนั้นก็นำมาพิมพ์ได้ทันทีเลย ซึ่งจะประหยัดเวลามากกว่าการวาดขึ้นมาใหม่มาก

ขั้นที่1 สแกน
การสแกนงานให้มีความเรียบร้อย ครบทุกรายละเอียดจะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานได้เป็นอย่างดี และยังช่วดทดแทนกระบวนการออกแบบที่ซับซ้อนและอำนวยความสะดวกให้กับการพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ๆขึ้นมาให้หลากหลายมากขึ้น
ในงานนี้ได้ใช้EinscanHXในการสแกนชิ้นงานท่อเหล็กด้านซ้ายของมอเตอร์ไซด์ หลังจากที่แสกนเสร็จเรียบร้อยแล้วก็จะได้ชิ้นงานที่เป็นไฟล์นามสกุล.Stl เพื่อนำมาใช้ในขั้นตอนต่อไป

ขั้นที่2 การออกแบบ
หลังจากที่ได้ไฟล์.STL มาแล้วก็จะทำการนำไฟล์เข้าสู่โปรแกรมVoxeldance เป็นซอร์ฟแวร์เสริมสำหรับการเตรียมชิ้นงานและช่วยลดเวลาและช่วยจัดการกระบวนการขึ้นรูปงาน เดิมทีไฟล์SLTจะเป็นไฟล์ที่ประกอบไปด้วยรูปทรงเรขาคณิตต่างๆซึ่งจะถูกซ่อมแซมและปิดพื้นผิวด้วยโปรแกรม เนื่องจากท่อเหล็กสองท่อนนี้ถูกเชื่อมกันแบบสมมาตร จึงได้ทำการสร้างงานในรูปแบบตรงข้าง(งานMirror)เพื่อหาลักษณะดั้งเดิมและซ่อมแซมส่วนที่หายไป

ขั้นตอนที่3 การขึ้นรูป
การขึ้นรูปงานโลหะด้วยการพิมพ์สามมิติจะใช้เครื่องพิมพ์ระบบSLM EP-M250pro ในการพิมพ์ หลังจากพิมพ์แล้วตัวงานสามารถเอาออกมาได้อย่างง่ายดายจากฐานรองพิมพ์ ซึ่งการจัดวางชิ้นงานและการวางซัพพอร์ตของตัวงานถูกให้ง่ายขึ้นจากโปรแกรมVoxeldance ด้วยAutomaic Support Function ที่กำหนดค่าซัพพอร์ตไว้ล่วงหน้าแล้ว ทำให้การพิมพ์ท่อเหล็กสองท่อนั้นใช้เวลาเพียง4.5ชั่วโมง

ขั้นตอนที่4 เก็บงานขั้นตอนสุดท้าย
หลังจากที่ได้งานมาจากเครื่องแล้วก็นำซัพพอร์ตออกจากนั้นขัดแต่งด้วยกระดาษทรายและทำการพ่นด้วยผงคอรันดัมสีขาวเพื่อเพิ่มความสวยงามของชิ้นงานก็เป็นอันเสร็จ

ที่มา: Shining3D

สแกนเนอร์ที่น่าสนใจ

ซอร์ฟแวร์ที่น่าสนใจและเหมาะกับงานสแกนเพื่อพิมพ์

เครื่องพิมพ์ระบบSLM

อลูมิเนียมผสมนาโนคาร์บอนจากกากน้ำมันเพื่อSLS Printer

อลูมิเนียมผสมนาโนคาร์บอนจากกากน้ำมันเพื่อSLS Printer

นักวิทยาศาสตร์จากมหาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนานาชาติรัสเซียได้ทำการพัฒนาการผลิตนาโนคาร์บอนสำหรับผงอลูมิเนียมเพื่อใช้กับ3D printing สำหรับ การบินและอวกาศ
ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้เพิ่มความแข็งให้ผงอลูมิเนียมสำหรับ3D Printing ได้1.5เท่าและลดความพรุนลงอย่างมากเพื่อนำไปสู่ความปลอดภัยที่มากขึ้นของการใช้ผงอลูมิเนียมในการผลิตในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
อย่างไรก็ตามการพิมพ์สามมิติชิ้นส่วนไทเทเนี่ยมก็เป็นที่นิยมทั้งในด้านการบิน การแพทย์ และยานยนต์ ซึ่งมีอัตราส่วนความแข็งต่อน้ำหนักสูง โดยที่การพัฒนาการพิมพ์อลูมิเนียมจะเป็นหัวใจหลักให้กับเทคโนโลยีการบินและอวกาศ

ความท้าทายอย่างหนึ่งของการพัฒนาการผงอลูมิเนียมเพื่อใช้ในการเทคโนโลยีขั้นสูงคือความพรุนที่มากของตัววัสดุเอง จึงอาจทำให้ตัวงานที่พิมพ์ออกมามีข้อบกพร่องด้านโครงสร้างได้ จึงได้มีการนำเส้นใยนาโนคาร์บอนเข้ามาผสมกับผงอลูมิเนียมเพื่อให้ความหนาแน่นของชิ้นงานที่ถูกพิมพ์ออกมามีความสม่ำเสมอแข็งแรงเท่ากันตลอดชิ้นงาน

นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เทคนิคการใช้ใช้เคมีบำบัด อัลตราโซนิคและความร้อนจากอินฟราเรดในการสังเคราะห์สารนาโนคาร์บอนที่ได้จากกากน้ำมันหลังการเร่งปฏิกิริยาให้เกิดการย่อยสลายของอนุภาคโลหะในกากน้ำมัน
ถึงแม้ว่าไทเทเนียมจะมีความแข็งมากกว่าอลูมิเนียมถึง6เท่าแต่นักวิทยาศาสตร์ก็ยังคงพยายามที่จะสร้างวัสดุผสมกับอลูมิเนียมต่อไป เพราะว่าผงอลูมิเนียมนั้นมีสภาวะที่เหมาะสมต่อการใช้พิมพ์ด้วยระบบSelective Laser Melting(SLM) และในอนาคตจะมีการใช้วัสดุสังเคราะห์ในอุตสาหกรรมให้มากขึ้น

Additive Manufacturing AM คืออะไร?

Additive Manufacturing AM คืออะไร?

Additive Manufacturing (AM) แปลตรงตัวเลย การผลิตแบบเติมเข้าไป บางครั้งอาจจะใช้คำว่า 3D Printing, Rapid Prototype ล้วนมีความหมายเดียวกัน เป็น CAM(Computer Aided Manufacturing)เครื่องมือ เครื่องจักรในการสร้างชิ้นงานโดยการเพิ่มเนื้อวัสดุเข้าไปที่ละชั้น ชิ้นประกอบด้วยชั้นวันวัสดุหลายๆชั้น โดยไฟล์ที่ใช้ในการพิมพ์นั้นเกิดจากการออกแบบ, สแกน หรือ สร้างจาก CAD(Computer Aided Design) ซอฟแวร์จำพวก SolidWord, Maya, Fusion360 เป็นต้น โดยมาไฟล์ที่ใช้จะมีนามสกุลชื่อ .STL เป็นไฟล์มาตรฐานในการพิมพ์ 3มิติ

ก่อนหน้านี้ AM จะใช้คำว่า Rapid Prototype เนื่องการใช้งานเครื่องช่วงแรกๆนั้น จะใช้ในหน่วยงาน R&D การวิจัยออกแบบ และ พัฒนา ต่อมาเครื่อง Additive Manufacturing มีการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น ระบบที่ออกมาหลังๆ นอกจะพิมพ์เพื่อเป็น ต้นแบบ Prototype แล้ว วัสดุที่พิมพ์ออกมาสามารถใช้ได้จริง ทดแทนการผลิตในรูปแบบเก่า จึงนี้นิยมใช้คำว่า 3D Printing, AM มากกว่าในปัจจุบัน

วัสดุจากเครื่อง AM 

วัสตุที่สามารถสร้างขึ้นมาได้จากเครื่อง AM หรือ 3D Printer มีหลากหลายชนิด ตั้งแต่พลาสติก, เหล็ก หรือ แม้กระทั่งเซลล์ ปัจจุบันวัสดุที่สร้างสรรค์จากเครื่อ Additive Manufacturing สามารถแบ่งเป็น 

  • Polymer พลาสติกต่างๆเช่น ABS, PLA, PET, Nylon (สารตั้งต้นอาจจะอยู่ในแบบ ของแข็ง, ของเหลว หรือ ผง ก็ได้)
  • Wax, Polymer Wax เพื่อใช้ในอุตสหากรรมการหล่อ
  • Metal โลหะชนิดต่างๆ เช่น Stainless, Copper, Titanium
  • ปูนหรือซีเมนต์ บ้านจาก 3D Printing เป็นต้น
  • Bio Material ในอนาคตอันใกล้ เราจะได้เห็นการพิมพ์อวัยวะจากเซลล์ของเราเอง

Subtractive VS Additive Manufacturing

หลายคนอาจจะยังคุ้นเคยกับการผลิตแบบ Subtractive Manufacturing  จำพวก CNC ซึ่งเป็นการขึ้นรูปชิ้นงานโดยการตัดวัสดุออกไป ระบบ Subtractive มีการใช้งานกันมานานแล้ว ยกตัวอย่างง่ายๆคือ “มีท่อนไม้หนึ่งท่อน ช่างแกะสลัก เอาเครื่องมือแกะเนื้อไม้ออกมาจนเป็นเรือ 1 ลำ” เครื่อง CNC มีหลักการทำงานเหมือนกันคือวัสดุตั้นต้นอาจจะเป็นก้อนอลูมิเนียมขนาดใหญ่ 1 ก้อนเครื่องจะใช้ดอกสว่าน หัวต่างๆตัดเนื้ออลูมิเนียมออกไปให้ได้ชิ้นงาน ระบบนี้ยังมีข้อจำกัดในการทำชิ้นงานที่ซับซ้อนอยู่ เช่นไม่สามารถคว้านส่วนที่เป็น Under cut ได้

Additive Manufacturing เป็นการเพิ่มวัสดุเข้าไปทีละชั้นเพื่อในเกิดชิ้นงาน ยกตัวอย่างเปรียบเทียบง่ายๆ “มีก้อนดินอยู่ ช่างปั้นเนื้อดินดังกล่าวเป็นโอ่งขนาดใหญ่” เป็นการเปลี่ยนรูปร่างวัสดุตั้งต้นเป็นรูปร่างอื่นๆ ปัจจุบันระบบที่มีค่าใช้จ่ายถูกที่สุดคือ ระบบ FFF (Fused Filament Fabrication) มีหลักการทำงานคือ เครื่องใช้งานร้อนหลอมพลาสติกให้เป็นของเหลวและพิมพ์ออกมา เหมือนปีนฉีดกาว โดยพิมพ์รูปแบบตามไฟล์ 3มิติที่เราตั้งค่าไว้ การฉีดพลาสติกจะพิมพ์ทีละชั้นขึ้นไปเรื่อยๆ จนได้เป็นรูปร่างตามต้องการ

ข้อดีของ Additive Manufacturing

  • ไม่ขึ้นข้อจำกัดในการออกแบบ สามารถสร้างชิ้นงานที่ซับซ้อนมากๆได้ เนื่องจากพิมพ์ทีละเลเยอร์ ทับไปเรื่อยๆ
  • ไม่ต้องมีการผลิตขั้นต่ำ สามารถผลิตชิ้นงานเดียวในโลกได้เลย สินค้าในอนาคตจะเป็นสินค้า Personalize มากขึ้นเรื่อยๆ 
  • เป็นเครื่องจักรในการผลิต จะแทนทีเครื่องจักรอื่นๆมากขึ้นในอนาคต เนื่องจากไม่ต้องผลิตขึ้นต่ำ สามารถ Customized ได้สูง AM จะอยู่ในโรงงานผลิตทุกๆที ไม่จำเป็นต้องเป็นโรงงานผลิตใหญ่ๆอีกต่อไป
  • สามารถพัฒนาต่อไปได้อีกมาก วัสดุหลากหลาย และท้ายที่สุด สามารถพิมพ์อวัยวะได้

ข้อเสียของ Additive Manufacturing 

  • ปัจจุบันยังข้อจำกัดในเวลาการพิมพ์อยุ่ คือ ใช้เวลานานในการพิมพ์ โดยจุดด้อยตรงนี้มีการพัฒนาอยู่ หรือ อาจแก้โดยการมีเครื่องไว้หลายๆเครื่องแทน

เครื่อง AM มีระบบอะไรกันบ้าง

เครื่องพิมพ์สามมิติแต่ละระบบทำงานอย่างไร

เครื่องพิมพ์สามมิติไม่ว่าจะเป็นระบบใดก็ตามจะสร้างวัตถุขึ้นมาจากไฟล์สามมิติทีละชั้น ๆ เพียงแต่ระบบหนึ่ง ๆ จะมีวิธีการเฉพาะตัว เพื่อไม่ให้เกิดความสับสน เราทำ Infographic ของเครื่องพิมพ์ทุกระบบมาเปรียบเทียบให้เข้าใจได้ง่าย โดยจัดเป็นกลุ่ม ระบบ ชื่อระบบ วัสดุที่ใช้ และยี่ห้อที่มีจำหน่ายในท้องตลาด
additive-manufacturing-infographic--x-large

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
fdm-technologyนอกจากจะเป็นระบบที่ต้นทุนถูกที่สุดแล้ว ยังมีวัสดุ และสีให้เลือกมากมาย ทั้งวัสดุ ABS, PLA, Nylon หรือวัสดุแปลกๆ เช่นเส้นที่ผสมคาร์บอน บรอนซ์ หรือไม้
FDM เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับงานที่ต้องการทำต้นแบบด้วยความรวดเร็ว และราคาถูก สามารถนำไปใช้ได้กับงานต่างๆ ได้อย่างกว้างขวาง การพิมพ์ในปัจจุบันมีความก้าวหน้ามาก สามารถพิมพ์ในส่วนที่เป็นกลไก และอิเลคทรอนิคส์ได้ด้วย เช่น โดรน แต่การออกแบบบางลักษณะ และข้อจำกัดของวัสดุ ดังนั้นจึงไม่แนะนำให้ใช้ระบบ FDM กับงานที่มีความละเอียด และซับซ้อนสูง

raspberrypi-case

กล่องใส่ Raspberry Pi B+ ออกแบบโดย walter

housingต้นแบบฝาครอบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

drone Mini FPV Tricopter ออกแบบโดย EMaglio. Printed by Ken’s Hub

house-modelแบบจำลองบ้านพิมพ์ด้วยวัสดุ PLA และ เส้นพลาสติกผสมไม้

bronze-bustsรูปปั้นครึ่งตัวพิมพ์ด้วยเส้นพลาสติกผสมบรอนซ์ 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

sla-technology
แผนภาพแสดงการทำงานของเครื่องพิมพ์สามมิติระบบ SLA

เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติประเภทนี้มีอยู่ในเครื่องตั้งโต๊ะด้วย วัสดุที่ใช้ได้ขณะนี้จำกัดอยู่ที่เรซิ่นเท่านั้น แต่ก็กำลังจะมีวัสดุหลากหลายอย่างที่มีการผลิตออกมาเพื่อเพิ่มความแข็งแรง และความยืดหยุ่นของชิ้นงาน

เครื่องพิมพ์สามมิติทั้ง SLA และ DLP เป็นระบบมีความละเอียดสูง ได้ผิวงานที่เนียนเรียบ มักใช้กับงานที่มีรายละเอียดมากๆ เช่นงานประติมากรรม เครื่องประดับ งานต้นแบบ โดยปรกติเครื่องพิมพ์ชนิดนี้มีพื้นที่พิมพ์ขนาดเล็ก จึงไม่สามารถพิมพ์งานขนาดใหญ่ได้

part-prototypeการประกอบงานต้นแบบ ใช้เรซิ่นความแข็งแรงสูง (สีน้ำเงิน) กับเรซิ่นปกติ โดยใช้เครื่องของ Formlabs

propeller-prototype ใบพัดเทอโบชาร์จเจอร์ ใช้เรซิ่นความแข็งแรงสูง

planetary-gears ชุดเกียร์ ประกอบกับส่วนที่เคลื่อนไหวได้ ออกแบบโดย aubenc. พิมพ์โดย Diederik’s Hub

ninja-turtleรูปปั้นพิมพ์ที่ความละเอียด 25 ไมครอน ให้รายละเอียด และความเรียบเนียนของพื้นผิวสูง ออกแบบโดย Robin Brockötter

jewelryเครื่องประดับพิมพ์จากเรซิ่นชนิดหล่อตรง 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

sls-technologyแผนภาพแสดงการทำงานของเครื่องพิมพ์สามมิติระบบ 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

bracketข้อต่อหลักของเครื่องยนต์เจ็ท สามารถลดเนื้อวัสดุลงได้ 78% ออกแบบโดย GE

goproอุปกรณ์เสริมของ GoPro ออกแบบโดย Alan Nguyen

jet-engineแบบจำลองแสดงภาพตัดภายในเครื่องยนต์เจ็ทขอบริษัท GE สามารถเคลื่อนไหวได้ด้วย

beagleboardกล่องใส่คอมพิวเตอร์จิ๋ว BeagleBone พร้อมกับ breadboard ขนาดครึ่งเดียว เพื่อทำเป็นห้องทดลองแบบพกพา

t-rexหุ่นจำลองโครงกระดูกของ 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

polyjet-technology
ผังการทำงานของระบบ Material Jetting

ระบบนี้มักใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม วัสดุพิมพ์จะประกอบด้วยโพลีเมอร์ไวแสงแบบเหลว มีให้เลือกหลายชนิดตามความต้องการ เช่นความแข็งแรง ความใส ความยืดหยุ่น ข้อได้เปรียบที่สำคัญคือสามารถฉีดวัสดุได้หลากหลายชนิดพร้อมกัน เพื่อให้ได้ลักษณะและสีตามความต้องการ
Material Jetting มีข้อได้เปรียบมากมายในการทำงานต้นแบบ มันช่วยให้ผู้ใช้งานสร้างสรรค์งานที่เหมือนจริง และสามารถใช้งานได้ด้วย และยังมีความละเอียด เที่ยงตรง แม่นยำ เป็นระบบการพิมพ์สามมิติที่ให้ความเที่ยงตรงที่สุดในปัจจุบัน มันพิมพ์ได้ถึง 16 ไมครอน ซึ่งบางกว่าเส้นผมของคนเรา

toothbrushต้นแบบแปรงสีฟัน ที่มีขนแปรงเป็นวัสดุอ่อนนิ่ม ด้ามแปรงแข็ง เหมือนการฉีดพลาสติกแบบ Overmold

injection-moldสร้างแม่พิมพ์โดยใช้วัสดุคล้าย ABS ทำได้รวดเร็ว เที่ยงตรงสูง และประหยัด ใช้เป็นแม่พิมพ์ในการฉีดพลาสติกจำนวนไม่มาก ประมาณ 10-100 ชิ้น

medical-visualizationแบบจำลองตับ ที่ใส มองเห็นภายในเพื่อการศึกษาของมหาวิทยาลัยโกเบ ใช้พลาสติกใสในการพิมพ์

turboท่อแยกหลายทางในเครื่องเทอร์โบ เพื่อทดสอบการติดตั้ง
iphone-caseกรอบใส่โทรศัพท์มือถือ 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

binder-jetting-technology 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

3dl-maisonแบบจำลองบ้าน

stadium-modelแบบจำลองสนามกีฬา AEK ในกรุงเอเธนส์

kitchen-modelแบบจำลองครัว

dinosaurรูปปั้น Tyrannosaurus rex

spraying-device
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
dmls-technology ebm-technology
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

ge-3d-printed-fuel-nozzleชิ้นส่วนเครื่องยนต์ LEAP ของ GE จำนวน 19 ชิ้น ในส่วนของหัวฉีดน้ำมัน สามารถทำให้เครื่องบินรูปร่างเพรียวลมแบบเครื่องบินรุ่น Boeing 737MAX และ Airbus A320neo ทะยานไปได้

dental-copingครอบฟัน และสะพานฟันของคนไข้ พิมพ์ด้วยวัสดุผสม cobalt-chrome

airbusข้อต่อน้ำหนักเบาใช้ในเครื่องบิน Airbus A380

koenigsegg-turboเครื่องยนต์เทอร์โบชาร์จน้ำหนักเบามาก ผลิตโดยบริษัทรถยนต์ในสวีเดน Koenigsegg

globeโล่รางวัลพิมพ์จากโลหะ stainless steel

ติดตามตอนต่อไปในเรื่องของวัสดุที่ใช้ในการพิมพ์