ตามที่ได้เสนอความรู้พื้นฐานและความเป็นมาเกี่ยวกับ "3D  Printing สุดยอดนวัตกรรมทางเทคโนโลยีการพิมพ์"ตอนที่ 1 ไปแล้ว ผู้อำนงข้าใจคุณสมบัติหลักการทำงานและการนำระบบเทคโนโลยีเครื่องพิมพ์สามมิติมาใช้ให้เป็นประโยชน์อย่างมีคุณภาพในการผลิตตันแบบผลิตภัณฑ์หรือผลิตสื่อการเรียนการสอน ในตอนที่ 2 นี้จะมีการจำแนกเทคโนโลยีการพิมพ์ระบบสามมิติและวัสดุที่ใช้เป็นส่วนประกอบในกระบวนการพิมพ์ เพื่อจะได้เลือกใช้เทคโนโลยีที่ดีที่สุดและเหมาะสมที่สุดในการพัฒนาผลผลิต ซึ่งระบบการพิมพ์สามมิติสามารถจำแนกได้ดังนี้

1. ระบบฉีดเส้นพลาสติก Fused Deposition Material (FDM)

            มีหลักการทำงานดังนี้คือ เครื่องพิมพ์มีระบบการหลอมเส้นพลาสติกให้กลายเป็นของเหลวแล้วพ่นฉีดออกมาเป็นเส้นผ่านหัวฉีด (1๐zz2le) เหมือนปืนกาวที่ใช้กันทั่วไป โดยของเหลวพลาสติกที่หลอมละลายจะถูกฉีดออกมาเป็นรูปร่างต่าง ๆ ในแนวแกนระนาบ ที่ละชั้น ๆ ทับซ้อนกันอาจหลายร้อยหรือ หลายพันขั้น เพื่อให้ได้รูปทรงของวัตถุที่สั่งพิมพ์ หลักการทำงานของเครื่องพิมพ์ชนิดนี้มีขั้นตอนดังภาพที่ 1

ภาพที่ 1 ระบบกลไกของเครื่องพิมพ์และขั้นตอนงานพิมพ์แบบสามมิติ FDM

ที่มา https://sites.google.com/a/bumaill.net/3dprintingdimension/thekhnoloy-khxng-kheruxngphimph-sam-miti

เครื่องพิมพ์ระบบฉีดเส้นพลาสติกอาจแบ่งได้อีก 2 รูปแบบ ดังนี้

            1.1 Cartesian เป็นเครื่องพิมพ์ที่พบเห็นทั่วไป เครื่องพิมพ์นี้มีการเคลื่อนที่ของหัวฉีดในระนาบ X.Y เท่านั้นคือไปได้ซ้าย-ขวา/หน้า-หลัง ส่วนฐานพิมพ์นั้นจะเคลื่อนที่ในแกนแนว Z คือเคลื่อนที่ขึ้น-ลง ดังงภาพที่ 2

ภาพที่ 2 เครื่องพิมพ์ระบบ Cartesian
ที่มา ฝ่ายออกแบบและพัฒนาอุปกรณ์ / สสวท.

            1.2 Delta เครื่องพิมพ์ระบบนี้สามารถสังเกตได้ง่ายที่สุดคือ มีเสาแกนอยู่ 3 เสา เครื่องนี้มีฐานพิมพ์อยู่กับที่ หัวฉีดจะเคลื่อนที่อย่างอิสระในแนวทั้งสามคือ X.Y:Z โดยควบคุมการเคลื่อนที่ของหัวฉีดให้ทำงานสอดคล้องกับมอเตอร์ทั้งสามตัว เครื่องระบบนี้สามารถจัดสร้างให้มีขนาดใหญ่มาก ๆ ได้ดังภาพที่ 3

ภาพที่ 3 เครื่องพิมพ์ระบบ delta
ที่มา http://www.applicadthai.com

2.ระบบถาดเรซิ่น หรือ Stereolithography Apparatus (SLA)

            เดิมเรียกระบบนี้ว่าระบบ Vat Photopolymerisation ซึ่งมีวิธีการคือเครื่องพิมพ์จะฉายแสงไปยังตัวถาดที่ใส่เรซิน (Photo Resin/Photopolymer) ซึ่งเมื่อถูกแสงจะแข็งตัวเฉพาะตำแหน่งที่ถูกแสงกระทบ แล้วจะทำให้เป็นรูปร่างขึ้นมาทีละชั้น ถ้ากระทำเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จะได้ชิ้นงานรูปทรงสามมิติที่สมบูรณ์

ภาพที่ 4 เครื่องพิมพ์ระบบถาดเรซิน
ที่มา http://www.print3dd.com/dpsla-3d-printer

3.ระบบผงยิปซัม + สี Ink Jet (Powder 3D Printer หรือ ColorJet Printing)

            มีวิธีการคือ เป็นระบบของเครื่องที่ใช้ผงยิปซัม หรือผงพลาสติก เป็นตัวกลางในการสร้างชิ้นงาน โดยจะพิมพ์สีและกาวลงไปพร้อมกันเป็นรูปร่าง เมื่อสร้างเสร็จในขั้นแรกเครื่องจะเกลี่ยผงยิปชัมหรือผงพลาสติกมาทับเป็นชั้นบาง ๆ ในขั้นต่อไป

ภาพที่ 5 เครื่องพิมพ์ระบบ Powder
ที่มา http://www.print3dd.com

4.ระบบหลอมผงผลาสติก ผงโลหะ เซรามิก Selective Laser Sintering (SLS)

            เป็นระบบที่มีหลักการทำงานคือ เครื่องพิมพ์จะฉายแสงเลเซอร์ไปบนผงวัสดุ ความร้อนจากเลเซอร์จะทำให้ผงวัสดุ เช่นผงพลาสติก ผงลหะ หรือผงเซรามิกหลอมละลายเป็นเนื้อเดียวกันเพื่อให้ได้รูปทรงของวัตถุที่สั่งพิมพ์ในระบบ 3 มิติที่ได้ออกแบบไว้ก่อนนั้น

ภาพที่ 6 เครื่องพิมพ์ระบบ SLS
ที่มา http://www.print3dd.com

5.ระบบ MJM (Multi Jet Modeling)

            วิธีการคือ ฉีดเรซินเหลวทีละชั้นในเวลาเดียวกันก็ฉายแสงอัลตร้าไวโอเลต (UV Light) ไปพร้อมกัน เพื่อให้เรซินในแต่ละขั้นแข็งตัว คุณภาพขึ้นงานที่ได้ของระบบนี้มีรายละเอียดสูง

ภาพที่ 7 เครื่องพิมพ์ระบบ Multi Jet Modeling (MJM)

ที่มา http://3d-labs.de/mjm/?lang=en

6.ระบบ Sheet Lamination (5L)

            เทคนิคนี้ใช้วัสดุที่เป็นแผ่นวางข้อนกัน จนเป็นขึ้นงานสามมิติ วัสดุที่ใช้เป็นแผ่นกระดาษธรรมดา แล้วพิมพ์สีตามที่ต้องการลงบนแผ่นกระดาษ ซึ่ง software จะตำนวณว่าต้องพิมพ์สีอะไร พิมพ์ตรงตำแหน่งใดบ้าง กระดาษที่พิมพ์สีเสร็จแล้วจะถูกนำเข้าเครื่องพิมพ์ เครื่องพิมพ์จะดึงกระดาษเข้าทีละแผ่น แล้วจะทำการแยก slice ด้วยมีดตัดเพื่อให้ได้รูปแบบตามที่ได้ออกแบบไว้ จากนั้นเครื่องก็จะดึงกระดาษแผ่นต่อไปไปยังระบบทากาว แล้วนำมาแปะติดซ้อนทับบนกระดาษที่ได้ตัดไว้ก่อนหน้านี้ ระบบจะทำเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนได้ชิ้นงานสามมิติอย่างสมบูรณ์ตามที่ได้ออกแบบไว้

ภาพที่ 8 เครื่องพิมพ์ระบบ Sheet Lamination

ที่มา https://www.engineersgarage.com/articles/3d-printing-processes-sheet-lamination

7.ระบบ Directed Energy Deposition (DED)

            เทคโนโลยีนี้เป็นที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรมไฮเทคเพราะเป็นเทคโนโลยีที่มีความละเอียดและความซับซ้อนหลักการคือ ใช้หัวพ่นพ่นผงโลหะลงไปพร้อมกับการใช้พลาสมาหลอมละลายผงโลหะนั้น โดยหัวพ่นจะเคลื่อนที่ไปในลักษณะการ slice ซึ่งผงโลหะที่ใช้เช่น ไททาเนียมวิธีการนี้ได้มีการนำไปรวมกับเทคโนโยลีการขึ้นรูปแบบ subtractive เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของซิ้นงาน เมื่อหัวพิมพ์พ่นวัสดุลงเป็นรูปร่าง แล้วเครื่องพิมพ์จะเปลี่ยนเป็นหัวกัด (milling) เพื่อนำมากัดชิ้นงานให้มีรูปร่าง และขนาดตามที่ต้องการระบบจะทำเช่นนี้ไปจนครบขั้นตอนการสร้างชิ้นงานแบบสามมิติ

ภาพที่ 9 เครื่องพิมพ์ระบบ Directed Energy Deposition

ที่มา http://www.cimp-3d.org/ded และ https://s3.amazonaws.com/

วัสดุที่ใช้กับเครื่องพิมพ์สามมิติ

            ชนิดของวัสดุสำหรับงานพิมพ์สามมิติโดยทั่วไปมีหลายรูปแบบเช่นแบบของเหลว แบบของแข็งแบบเส้นพลาสติกและแบบที่เป็นเส้นโลหะ สำหรับแบบที่เป็นเส้นจะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.75 มิลลิเมตร และ 3.0 มิลลิเมตร โดยเส้นจะอยู่ในรูปแบบม้วน ปัจจุบันมีเนื้อวัสดุมากมาย แต่จะยกตัวอย่างชนิดที่นิยมใช้สำหรับเครื่องพิมพ์ระบบฉีดเส้นพลาสติก Fused Deposition Material (FDM) ดังนี้

1.PLA (Polylactic Acid) เป็นเส้นพลาสติก

            ที่ผลิตจากวัตถุดิบธรรมชาติ เช่น กากพืชผลทางการเกษตรข้าวโพด มันสำปะหลัง พลาสติกซนิดนี้เหมาะกับเครื่องพิมพ์สามมิติแทบทุกชนิดเนื่องจากมีความปลอดภัยไม่มีกลิ่นพลาสติกไหม้ หดตัวน้อย ไม่จำเป็นต้องใช้ฐานทำความร้อน แต่มีข้อเสียบ้างเรื่องทนความร้อนได้ไม่มาก

2. ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)

            เป็นพลาสติกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เครื่องใช้ในบ้าน ข้อดีคือ ทนสภาพแวดล้อมได้ดี แต่มีข้อเสียค่อนข้างมาก คือ พิมพ์ได้ยาก เนื่องจากมีอัตราการหดตัวสูงต้องเปิดฐานทำความร้อน เมื่อพิมพ์แล้วมีกลิ่นพลาสติกไหม้

3. Dissolvable Filament (DF) หรือเส้น

            พลาสติกที่ละลายได้ ใช้ในการพิมพ์ในส่วน support ต้องใช้กับเครื่องพิมพ์ระบบฉีดเส้นพลาสติกที่มีหัวเครื่องพิมพ์ตั้งแต่ 2 หัวขึ้นไป พลาสติกที่พิมพ์นี้จะถูกละลายออกไปหลังการพิมพ์ขึ้นงานเสร็จสมบูรณ์ตัวอย่างเส้นพลาสติกดังภาพที่ 10

ภาพที่ 10 ตัวอย่างส้นวัสดุงานพิมพ์สามมิติแบบเส้นพลาสติก
ที่มา https://www.3dprintersonlinestore.com/filament-abs

ดีจริงแค่ไหนสำหรับเทคโนโลยีการพิมพ์แบบสามมิติ

            เป็นเรื่องปกติที่ผลิตภัณฑ์หลาย ๆ อย่างย่อมมีข้อดีและข้อด้อยที่แตกต่างกันไป เครื่องพิมพ์สามมิติก็เช่นกัน ใช่ว่าเครื่องพิมพ์ที่ทันสมัย และระบบเทคโนโลยีที่ล้ำเลิศจะสามารถเนรมิตสรรพสิ่งได้ทุกอย่างเสมอไปจากประสบการณ์จริงในการศึกษาและการใช้เครื่องพิมพ์จะพบว่า ในระยะเริ่มแรกที่เทคโนโลยีนี้ได้เข้ามามีบทบาทสำคัญในแวดวงการพิมพ์ ราคาของเครื่องพิมพ์จะค่อนข้างสูงกว่าในปัจจุบันมาก แต่เมื่อมีผู้ทำการผลิตเครื่องพิมพ์และพัฒนาโปรแกรมเพื่องานพิมพ์ระบบสามมิติออกมามากมายเช่น ปัจจุบัน ทำให้ราคาของเครื่องพิมพ์ลดตามไปด้วยข้อจำกัดอีกประการหนึ่งของเครื่องพิมพ์สามมิติคือ ต้องใช้เวลาในการพิมพ์หรือขึ้นรูปชิ้นงานค่อนข้างนาน ยกตัวอย่างเช่น ชิ้นงานที่มีขนาดเท่าฝ่ามือ ต้องใช้เวลาในการพิมพ์ 7-8 ชั่วโมงต่อเนื่องกัน แต่ก็ขึ้นอยู่กับความละเอียดความซับซ้อนของชิ้นงาน ส่วนข้อดีที่เป็นที่ยอมรับ คือระบบเทคโนโลยีนี้ ไม่ว่าจะเป็นฮาร์ดแวร์หรือซอฟต์แวร์สามารถออกแบบและผลิตงานต้นแบบได้อย่างหลากหลายไม่มีข้อจำกัดด้านรูปร่าง ความยากง่ายและความซับซ้อนในกระบวนการผลิต แต่มีข้อด้อยคือยังไม่สามารถหาวัสดุในการพิมพ์มาทดแทนเพื่อให้สามารถผลิตชิ้นงานให้มีคุณสมบัติเทียบเท่าของจริงได้ร้อยเปอร์เซ็นต์ เช่น ชิ้นส่วน อวัยวะมนุษย์ หรือชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่เป็นโลหะที่มีความแข็งแรง และทนทานเป็นพิเศษ

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

บรรณานุกรม

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

งานออกแบบขาเทียม. สืบค้นเมื่อ 21 พฤศจิกายน 2559, จาก https://3dprint.com/56182/goose-3d-printed-leg.

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

ตัวอย่างภาพผลิตภัณฑ์. สืบค้นเมื่อ 15 พฤศจิกายน 2559. จาก http:/www.108cnc.com/index.php?ay-show&ac=article&ld=5393396921.

เทคโนโลยีงานพิมพ์สามมิติ. สืบค้นเมื่อ 22 พฤศจิกายน 2559, จาก http://www.vcharkarn.com/varticle/57825.

ภาพกระบวนการพิมพ์สามมิติ. สืบค้นเมื่อ 22 พฤศจิกายน 2559, จาก http:/www.applicadthai.com/articles/article-3dprinter/professional-3d-printer-vs-home-use-3d-printer-เลือกใช้อย่างไรดี/.

ภาพเครื่องพิมพ์สามมิติ. สี่บค้นเมื่อ 14 พฤศจิกายน 2559, จาก http:/www.print3dd.com/3d-printer/.

Applicadthai. สืบค้นเมื่อ 22 พฤศจิกายน 2559, จาก http:/www.applicadthai.com/articles/.