ทำความรู้จักเครื่องพิมพ์ 3 มิติ และประเภทสำหรับมือใหม่

เครื่อง 3D Printer คืออะไร?

3D Printer หรือ Rapid Prototype (RP) หรือ ที่คนไทยเรียกเครื่องพิมพ์ 3มิติ เครื่องปรินท์ 3มิติ นั้นมีใช้กันมาเกือบ 50 ปีแล้ว แต่ใช้กันในวงจำกัด ในบริษัทขนาดใหญ่ หรือ ใน Lab ใหญ่ๆเท่านั้น เพิ่งจะได้รับความนิยมในผู้ใช้จำนวนมาก และมีราคาลดลง เมื่อประมาณปี 2009 นี่เอง ปัจจุบันใช้กันอย่างแพร่หลายในทุกวงการ ใช้ในการสร้างชิ้นงาน, โมเดล, อะไหล่, ต้นแบบชิ้นงาน เป็นเครื่อง CAM (Computer Aided Manufacturing) ชนิดหนึ่ง

หลักการทำงานของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

เครื่องพิมพ์ 3 มิติเป็นนวัตกรรมคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ของโลก โดยเป็นการสร้างโมเดลจำลอง 3 มิติ ที่ต้องการตรวจสอบงานออกแบบ หรือนำไปเสนอผลงานออกแบบให้กับลูกค้า จากการสร้างโมเดล 3 มิติ (3D Models) โปรแกรมโมเดล 3 มิติทั่วไปแล้วนำมาสั่งพิมพ์

3D Printer เกือบทุกเครื่องนั้นใช้หลักการเดียวกัน คือพิมพ์ 2มิติ แต่ชั้นในแนวระนาบกับพื้นโลก XY ก่อน ส่วนที่พิมพ์ก็คือภาพตัดขวาง-Cross Section ของวัตถุนั้นๆเอง พอพิมพ์เสร็จในสองมิติแล้วเครื่องจะเลื่อนฐานพิมพ์ไปพิมพ์ชั้นถัดไป พิมพ์ไปเรื่อยๆหลายร้อย หลายพันชั้น จนออกมาเป็นรูปร่าง 3 มิติ  การเลื่อนขึ้นหรือลง(เลื่อนในแนวแกน Z)ของฐานพิมพ์ นี่เองทำให้เกิดมิติที่ 3

วัสดุที่ใช้ของ 3D Printer แตกต่างกันออกไป บางชนิดเป็นเครื่องที่พิมพ์โดยฉีดเส้นพลาสติกออกมา บางชนิดเป็นเครื่องที่ใช้วัสดุเป็นน้ำซิ่นเพื่อขึ้นรูป แล้วฐานแสงให้เรซิ่นแข็งในแต่ละชั้น ตัวอย่างงานของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ สามารถทำของใช้ที่ชำรุด-3D Printอะไหล่, โมเดลชิ้นส่วนรถ 3D Print car, งานจิวเวอรี่ 3D Print Jewelry

โดยปกตินั้นเราจะวัดความละเอียดในการพิมพ์ของเครื่อง 3D Printer ในหน่วนไมครอน เช่น 100-Micron(0.1mm) ต่อชั้น หมายความว่าในแต่ละชั้นนั้นเครื่องจะพิมพ์ให้มีความสูง 0.1mm ดังนั้นหากโมเดลมีความสูง 10mm เครื่องพิมพ์จะพิมพ์ทั้งหมด 100 ชั้น หากพิมพ์ที่ความละเอียด 50-Micron เครื่องจะพิมพ์ทั้งหมด 200 ชั้น ซึ่งแน่นอนที่ความละเอียด 50-Micron นั้นได้งานละเอียดกว่าและสวยกว่าแน่นอน แต่ใช้เวลาเพิ่มขึ้นประมาณเท่าตัว

เครื่องพิมพ์สามมิติทำงานอย่างไร?

สร้างโมเดลหรือขึ้นงานในรูปของไฟล์ดิจิทัลแล้วก็จะมีการนำไฟล์นั้นไปทำการ slice หรือตัดเป็นชั้น ๆ (layer)ออกมาให้เป็นแผ่นบาง ๆ คล้ายการหั่นก้อนขนมปังออกเป็นชิ้นบาง เพื่อให้เครื่องพิมพ์สามมิติพิมพ์แผ่นบาง ๆ นั้นเรียงซ้อน ทับต่อกันทีละชั้น จนปรากฏเป็นวัตถุในลักษณะสามมิติเหมือนชิ้นงานจริงตามที่ได้ออกแบบไว้ดังภาพ 5 ที่แสดงกระบวนการสร้างไฟล์ดิจิทัลแบบสามมิติ เพื่อพิมพ์ขึ้นงาน 3D Objects

 

การสร้างแบบจำลอง 3มิติ โดยทั่วไปการสร้างแบบจำลอง 3 มิติคือการสร้างแบบจำลองที่มีข้อมูลสามมิติจากพื้นที่เสมือนสามมิติผ่านซอฟต์แวร์การผลิตสามมิติ วิธีการสร้างแบบจำลอง 3 มิติ มีหลักๆ 3 วิธี คือ

1. การสร้างแบบจำลอง 3 มิติ (3D modelling) เป็นขั้นตอนเริ่มต้นของการใช้งาน โดยใช้โปรแกรมทางคอมพิวเตอร์หรือ CAD เขียนแบบชิ้นงานออกมาเป็น 3 มิติ ตามขนาดและรูปร่างที่ต้องการ

2. ดาวน์โหลดโมเดล 3 มิติโดยตรง มีเว็บไซต์แจกไฟล์โมเดล3มิติฟรีจำนวนมาก บนอินเทอร์เน็ตและมีโมเดล 3 มิติหลายประเภทและหลายจำนวน สามารถดาวน์โหลดโมเดล 3 มิติได้หลายแบบและโดยพื้นฐานแล้วสามารถใช้สำหรับการพิมพ์ด่วน 3 มิติโดยตรง

3.  3D Scanner สแกนเพื่อเอาไฟล์งานจาก3มิติ จากโมเดลที่ต้องการ โดยจะต้องมีการตกแต่งไฟล์จากเครื่องสแกนที่ได้

---

3D Printer มีกี่ประเภท ?

โดยทางเราจะขอแบ่งประเภทของเครื่องพิมพ์ด้วยกระบวนการพิมพ์และวัสดุที่นะคะ

1. ระบบฉีดเส้นพลาสติก (FDM หรือ FFF) 

FDM หรือ Fused Deposition Modeling เป็นเครื่องพิมพ์ 3มิติ ที่นิยมใช้กันมากที่สุดในปัจจุบัน มีหลักการทำงานคือ การหลอมเส้นพลาสติกให้กลายเป็นของเหลวแล้วฉีดออกมาเป็นเส้นผ่านหัวฉีด (Nozzle) จะวาดเส้นพลาสติกที่ถูกฉีดออกมา เป็นรูปร่างในแนบแกนระนาบ เมื่อเสร็จชั้นหนึ่งๆก็จะพิมพ์ในชั้นต่อๆไป เมื่อครบหลายร้อย หรือ หลายพันเลเยอร์ ก็จะได้ออกมาเป็นวัตถุที่เราสั่งพิมพ์ อีกทั้งเครื่องยังสามารถใช้วัสดุได้หลากหลาย และหาได้ง่ายตามท้องตลาด เช่น เส้น PLA, ABS, PETG, Carbon Fiber, PC Polycarbonate, Elastic (TPU95A)

 

 

 

2. ระบบน้ำเรซิ่น  SLA/ LCD / DLP

เครื่องพิมพ์ระบบน้ำเรซิ่นอาศัยแหล่งกำเนิดแสงจากเลเซอร์หรือโปรเจคเตอร์ ที่มีความยาวคลื่นในช่วงรังสียูวี (UV) ฉายไปยังเรซิน (Resin) ทำให้เกิดการแข็งตัวทีละชั้น ความละเอียดของชิ้นงานขึ้นอยู่ความสามารถของแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งสามารถมีขนาดเล็กได้ถึง 1 ไมครอนจนถึง 250 ไมครอน สำหรับการใช้งานทั่วไป(ขึ้นกับความสามารถของเครื่อง) เมื่อฉายแสง layer หนึ่งเสร็จ ฐานพิมพ์ก็จะขยับขึ้นเพื่อวาด layer ต่อไป ข้อดีคือมีความละเอียดสูง ชิ้นงานที่ออกมาจะเรียบเนียน ไม่เหมือน FDM ที่มักเห็นเส้น layer เป็นชั้นๆ หลังพิมพ์ชิ้นงานมีขั้นตอน Post-processing เพิ่มเติมเช่นการล้างแอลกอฮอล์ และการอบแสง UV เหมาะสำหรับทำชิ้นงานที่ต้องการความละเอียดสูงเช่นเครื่องประดับ Jewelry งานทันตกรรม พระเครื่อง งานออกแบบผลิตภัณฑ์

 

 

 

3. เครื่องพิมพ์โลหะ (Metal Printing SLM / EBM) และ ระบบหลอมผงวัสดุ SLS (Selective Laser Sintering)

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

การพิมพ์ด้วยโลหะถือเป็นจุดสูงสุดของการพิมพ์ 3 มิติ มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม High-tech สำหรับทำชิ้นงานที่มีมูลค่าสูง เช่นอวกาศยาน การบิน ยานยนต์ การแพทย์ การสร้างชิ้นงานโลหะด้วยการพิมพ์ 3 มิติสามารถช่วยลดจำนวนชิ้นส่วน ลดความซับซ้อนและลดน้ำหนักของเครื่องจักรต่างๆ โดยเทคโนโลยีนี้ได้พัฒนาไปถึงจุดที่สามารถสร้างชิ้นงานโลหะที่มีความแข็งแรงเทียบเท่ากับชิ้นงานโลหะหล่อเลยทีเดียว

ระบบหลอมผงวัสดุ Selective Laser Sintering (SLS) ทำงานโดยใช้แสงเลเซอร์เพื่อเชื่อมวัสดุผง เช่นพลาสติก โลหะ และเซรามิกส์ ให้จับตัวเป็นก้อน จากนั้นฐานพิมพ์ก็จะขยับลง และเลเซอร์ก็จะทำการเชื่อมผงวัสดุในชั้นต่อไป ข้อดีของกระบวนการนี้คือไม่จำเป็นต้องใช้ Support Structure เนื่องจากผงวัสดุที่อยู่รอบๆวัตถุทำหน้าที่รองรับให้อยู่แล้ว ทำให้พิมพ์รูปทรงซับซ้อนได้อย่างอิสระ ชิ้นงานมีความละเอียดสูงและมีความแข็งแรง เหมาะกับการใช้งานจริง ส่วนข้อเสียคือเครื่องพิมพ์มีราคาสูง และจำเป็นต้องมีอุปกรณ์เพื่อจัดการกับวัสดุผง เช่นระบบกรองอากาศและผสมวัสดุ

 

 

การพิมพ์ด้วยโลหะถือเป็นจุดสูงสุดของการพิมพ์ 3 มิติ มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม High-tech สำหรับทำชิ้นงานที่มีมูลค่าสูง เช่นอวกาศยาน การบิน ยานยนต์ การแพทย์ การสร้างชิ้นงานโลหะด้วยการพิมพ์ 3 มิติสามารถช่วยลดจำนวนชิ้นส่วน ลดความซับซ้อนและลดน้ำหนักของเครื่องจักรต่างๆ โดยเทคโนโลยีนี้ได้พัฒนาไปถึงจุดที่สามารถสร้างชิ้นงานโลหะที่มีความแข็งแรงเทียบเท่ากับชิ้นงานโลหะหล่อเลยทีเดียว

4. ระบบ Material Jetting (PolyJet / MultiJet Modeling)

เทคนิคการพิมพ์ 3 มิติที่มีความเหมือนจริงมากที่สุด ผิวชิ้นงานเรียบเนียน รายละเอียดคมชัดที่สุด เครื่องพิมพ์ระบบ Material jetting มีความคล้ายกับเครื่องพิมพ์ประเภท Inkjet ทำงานโดยการฉีดวัสดุโพลิเมอร์เจลลงบนฐานพิมพ์ทีละชั้น แล้วใช้แสง UV ทำให้แข็งตัวในทันที เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ในเครื่องพิมพ์ระดับอุตสาหกรรม สามารถสร้างชิ้นงานที่มีคุณสมบัติหลายแบบ เช่นพลาสติกแข็ง วัสดุใส วัสดุยืดหยุ่น (หรือพิมพ์วัสดุหลายประเภทในชิ้นงานเดียว) ถือเป็นเครื่องพิมพ์ที่มีความละเอียดสูงที่สุด ใช้สำหรับทำชิ้นงาน Prototype ที่มีความเสมือนจริง สำหรับใช้ในการตลาดและการนำเสนอผลงาน

---