ภาพ 1 เครื่องพิมพ์สามมิติ (Rapid Prototype)
ที่มา https://www.youtube.com/watch?v=CUWXNZ3Gx4g

            เครื่องพิมพ์สามมิติเป็นหุ่นยนต์อุดสาหกรรมประเภทหนึ่ง (Rapid Prototype: RP) ที่มีกำเนิดมานาน 30 กว่าปีแล้ว แต่นิยมใช้กันเพียงในบริษัทขนาดใหญ่ หรือในห้องปฏิบัติการ และเพิ่งได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายเมื่อประมาณ ค.ศ. 2009 นี่เอง เครื่องพิมพ์สามมิติเป็นวิวัฒนาการ หรือนวัตกรรมทางเทคโนโลยีการพิมพ์ที่ได้รับการยกระดับให้สูงขึ้นมาอีกขั้นหนึ่งจากเทคโนโลยีการพิมพ์ธรรมดาอธิบายให้ข้าใจได้ง่ายคือกระบวนการพิมพ์ที่เราคุ้นเคยและใช้อยู่ตั้งแต่ในอดีตมาจนถึงปัจจุบัน เป็นการพิมพ์ลักษณะสองมิติในแนวตัด-ขวาง (cross section) หรือ ตามแกน X-Y ลงบนพื้นผิวที่เป็นวัสดุแผ่นราบเรียบเช่น กระดาษ กระจก แผ่นพลาสติก หรือผื่นผ้า และภาพที่ได้เป็นรูปแบบสองมิติ คือมีความกว้างและความยาว แต่ในการพิมพ์สามมิติเราสามารถพิมพ์วัตถุที่มีรูปทรงแสดงให้เห็นความกว้างความยาวและความสูง ในขั้นตอนการพิมพ์คือหัวเครื่องพิมพ์จะเคลื่อนที่ได้เพิ่มอีกหนึ่งแนวคือ แนวแกน 2 จากเดิมที่มีเพียงแนวแกน X-Y เท่านั้น ดังภาพ 2

ภาพ 2 แสดงทิศทางกรเคลื่อนที่ของหัวเครื่องพิมพ์และวัสดุในงานพิมพ์ระบบสามมิติ ในแนวแกน X.YZ

ที่มา http://www.print3dd.com

            โดยหัวฉีดเครื่องพิมพ์จะเลื่อนขึ้น-ลงในแนวแกน 2 ของฐานเครื่องพิมพ์ ทำให้เกิดมิติที่สาม ระบบการพิมพ์ดังกล่าวสามารถใช้พิมพ์ตุ๊กตา ลูกบอล แก้วน้ำ ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลในงานอุตสาหกรรม หรืออวัยวะเทียมในวงการแพทย์ ซึ่งสามารถนำไปใช้ทดแทนหรือใช้ได้เหมือนของจริงแทบทุกประการ ดังตัวอย่างภาพ 3 และ ภาพ 4

ภาพ 3 ขั้นตอนการออกแบบชิ้นส่วนและสร้างอวัยวะเทียมทดแทนขาเปิด
ที่มา https://www.cnet.com/news/amputee-goose-gets-a-new-3d-printed-leg-and-foot

ภาพ 4 ผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักรและผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ
ที่มา https://www.autodesk.com/solutions/3d-printing
https://all3dp.com/1/free-stl-files-3d-printer-models-3d-print-files-stl-download/ https:/www.applicadthai.com/articles/3d-printing-กับชีวิต-3d-printing-technology-life/

ท่านทราบหรือไม่ว่าเครื่องพิมพ์สามมิติทำงานอย่างไร

            เครื่องพิมพ์สามมิติคือเครื่องจักรที่ใช้กระบวนการทำให้เนื้อวัสดุก่อตัวเป็นรูปร่างตามที่ได้ออกแบบไว้โดยอาศัยข้อมูลในรูปแบบดิจิทัลเป็นกระบวนการที่เรียกว่า Additive Process ซึ่งการพิมพ์จะดำเนินไปที่ละขั้นหรือทีละ layer โดยใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์ควบคุม ระบบการพิมพ์ไฟล์ที่ใช้กับเครื่องพิมพ์เป็นไฟล์ในรูปแบบสามมิติจะไม่เหมือนภาพในเครื่องพิมพ์ระบบสองมิติที่พิมพ์ลงบนแผ่นกระดาษทั่วไป ข้อมูลภาพหรือวัตถุในระบบนี้จะถูกบันทึกในรูปแบบไฟล์ดิจิทัลที่ถูกสร้างจากโปรแกรมคอมพิวเตอร์ เช่น AutoCAD, SolidWorks, 3Ds Max, Inventor

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

ภาพ 5 ขั้นตอนการสร้างไฟล์ดิจิทัลแบบสามมิติ เพื่อฟิมพ์ชิ้นงาน
ที่มา http://www.siamreprap.com/2015/10/what-s-3d-printer , http://www.applcadthai.com/articles/article-3dprinter/

เหตุใดจึงต้องใช้การพิมพ์แบบสามมิติ

ที่มา  https://3dprintingindustry.com/wp-content/uploads/2014/09/ebam-3d-printer.jpg

            สิ่งที่ต้องคำนึงถึงมากที่สุดสำหรับการออกแบบผลิตภัณฑ์ ในขั้นตอนการผลิตตันแบบก่อนลงมือผลิตจริงคือคำนวณต้นทุนที่เกี่ยวข้อง เช่น ราคาต่อหน่วย ราคาเครื่องจักร และค่าแรงงานถ้าขึ้นงานนั้นมีความซับซ้อนมาก ก็จะทำให้ต้นทุนการผลิตมีค่ามาก แต่ด้วยเทคโนโลยีการผลิตสมัยใหม่สิ่งเหล่านี้จะไม่ได้เป็นปัญหาอีกต่อไป ซึ่งหมายความว่า เราไม่จำเป็นต้องสร้างแม่พิมพ์ (mold) เหมือนวิธีผลิตแบบเดิมการผลิตขึ้นงานที่มีจำนวนขึ้นส่วนในปริมาณมาก จำเป็นต้องมีแม่พิมพ์หลายแบบ เพื่อกำจัดปัญหาดังกล่าวเราต้องอาศัยความเจริญก้าวหน้าทางเทคโนโลยี วิธีการออกแบบ กระบวนการพิมพ์และเครื่องพิมพ์ระบบสามมิติ การสร้างโมเดลเสมือนจริงก่อนการผลิต จะช่วยลดขั้นตอนการผลิต ลดราคา ลดแรงงานลดความยุ่งยากในการผลิตและลดขั้นตอนการประกอบได้เป็นอย่างดี ที่สำคัญไปกว่านั้นคือเราสามารถแก้ไขแบบ ปรับปรุงรูปร่าง และรูปทรงให้ตรงความต้องการในขั้นตอนการออกแบบด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ได้อย่างง่ายดาย เนื่องจากการทำงานมีความสะดวกมากขึ้นหลายเท่าตัว ภาพ 6. 7 เป็นตัวอย่างงานพิมพ์ขิ้นส่วนสื่อทดลองในวิชาฟิสิกส์ ซึ่งได้รับการออกแบบและพัฒนาโดยฝ่ายออกแบบและพัฒนาอุปกรณ์ สสวท.

ภาพ 7 ตัวอย่างงานประกอบชิ้นส่วนเครื่องทดสอบแรงดึงวัสดุ (Uniaxial tensile test)

ที่มา ฝ้ายออกแบบและพัฒนาอุปกรณ์ / สาขาฟิสิกส์ / สสวท.

เครื่องพิมพ์สามมิติสมารถนำไปใช้ในห้องเรียนได้หรือไม่

ภาพ 8 นักเรียนกำลังดูผลงานจากการออกแบบและพิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ

ที่มา https://x3dprinting.co/pages/3d-printing-for-education

            นี่เป็นคำถามที่ท้าทายและน่าสนใจเป็นอย่างยิ่งสำหรับผู้สนใจนักเรียน และนักศึกษา แม้จะไม่มีความรู้พื้นฐานด้านการออกแบบกราฟิกทางคอมพิวเตอร์สำหรับงานพิมพ์สามมิติแต่ปัจจัยเหล่านี้มิได้เป็นอุปสรรคเลยถ้าจะนำเครื่องพิมพ์สามมิติมาใช้ในกระบวนการเรียนการสอน  เพียงแต่ผู้สนใจมีพื้นฐานด้านคอมพิวเตอร์บ้างเล็กน้อยก็จะสามารถพิมพ์ขึ้นงานด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติได้ เนื่องจากในกระบวนการออกแบบและวิธีการใช้เครื่องพิมพ์ ผู้ออกแบบมักจะเน้นการใช้งานที่สะดวกเป็นหลักอยู่แล้วจึงสามารถกล่าวได้ว่าผู้ใช้เครื่องพิมพ์ไม่จำเป็นต้องเขียนโปรแกรมเป็นในมุมกลับ ผู้ที่เขียนโปรแกรมเป็นก็ไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องพิมพ์ เป็นเสมอไป เพียงแต่ได้เรียนรู้หลักการเบื้องตันในระบบการพิมพ์บ้างก็จะสามารถผลิตชิ้นงานด้วยเครื่องพิมพ์ระบบสามมิติได้โดยง่าย เพราะปัจจุบันเราสามารถดาวน์โหลดโปรแกรมกราฟิกไฟล์ภาพสามมิติสำเร็จรูปโดยไม่เสียค่าใช้จ่ายใด ๆ ตามที่มีผู้ออกแบบไว้ในระบบอินเทอร์เน็ตซึ่งจะมีทั้งแบบที่ต้องเสียค่าใช้จ่ายและแบบไม่เสียค่าใช้จ่ายในการดาวน์โหลดดังกล่าว นั่นเป็นการยืนยันว่าเราสามารถนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในห้องเรียนได้แน่นอน อีกทั้งเป็นการกระทำที่สอดคล้องกับแนวคิดในการเรียนการสอนแบบสะเต็มศึกษา (STEM Education) ของ สสวท. ซึ่งจะทำให้ผู้เรียนมีความรู้และทักษะในกระบวนการคิดการออกแบบ การวางแผนการผลิตและช่วยทำให้เกิดจินตนาการด้านต่าง ๆ ทั้งในห้องเรียน ในชีวิตประจำวันที่จะนำไปสู่การพัฒนาอย่างต่อเนื่องอย่างไม่หยุดยั้ง สำหรับการสร้างสรรค์นวัตกรรมใหม่ๆ เพื่อตอบสนองความต้องการต่อไปในอนาคต

           บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานุกรม

กิติรตา หร่ำรัศมี และ ชมพร แววโนรี. มิติใหม่ของการพิมพ์ด้วยการพิมพ์ 3 มิติ. สืบค้นเมื่อ 21 พฤศจิกายน 2559.

จาก https://sites.google.com/a/bumail.net/3dprintingdimension/bthkhadyx/.

งานพิมพ์ขาเทียม. สืบคั้นเมื่อ 16 พฤศจิกายน 2559, จา http:/www.cnet.com/news/amputee-goose-gets-a-new-3d-printed-leg-and-foot.

ชนิตของเครื่องพิมพ์สามมิติ. สืบคั้นเมื่อ 14 พฤศจิกายน 2559, จาก http://3dprinting.com/what-is-3d-printing/.

ตัวอย่างภาพผลิตภัณฑ์. สืบคั้นเมื่อ 15 พฤศจิกายน 2559, จา http:/www.108cnc.com/index.php?lay=show&ac-article&ld-539339692/1

ไฟล์ภาพสำหรับงานพิมพ์สามมิติ. สืบคั้นเมื่อ 14 พฤศจิกายน 2559, จาก http:// www.t24hrs.com/2013/3d-printer-print-materials/.

ภาพเครื่องพิมพ์สามมิติ. สืบต้นเมื่อ 14 พฤศจิกายน 2559, จา htp:/vww.print3dd.com/3d-printer/

สยามเรปแรป. สืบค้นเมื่อ 14 พฤศจิกายน 2559. จาก http://www.siamreprap.com/2015/10/what-is-3d-printer/