ความรู้การใช้งาน เครื่องพิมพ์ 3 มิติ

เครื่องพิมพ์ 3 มิติ คืออะไร?

เครื่องพิมพ์ 3 มิติ คือเครื่องปริ้นกระดาษ 2D ที่ใช้งานทั่วไปภายในออฟฟิศหรอ??

ไม่ใช่นะครับ! หลายๆคนอาจจะยังเข้าใจผิดเกี่ยวกับ เครื่องพิมพ์ 3 มิติ วันนี้เราจะมาให้ความรู้เกี่ยวกับเครื่องพิมพ์สามมิติ อีกสักรอบแบบเข้าใจง่าย รวมถึงยกตัวอย่างเครื่องพิมพ์ในแต่ละเทคโนโลยีและตัวอย่างการใช้งานจากบริษัทชั้นนำ 3D Printer

การใช้ เครื่องพิมพ์ 3 มิติ ในการพิมพ์ชิ้นงานคือการใช้เทคโนโลยีการเพิ่มเนื้อวัสดุ หรือ Additive Manufacturing (AM) ซึ่งการเติมเนื้อชิ้นงานจะแตกต่างจากการตัดเนื้อชิ้นงานออก หรือ Subtractive Manufacturing (CNC) ที่ใช้กันตามสายการผลิตทั่วไปโดยต้องสั่งทำทีละจำนวนมาก และใช้เวลาในการทำนาน 

ข้อดีของการเพิ่มเนื้อชิ้นงานหรือการปริ้น 3 มิติ คือให้รายละเอียดได้มากกว่า สามารถออกแบบได้หลากหลายกว่า ใช้ต้นทุนในการผลิตที่น้อยกว่าและประหยัดพื้นที่ในการเก็บวัตถุดิบในการผลิต แต่นอกจากข้อดีแล้วก็ยังมีข้อเสียอยู่ด้วยคือเมื่อเริ่มการพิมพ์แล้วจะไม่สามารถหยุดพิมพ์กลางคันได้เนื่องจากวัตถุดิบแต่ละชนิดคุณสมบัติแตกต่างกัน เมื่อหยุดพิมพ์แล้วกลับมาพิมพ์ต่อทำให้ชิ้นงานไม่มีความแข็งแรงเสมอกันและทำให้ชิ้นงานเกิดความเสียหายได้ 

การปริ้น 3 มิติ ในปัจจุบันยังใช้เวลาในการพิมพ์นานจึงต้องวางแผนในการพิมพ์ให้เหมาะสม และสุดท้ายคือต้นทุนในการผลิตต่อชิ้นเท่ากันหมด ไม่ว่าจะ 1 ชิ้นหรือ 100 ชิ้น แม้ว่าจะมีต้นทุนถูกลงแต่ก็ยังไม่เหมาะการผลิตในจำนวนมากระดับอุตสหกรรม เพราะว่า ข้อจำกัดทางด้านเวลาในการผลิตและต้นทุน เหมาะสำหรับการทำต้นแบบ งาน customize หรืองานผลิตที่ต้องการจำนวนไม่มาก

ในการผลิตระดับอุตสหกรรม ถึงอย่างนั้น เครื่องพิมพ์ 3 มิติ หรือเทคโนโลยีการเพิ่มเนื้อวัสดุก็ให้ความพิเศษในด้านการออกแบบ รวมถึงการสร้างงานที่เฉพาะเจาะจง หรือมีเอกลักษณ์ขึ้นมาได้ สามารถสร้างงานเพียงชั่วข้ามคืนหรือน้อยกว่า ขึ้นอยู่กับการออกแบบชิ้นงาน จึงเรียกได้ว่าเป็นเทคโนโลยีแห่งอนาคตอย่างแท้จริง

Additive Manufacturing (AM) หรือ เทคโนโลยี เครื่องพิมพ์ 3 มิติ นั้นสามารถแบ่งหัวข้อหลักๆออกได้เป็น 7 หัวข้อใหญ่ คือ 

1. การฉีดวัสดุผ่านหัวฉีด (Material Extrusion)

การฉีดวัสดุผ่านหัวฉีดเป็นเทคโนโลยีที่มีการใช้งานได้หลากหลายมากที่สุดในกลุ่ม เครื่องพิมพ์ 3 มิติ ทั้งหมด ด้วยหลักการฉีดวัสดุกึ่งเหลวผ่านหัวฉีดออกมาเพื่อสร้างวัสดุทีละชั้น โดยวัสดุที่ได้รับความนิยมในการฉีดผ่านหัวฉีดมากที่สุดคือ เทอร์โมพลาสติก

บริษัท Stratasys เป็นผู้ตั้งชื่อการฉีดวัสดุประเภทเทอร์โมพลาสติกว่า FDM                   (Fused Deposition Modeling) และเป็นเจ้าของเครื่องหมายการค้าชื่อ FDM สำหรับเทคโนโลยีนี้ ซึ่งถูกนำไปเรียกการฉีดเทอร์โมพลาสติก และต่อมากลับกลายเป็นการฉีดวัสดุใดๆ ผ่านหัวฉีด

1.1 Fused Filament Fabrication (FFF) หรือ Fused Deposition Modeling (FDM)  เทคโนโลยีนี้คือการขึ้นรูปวัสดุพลาสติกด้วยความร้อน เทคโนโลยีนี้เป็นที่นิยม         และใช้กันอย่างแพร่หลาย เพราะทำงานได้รวดเร็ว มีต้นทุนที่ถูก มีขนาดและราคาของเครื่องพิมพ์ที่หลากหลายสามารถเลือกได้ตามความเหมาะสมของงาน และงบประมาณของแต่ธุรกิจ

     FFF หรือ FDM เป็นการพิมพ์ที่เริ่มต้นมาจากวัสดุที่ทำมาเป็นเส้นยาวๆ เรียกว่า Filament (ม้วนเส้นวัตถุดิบ)  ถูกดึงออกจากม้วนป้อนเข้าสู่ส่วนทำความร้อน เพื่อหลอมวัสดุให้ละลาย จากนั้นจะถูกฉีดออกมาจากหัวพิมพ์ ซึ่งจะลากไปตามแบบที่เราได้เป็นคนกำหนดไว้ ในขณะที่วัสดุถูกฉีดออกมาเป็นชั้นๆ มันจะเย็นตัวลงเพื่อรองรับวัสดุชั้นต่อไปจนกระทั่งเสร็จชิ้นงาน

• เครื่องพิมพ์ 3 มิติ ที่ใช้ระบบ FFF หรือ FDM คือ 

Ultimaker รุ่น 2+ Connect , S3 , S5 , 3 Extended

Zortrax รุ่น M200 plus , M300 plus

Blackbelt

Flshforge รุ่น Finder , Advanturer 3 , Advanturer 4 , Dreamer , Guider, Creater เป็นต้น

วัสดุที่ใช้ใน การปริ้น

ABS (Acrylonitrile butadiene styrene)  คุณสมบัติคือแข็งแรง เหนียว ทนแรงกระแทก ทนความร้อนได้ถึง 80 องศาเซลเซียส และ ความเย็นถึง -20 องศาเซลเซียส

PLA (Polylactic Acid) คุณสมบัติคือแข็งแรง พิมพ์ได้ง่าย ไม่หดตัวระหว่างการพิมพ์ แต่เปราะเหมือนแก้ว ไม่ทนต่อแรงกระแทก

PETG (Polyethylene Terephthalate) ส่วนตัว G ด้านหลังเพิ่มมาจากการเติม ไกลคอล (Glycol) เพื่อให้เกิดความใส คุณสมบัติคือ มีความใส เหนียว ทนทานต่อการฉีกขาด มีการยึดเกาะระหว่างพลาสติกดีมาก ทนความร้อนได้ถึง 80 องศาเซลเซียส เป็นวัสดุที่ปลอดภัยอาจจะไม่มีตรา Foodgrade แต่สารพิษน้อยกว่าเส้นพลาสติกทั่วไปอย่างแน่นอน

CPE (Co-Polyester) คุณสมบัติคือเหนียว มีความมันวาว สามารถบิดงอได้ เหมาะสำหรับ    งานวิศวกรรม เป็นวัสดุที่ได้การพัฒนาต่อมาจาก PET และ PETG                 

TPE หรือ TPU (Flexible filament) คุณสมบัติคือมีความยืดหยุ่นสูง เหนียว หดตัวน้อย ทนต่อการขัดสี เหมาะสำหรับงานห่อหุ้ม กันกระแทก หรือ พื้นรองเท้า เป็นต้น แต่มีข้อเสียคือ ต้องปรับตั้งมอเตอร์ดันเส้น ให้เหมาะสมกับความนิ่มของตัวเส้น ต้องพิมพ์ช้าๆ และมีราคาสูง              

PA หรือ Nylon (Polymide) คุณสมบัติคือมีความยืดหยุ่นแต่แข็งแรง ไม่แตกหักเวลาบิดหรืองอ รับแรงกระแทกได้ดี ทนต่อสารเคมี เหมาะสำหรับพิมพ์ชิ้นส่วนเครื่องกล           

ถึงเส้นชนิดนี้จะมีข้อดีในเกือบทุกๆด้าน แต่ข้อเสียของตัว Nylon คือ มีความสามารถในการดูดความชื้นที่ดีมาก และถ้าตัวเส้นมีความชื้นจะทำให้พิมพ์ได้ยาก การแก้ปัญหาคือ ต้องเก็บวัสดุ   ที่จะใช้พิมพ์ไว้ในกล่องสูญญากาศ เพื่อไม่ให้ตัววัสดุนั้นโดนความชื้น  

Composite คือ เส้นพลาสติกที่มีการผสมวัสดุบางสิ่ง ที่ไม่ใช่สารเคมีลงไปเพื่อทำให้เส้นพลาสติกมีความหลากหลายมายิ่งขึ้น  เช่นเอาไนลอนผสมกับผงคาร์บอนก็จะได้ความแข็งมากขึ้น  ไนลอนสามารถงอได้แต่พอผสมผงคาร์บอนเข้าไปทำให้งอได้น้อยลงแต่จะได้ความแข็งแรงมากขึ้นกว่าตอนไม่ผสม

เส้นนี้มีข้อเสียคือ ต้องใช้หัวพิมพ์ ขนาด 0.5 มิลลิเมตรขึ้นไป และเป็นหัวพิมพ์แบบชุบแข็ง เพราะตัวผงที่ผสมอยู่ในตัววัสดุที่ใช้พิมพ์ อาจจะไปขูดขีด หรือทำให้หัวพิมพ์ตันได้ 

เปรียบเทียบความแข็งแรงระหว่าง Fiberglass Onyx, Onyx, ABS, PLA, Stiff

เปรียบเทียบความแข็งแรงระหว่าง Carbon Fiber Reinforced Onyx and Aluminum

Support Material คือ โครงสร้างที่เครื่องพิมพ์สามมิติ สร้างขึ้นมาเพื่อช่วย “ค้ำยัน” ชิ้นงานของเราในกรณีที่ชิ้นงานมีส่วนที่ยื่นออกมากลางอากาศ (overhang)

โดยธรรมชาติของ เครื่องพิมพ์ 3 มิติ แบบ FDM , FFF นั้น หากชิ้นงานมีส่วนที่ลอยตัว หรือที่มีองศาชันเกินไป พลาสติกที่ฉีดออกมาจะไม่มีอะไรรองรับอยู่ข้างล่าง ทำให้เส้นพลาสติกย้วยลงตามแรงโน้มถ่วง และผิวชิ้นงานจะไม่เรียบ ทางแก้ก็คือพิมพ์ support ไปพร้อมกับการพิมพ์ชิ้นงาน เพื่อรองรับส่วนที่ลอยตัว ซึ่งการพิมพ์ support ทำได้สองแบบดังนี้ครับ

การพิมพ์ Support แบบใช้หัวฉีดเดียว

เป็นการพิมพ์ support ด้วยวัสดุเดียวกันกับวัสดุที่พิมพ์ชิ้นงาน เช่นหากใช้ PLA ก็พิมพ์ทั้งชิ้นงานและ support ด้วย PLA จากหัวฉีดเดียวกันไปเลย เมื่อพิมพ์เสร็จแล้วก็สามารถใช้มือแกะ support ออกได้

ข้อดีก็คือสะดวก ไม่ต้องใช้เครื่องพิมพ์แบบสองหัวฉีด และไม่ต้องใช้วัสดุเพิ่มเติม อย่าง HIPS หรือ PVA จึงไม่ต้องมานั่งรอ support ละลาย ส่วนข้อเสียคือผิวของชิ้นงานจุดที่แตะกับ support อาจจะเป็นรอยขรุขระได้ อาจต้องนำมาขัดแต่งภายหลัง 

การพิมพ์ Support แบบใช้สองหัวฉีด                                                                                 วิธีนี้ใช้ได้กับเครื่องพิมพ์ที่มีสองหัวฉีดเท่านั้น หลักการคือทั้งสองหัวฉีดทำงานสลับกัน หัวฉีดนึงจะพิมพ์ตัวชิ้นงานด้วยวัสดุหลัก (เช่น ABS หรือ PLA) และอีกหัวฉีดจะพิมพ์วัสดุ support ซึ่งมีสองชนิดหลักๆคือ HIPS (High Impact Polystyrene) และ PVA         (Polyvinyl Acetate)

เมื่อพิมพ์เสร็จแล้วสามารถนำชิ้นงานไปแช่ในน้ำยาเพื่อทำการละลาย support material ทิ้ง เหลือไว้แต่ชิ้นงานที่ต้องการ โดย HIPS จะละลายได้ใน limonene(สารเคมีที่ใช้ทำสบู่ น้ำหอม มีกลิ่นส้ม) ส่วน PVA สามารถละลายได้ในน้ำเปล่า                  

ข้อดีของวิธีนี้คือสามารถได้พื้นผิวชิ้นงานที่เรียบเนียนกว่าวิธีแรก สามารถพิมพ์ชิ้นงานที่ซับซ้อนได้ง่ายกว่า

เสียคือใช้เวลามากกว่า เนื่องจากมีสองหัวฉีดที่ต้องทำงานสลับกัน และใช้วัสดุ support และสารละลายเพิ่มเติมซึ่งมีราคาแพง (โดยเฉพาะ PVA และ limonene) นอกจากนี้การละลายวัสดุ support ยังใช้เวลานานอีกด้วย อาจใช้เวลาหลายชั่วโมงหรือเป็นวันกว่าจะละลายได้ทั้งชิ้น

อ่านคุณสมบัติวัสดุอย่างละเอียดและลักษณะการใช้งานที่เหมาะสม

2. การทำให้วัสดุเหลวในอ่างแข็งด้วยแสง (Vat Photopolymerization)

เทคโนโลยีการฉายแสงลงในอ่าง เพื่อทำให้วัสดุเหลวแข็งตัวเป็นชิ้นงานปริ้น 3 มิติ เป็นอีกหนึ่งเทคโนโลยีการพิมพ์ที่มีอย่างกว้างขวาง และถูกใช้ผลิตสินค้ามาเป็นเวลานาน ได้แก่ SLA , DLP , CDLP โดยแต่ละเทคโนโลยีมีความหมายดังนี้

2.1 SLA (StereoLithographic Apparatus)                                                      

สเตริโอลิทโทรกราฟี่ เป็นเทคโนโลยีนี้เป็นต้นแบบของ เครื่องพิมพ์ 3 มิติ ด้วยการอาศัยการฉายลำแสงเลเซอร์เหนือม่วง (Ultraviolet Laser) ที่สะท้อนกับกระจกไปยังพลาสติกเหลวเพื่อกระตุ้นให้พลาสติกเหลวแข็งตัว เป็นรูปร่างที่คุณต้องการ ผ่านการควบคุมด้วยระบบคอมพิวเตอร์        

ข้อดีของการพิมพ์ชนิดนี้คือ มีพื้นผิวที่เรียบเนียน มีคุณภาพสูง เก็บรายละเอียดและลวดลายได้ดี

• เครื่องพิมพ์ที่ใช้ระบบ SLA คือ 

Formlabs รุ่น Form 3 , Form 3B , Form 3L , Form 3BL                                                  (รุ่นที่มีตัว B สามารถสร้างเป็นอุปกรณ์ทางการแพทย์ และ ทันตกรรมได้)

วัสดุที่ใช้ในการพิมพ์

น้ำเรซิ่นทั่วไป (Standard Resin)  เรซินชนิดนี้จะสามารถสร้างความแข็งให้กับชิ้นงาน เวลาพิมพ์จะได้ความละเอียดสูง มีผิวเรียบเนียนเหมือนการฉีดขึ้นรูป โดยไม่สูญเสียความแข็งแรง ด้วยประสิทธิภาพที่โดดเด่นแถมยังให้รายละเอียดได้ยอดเยี่ยม ต้นทุนต่ำ ทำให้เรซิ่นเหมาะสำหรับการใช้พิมพ์งานต้นแบบ

เรซิ่นมีหลายสีให้เลือกใช้ สีของเรซินส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติของชิ้นงาน ตัวอย่างเช่นเรซิ่นสีเทา เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่มีรายละเอียดดี และเรซิ่นสีขาว เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องการพื้นผิวเรียบมาก 

ข้อเสียของเรซิ่นคือ มีการยืดตัวที่ต่ำ ทนแรงกระแทกได้น้อย เกิดการผิดรูปจากความร้อนได้                                              

Tough resin เป็นเรซิ่นชนิดที่มีความแกร่งคล้ายกับวัสดุ ABS และยังได้รับการพัฒนาสำหรับการใช้งานที่ต้องการวัสดุที่สามารถทนต่อ stress และ strain สูง เป็นการสร้างความสมดุลให้กับความแข็งแรง และมีความสอดคล้อง ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการสร้างต้นแบบชิ้นส่วนที่ใช้งานได้

Tough resin จะใช้ผลิตชิ้นส่วนที่แข็งแรงทนทานต่อการแตกหัก และใช้งานเป็นต้นแบบ เช่น ตู้ที่มีข้อต่อแบบ snap-fit หรือต้นแบบที่แข็งแรงทนทาน 

Durable resin เป็นเรซิ่นที่ทนทานมาก ถือได้ว่าเป็นเรซิ่นทางวิศวกรรมก็ว่าได้ เหมาะกับเป็นวัสดุที่ทนต่อการสึกหรอและยืดหยุ่น เรซิ่นชนิดนี้มาพร้อมคุณสมบัติเชิงกลที่คล้ายกับโพลีโพรพิลีน (PP) Durable resin จึงสามารถผลิตชิ้นงานที่มีผิวเรียบ มันวาวและมีความต้านทานสูงต่อการเสียรูป

เรซินชนิดนี้สามารถใช้กับชิ้นส่วนที่ต้องการความยืดหยุ่นสูง แรงเสียดทานต่ำ Durable resin เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างต้นแบบสินค้าอุปโภคบริโภค, ตลับลูกปืน, บรรจุภัณฑ์ต่างๆ, Snap fits และ flexures รวมถึงผลิตภัณฑ์ต่างๆที่ต้องการให้มีความยืดหยุ่นเป็นพิเศษ                                                                                                                         

เรซินทนความร้อน (Heat Resistant Resin)  เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความเสถียรทางความร้อนสูง และทำงานที่ต้องอยู่ในอุณหภูมิสูง เรซินนี้สามารถทนอุณหภูมิการความร้อนได้ในช่วง              200 – 300 ° C และที่อุณหภูมิ 238 ° C ที่ 0.45 MPa

ใช้เพื่อพิมพ์รายละเอียดต้นแบบที่แม่นยำ พร้อมความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ซึ่งเหมาะสำหรับการผลิตติดตั้งที่ต้องทนความร้อน ต้นแบบแม่พิมพ์ อุปกรณ์การไหลของของเหลว เครื่องมือ และ thermoforming ต่างๆ          

Flexible resin เป็นวัสดุที่มีความคล้ายยางมาก ช่วยให้วิศวกรสามารถจำลองชิ้นส่วนยางที่อ่อนนุ่มมีการยืดตัวที่จุดขาดสูงมาก เหมาะสำหรับวัตถุที่จะถูกงอหรือถูกบีบอัด Flexible resin ใช้ผลิตพื้นรองเท้าหรือดอกยาง สำหรับชิ้นงานที่มีความยืดหยุ่น

นอกจากนี้ยังสามารถนำมาใช้เพื่อเพิ่มคุณสมบัติที่เหมาะกับการใช้งาน ให้กับความต้องการได้หลากหลาย เช่น บรรจุภัณฑ์ ตรายาง การสร้างต้นแบบที่สวมใส่ได้อย่างเช่นรองเท้า แต่คุณสมบัติเหล่านี้จะลดลงเมื่อโดนกับแสงแดดหรือแสง UV  

Ceramic filled resin หรือ Rigid Resin เป็นเรซิ่นที่มีการเสริมแรงด้วยแก้ว หรืออนุภาคเซรามิกอื่นๆ ส่งผลให้วัสดุมีพื้นผิวเรียบเนียน ทำให้มีความแข็งแกร่งสูง วัสดุนี้มีความทนทานต่อการเสียรูปสูง เหมาะสำหรับการพิมพ์ผนังหรือความหนาบางๆ ได้ดี          

แต่การทดสอบเนื้อสัมผัส (texture analysis) เป็นการทดสอบวัสดุพบว่าความต้านทานต่อการเสียรูปต่ำเมื่อเวลาผ่านไป แต่ยังคงสูงกว่าเรซิน SLA อื่นๆ มีความเปราะมากกว่า Tough resins และ Durable resins 

Rigid Resin มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี และทนความร้อนได้ สามารถทนอุณหภูมิการดัดงอเนื่องจากความร้อนถึง 88°C ใช้สำหรับผลิตเป็นใบพัด , กังหัน , พัดลม , อุปกรณ์จับยึด เป็นต้น

น้ำเรซิ่งสำหรับหล่อ (Direct Cast Rasin) เมื่อแข็งตัวแล้วมีลักษณะคล้ายขี้ผึ้ง เมื่อโดนความร้อนสามารถระเหยหายไปได้โดยไม่ทิ้งตะกอนไว้ เหมาะกับงานสร้างตัวแบบเครื่องประดับ

• Support Material

  ถือเป็นข้อดีของเครื่องพิมพ์ระบบ SLA ที่ตัวเครื่องสามารถพิมพ์ตัว Support ไปพร้อมกับชิ้นงานได้เลย โดยไม่ต้องมีวัสดุแยกต่างหาก เหมือนกับเครื่องพิมพ์ระบบ FFF หรือ FDM 

  2.2  DLP (Digital Light Process)                                                                           ซึ่งใช้โปรเจคเตอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสง หลักการทำงานของเครื่องคือ “ฉายแสงเป็นภาพ”       ดังนั้น จึงขึ้นรูปในแต่ละชั้นโดยการฉายแสงเพียงครั้งเดียว ปกติแล้ว เครื่องแบบ DLP จะมีขนาดใหญ่กว่าเครื่องแบบ SLA เนื่องจากต้องมีพื้นที่ไว้วางเครื่อง Projector

แต่ข้อดีคือ เครื่องสามารถพิมพ์ได้รวดเร็วกว่าระบบ SLA เนื่องจากมีการฉายแสงเพียงครั้งเดียว ไม่ใช่วาดขึ้นมาเป็นรูป เหมือน SLA โดยที่ใช้วัสดุเดียวกัน กับเครื่องSLA แต่ข้อเสียอย่างเดียวคือ การเก็บรายละเอียดนั้นจะได้ไม่ดีเท่าเครื่องระบบ SLA 

2.3 CDLP (Continuous Digital Light Process)                                               ระบบนี้จะมีความคล้ายกับการทำงานของระบบ DLP แต่มีการเพิ่มระบบเติมออกซิเจนเข้าไปช่วยทำให้ตัวชิ้นงานแข็งตัวเร็วยิ่งขึ้น 

3. การพ่นกาว (Binder Jetting)

เครื่องพิมพ์ระบบพ่นกาวบนวัสดุผงนี้มีชื่อเรียกอีกชื่อหนึ่งว่า Zprinting มาจากชื่อบริษัท Z Corperation ซึ่งเป็นผู้พัฒนาระบบนี้ขึ้นมาและขายเครื่องพิมพ์ในชื่อว่า Zprinters และภายหลังได้เปลี่ยนเป็นชื่อใหม่คือ ColorJet Printing โดย 3D System ซึ่งเป็นผู้ซื้อกิจการต่อ 

การพ่นกาวเป็นเทคโนโลยีกลุ่มที่ใช้กาวยึดวัสดุที่เป็นผงเข้าหากัน กระบวนการนี้ ทำงานด้วยการเกลี่ยผงวัสดุให้เป็นชั้นบนแท่นสร้างชิ้นงาน จากนั้นหัวพิมพ์จะเคลื่อนผ่านผิวหน้าผงไป และเลือกฉีดพ่นกาวลงไปเพื่อสร้างเป็นชิ้นงาน

โดยกาวนี้จะจับยึดผงวัสดุให้เป็นรูปร่างที่ต้องการเป็นชั้นแรก และจะทำไปเป็นชั้นๆ ไปเรื่อยๆ จนได้ชิ้นงานที่ต้องการ เมื่อพิมพ์เสร็จแล้ววัสดุผงที่ไม่ได้ติดกาวจะถูกดูดแยกออก  รวมถึงส่วนที่อยู่รอบๆ ชิ้นงานก็สามารถนำกลับมาใช้ได้อีกด้วยระบบดูดสุญญากาศ

นอกจากนี้แล้วเครื่องพิมพ์แบบพ่นกาว ยังสามารถใช้พิมพ์ลงบนวัสดุอื่นๆ ได้แก่ การสร้างแบบหล่อทราย การผลิตชิ้นงานโลหะ การพิมพ์เซรามิก และการพิมพ์แก้ว

• วัสดุที่ใช้ในการพิมพ์ 

ผงยิปซัม

ทราย

 

4. การหลอมผงวัสดุ (Powder Bed Fusion)

การหลอมผงวัสดุเป็นเทคโนโลยีที่ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อลบข้อจำกัดของเทคโนโลยีการพ่นกาว  เนื่องจากการพ่นกาวมีข้อจำกัดเรื่องความหนาแน่นของเนื้อวัสดุ ที่มีโพรงอากาศขนาดเล็กแทรกอยู่ในเนื้องานพิมพ์ ซึ่งหากต้องการให้เนื้องานมีความแน่น และไม่มีโพรงอากาศอยู่ในงานพิมพ์

เทคโนโลยีการหลอมผงวัสดุที่จะยิงพลังงานความร้อนไปในบริเวณที่ต้องการผนึกไว้ แทนที่จะยิงกาวเข้าไป เพื่อให้ชิ้นงานติดกันได้แนบสนิทในจุดที่ได้รับความร้อน  โดยความร้อนที่ใช้ในเทคโนโลยีนี้ได้แก่ แสงเลเซอร์, อนุภาคอิเล็กตรอน และการเผาผนึกด้วยความร้อน (Selective Heat Sintering หรือ SHS)

4.1 SLS (Selective Laser Sintering)

ระบบนี้คือการหลอมผงวัสดุด้วยแสงเลเซอร์ กระบวนการเริ่มจากถาดที่ใส่ผงวัสดุ เครื่องจะเริ่มยิงเลเซอร์ความเข้มข้นสูงไปยัง ผงวัสดุในถาด เมื่อยิงไปยังตำแหน่งใดผงวัสดุจะหลวมรวมเป็นรูปร่างที่ตำแหน่งนั้นๆ

พอพิมพ์เสร็จในชั้นๆหนึ่งแล้ว เครื่องจะเกลี่ยผงวัสดุบางๆมาทับในชั้นต่อไปเพื่อเริ่มกระบวนการยิงเลเซอร์หลอมละลายใหม่ และทำไปซ้ำไปเรื่อยๆหลายร้อยหลายพันชั้นจนเกิดมาเป็นวัตถุที่ต้องการ SLS Printer

ระบบนี้มีข้อดีคือสามารถผลิตชิ้นงานออกมาเป็นโลหะหรือพลาสติกพิเศษ โดยใช้ผงของวัสดุนั้นได้เลยแต่เครื่องมีราคาที่สูงมาก

• เครื่องพิมพ์ 3 มิติ ที่ใช้ระบบ SLS คือ 

Formlabs รุ่น Fuse1 

EOS รุ่น P110 , P396 , P810 เป็นต้น

• วัสดุที่ใช้ในการพิมพ์

ผงNylon

ผงPolymer 

อ่านตัวอย่างชิ้นงานที่ผลิตจากวัสดุ Nylon 12 โดยเครื่อง Formlabs Fuse 1

4.2 SLM หรือ DMLS(Selective Laser Melting /Direct Metal Laser Sintering)

เครื่องระบบนี้จะคล้ายกับรบบ SLS แตกต่างกันที่ใช้วัสดุตั้งต้นเป็นผงโลหะเช่นผงไททาเนียม ผงสแตนเลส เป็นต้น ขึ้นรูปด้วยแสงเลเซอร์กำลังสูงทำให้ผงโลหะหลอมละลายเป็นรูปร่างตามที่ออกแบบไว้ ระบบนี้จะเป็นระบบที่แพงที่สุด

• เครื่องพิมพ์ที่ใช้ระบบ SLM คือ 

EOS รุ่น M100 , M290 , M300-4 , M400-4

4.3 MJF (Multi Jet Fusion)

เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ขึ้นรูปชิ้นงานจากวัสดุผงพลาสติกไนลอน สามารถสร้างชิ้นงานคุณภาพสูงโดยไม่ใช้ Support ให้คุณภาพชิ้นงานระดับมืออาชีพ เหมาะสำหรับผลิตชิ้นงานต้นแบบจนถึงชิ้นส่วนที่ใช้งานจริง 

 

4.4 EBM (Electron Beam Melting)

เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ ด้วยโลหะ มีหลักการทำงานเหมือน SLM คือขึ้นรูปชิ้นงานจากวัสดุผงทีละชั้น โดยใช้ลำแสงอิเล็กตรอน (EBM) เพื่อหลอมละลายโลหะ เนื่องจากโลหะมีจุดหลอมเหลวที่สูง จึงต้องใช้พลังงานสูงตามไปด้วย การพิมพ์ชิ้นงานโลหะแบบ EBM จำเป็นต้องพิมพ์ Support เพื่อยึดชิ้นงานกับฐานพิมพ์ และเพื่อระบายความร้อนจากการหลอมโลหะ

การพิมพ์ด้วยโลหะถือเป็นจุดสูงสุดของการพิมพ์สามมิติ มีการใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม High-tech สำหรับทำชิ้นงานที่มีมูลค่าสูง เช่นอวกาศยาน การบิน ยานยนต์ การแพทย์ การสร้างชิ้นงานโลหะด้วยการพิมพ์สามมิติ สามารถช่วยลดจำนวนชิ้นส่วน ลดความซับซ้อนและลดน้ำหนักของเครื่องจักรต่างๆ โดยเทคโนโลยีนี้ได้พัฒนาไปถึงจุดที่สามารถสร้างชิ้นงานโลหะที่มีความแข็งแรงเทียบเท่ากับชิ้นงานโลหะหล่อเลยทีเดียว

5. การพ่นวัสดุ (Material Jetting)

เทคโนโลยีการพ่นวัสดุโดยอาศัยหลักการพื้นฐาน ที่ทำให้ของเหลวแข็งตัว มีหัวพ่นหลายรูปแบบซึ่งมีการทำงานคล้ายกับเครื่องพิมพ์แบบอิงค์เจ็ทที่เรารู้จักกัน การทำงานของเครื่องพิมพ์นี้จะมีหัวพิมพ์ที่กวาดไปมาเหนือบริเวณที่ต้องการสร้างชิ้นงาน จากนั้นจะปล่อยแสงเหนือม่วง (Ultraviolet) เพื่อทำให้ของเหลวที่พ่นออกมานั้นแข็งตัว

วัสดุพลาสติกที่ใช้ในเทคโนโลยีนี้มีหลากหลายทั้งแข็ง อ่อนตัว ทึบแสง หรือโปร่งแสง นอกจากนี้ยังมีทั้งสารประกอบที่มีคุณสมบัติคล้าย ABS, Polypropylene, Polycarbonate และยาง โดยเครื่องพิมพ์นี้สามารถพ่นวัสดุหลายชนิดลงในชิ้นงานเดียวกันได้ ด้วยการสับเปลี่ยนวัสดุระหว่างการพิมพ์หรือการนำวัสดุที่แตกต่างกันมาผสมกันก่อนทำการพิมพ์

5.1 MJ (Material Jetting)

5.2 NPJ (Nanopartical Jetting)

5.3 DOD (Drop on Demand)

6. การเพิ่มวัสดุด้วยการฉายพลังงาน                                (Directed Energy Deposition)

DED เป็นเทคโนโลยีการเพิ่มวัสดุด้วยการฉายพลังงาน หรืออาจจะเรียกว่าเป็นการสร้างชิ้นงานด้วยแสงเลเซอร์และวัสดุผง (Laser Powder Forming) โดยผงโลหะจะถูกพ่นเข้าไปในลำแสงเลเซอร์กำลังสูงให้หลอมละลายเพื่อให้สะสมบนชิ้นงาน

เครื่องพิมพ์นี้สามารถใช้งานร่วมกับวัสดุที่หลากหลาย เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม ทองแดง อลูมิเนียม ไทเทเนียม เป็นต้น ในขณะที่เครื่องพิมพ์นี้ทำงานก็สามารถปรับปริมาณผงได้อย่างต่อเนื่อง โดยสามารถสร้างเป็นชิ้นงานที่มีคุณสมบัติพิเศษที่ไม่สามารถผลิตด้วยวิธีการอื่นๆ

กล่าวคือ เครื่องพิมพ์นี้ไม่ได้จำกัดการพิมพ์บนผิวระนาบเหมือนวิธีการอื่นๆ และสามารถนำไปใช้งานได้เลยเนื่องจากเนื้อของชิ้นงานมีเนื้อแน่น 100%

7. การยึดวัสดุแผ่นเข้าหากัน (Sheet Lamination)

นอกจากเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ ที่มีทั้งการฉีดวัสดุในสถานะกึ่งเหลว การกระตุ้นให้พลาสติกแข็งตัวด้วยแสง การพ่นกาว ยังมีอีกหนึ่งเทคโนโลยีการพิมพ์ที่น่าสนใจคือการยึดวัสดุแผ่นเข้าหากันด้วยการติดกาวบนวัสดุที่เป็นแผ่น เช่น กระดาษ พลาสติก อโลหะบางๆ เป็นต้น

กระบวนการทำงานจะส่งแผ่นวัสดุที่ด้านหลังถูกทากาวเอาไว้เข้าไปในแท่นพิมพ์ จากนั้นเลเซอร์ หรือมีดของเครื่องพิมพ์จะทำการตัดแผ่นวัสดุนี้ตามเส้นรอบรูป และจะทำซ้ำไปหลายรอบจนเกิดเป็นชิ้นงานพิมพ์

• เครื่องพิมพ์ที่ใช้ระบบนี้ คือ 

Mcor

Cleangreen 3D

 

• วัสดุที่ใช้

กระดาษ เป็นต้น

ตัวอย่างอุตสาหกรรมที่ใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ 

บริษัท Geo Globe ประเทศโปแลนด์  ใช้เครื่องพิมพ์สามมิติเพื่อผลิตเป็นถาดสำหรับการขนถ่ายชิ้นส่วนที่ผลิตเสร็จแล้ว ซึ่งเป็นส่วนสำคัญที่ช่วยให้การผลิตรวดเร็วมากยิ่งขึ้นเมื่อใช้ควบคู่กับระบบออโตเมชั่น โดยรวมการตั้งสายการผลิตใหม่ลดระยะเวลาไปได้มากถึงสามสัปดาห์จากสายการผลิตเดิม

Emtel ผู้ผลิตเครื่องมือทางการแพทย์ นำเครื่องปริ้น 3 มิติ มาผลิตเป็นแผงหน้าจอต้นแบบ เพื่อตรวจสอบขนาด และการใช้งานที่เหมาะสมจริง ก่อนที่จะเข้าสู่กระบวนการผลิตจำนวนมากโดยเครื่อง Injection Molding ซึ่งทางบริษัทกล่าวว่า ด้วยต้นทุนของการผลิตจำนวนมากที่ราคาสูง ไม่สามารถผิดพลาดได้

การขึ้นงานต้นแบบหรือ Prototype ขึ้นมาทดลองใช้จริงก่อน สามารถช่วยลดต้นทุนได้มหาศาล ระยะเวลาในการผลิตงานต้นแบบอยู่ที่ 5 วัน จากปกติ 25 วัน เมื่อใช้ Supplier ภายนอกบริษัท

AMS System เชี่ยวชาญในด้านการออกแบบและผลิตเครื่องจักรตามความต้องการลูกค้า ดังนั้นชิ้นส่วนต่างๆในบางครั้งจึงไม่ได้มีมาตรฐาน ต้องดัดแปลง หรือปรับปรุงอยู่ตลอดเวลา ดังนั้นเครื่องพิมพ์ 3D  จึงเป็นเครื่องมือประจำวันของฝ่ายออกแบบและผลิต ตัวอย่างผลิตภัณฑ์ที่ทางบริษัทฯนำมาใช้จริงคือ Housing สำหรับติดตั้งระบบไฟและเซ็นเซอร์ ซึ่งช่วยลดความผิดพลาด และระยะเวลาในการติดตั้งได้ดี

Bocar ผู้ผลิตรถดับเพลิง นำมาใช้สำหรับผลิตชิ้นส่วนต้นแบบ 1:1 ทั้งหมด เพื่อตรวจสอบการใช้งานจริง ความทนทาน รวมไปถึงความยาก-ง่ายในการประกอบชิ้นส่วนทั้งหมดเข้าด้วยกัน ซึ่งทางบริษัทให้ข้อมูลว่า ส่วนที่ยากที่สุดคือการออกแบบให้เหมาะสมกับความต้องการทั้งหมด ซึ่งค่อนข้างยากในการเริ่มต้น การมีชิ้นงานต้นแบบที่ลงทุนไม่มาก สามารถดัดแปลงได้ตลอดเวลา ช่วยให้ขั้นตอนนี้ผ่านไปได้ง่ายขึ้น

MB Aerospace ผู้ผลิตชิ้นส่วนเครื่องยนต์ในอากาศยานใช้เครื่องพิมพ์สามมิติมาผลิตเป็น Fixture ช่วยตรวจสอบชิ้นส่วนหลังผ่านกระบวนการ machining ด้วยเครื่อง CNC เพื่อลดข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้น ซึ่งสะดวกและง่ายกว่าไปขึ้นเครื่องวัดมาตรฐานที่มีต้นทุนสูง และใช้เวลานานกว่า

FAMUR Group ผลิตเครื่องจักรในอุตสาหกรรม ซึ่งมีรายการผลิตภัณฑ์จำนวนมาก บริษัทฯ ต้องการนำเสนอสินค้า เพื่อให้ลูกค้าเห็นรายได้ละเอียดได้ชัดเจน ไม่เฉพาะในคอมพิวเตอร์ หรือใบโฆษณา หรือเวลานำไปออกงานแสดงสินค้า ง่ายขึ้น โดยนำเครื่อง 3D Printer มาผลิตเป็น Mock Up ของเครื่องจักร ร่วมกับระบบ RFID ให้ลูกค้าดาว์นโหลดข้อมูลไปได้เลย ซึ่งเป็นกระบวนการที่ประหยัดและเห็นภาพได้ชัดเจนที่สุด โดยไม่ต้องคำนึงถึงต้นทุน หรือการขนส่งมากเท่าการยกเครื่องจริงๆไปโชว์

AGH Racing เป็นกลุ่มนัดศึกษาของ AGH University of Science and Technology  ประเทศโปแลนด์ ที่พัฒนารถแข่งฟอร์มูล่าขึ้นเอง เครื่อง 3D Printer ได้นำมาใช้ผลิตเป็นชิ้นส่วนของระบบบังคับเลี้ยว (Steering) ซึ่งแต่เดิมเป็นอลูมิเนียมผลิตด้วยการกัด (Milling) ซึ่งทางทีมต้องการลดน้ำหนักตัวรถให้มากที่สุด

โดยออกแบบโดยใช้หลัก Topology คือลดเนื้อในส่วนที่ไม่จำเป็นให้มากที่สุด ในขณะที่แข็งแรงพอกับการใช้งาน ซึ่งรูปร่างดังกล่าว ไม่สามารถผลิตด้วยวิธีเดิมได้ การออกแบบและผลิตดังกล่าวใช้เวลาเพียง 2 วันเท่านั้น

Pure Power Sources เป็นบริษัทผลิตตัว Die พลาสติก ที่ใช้ในสายการผลิต เพื่อใช้ในการตรวจสอบผลิตภัณฑ์ หรือเช็คคุณภาพชิ้นงาน ซึ่งปัจจุบันบริษัทได้ใช้เครื่องพิมพ์สามมิติ ในการผลิตชิ้นส่วนดังกล่าวทั้งหมด ก่อนหน้านั้นการแข่งขันในอุตสาหกรรม Die มีสูงมาก และบริษัทฯมีต้นทุนที่สูงกว่าคู่แข่งขัน ดังนั้นการประยุกต์ใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ นี้ สามารถช่วยให้บริษัทมีต้นทุนที่ต่ำลง และตอบสนองความต้องการของลูกค้าได้ดีมากขึ้น

FPVPolska บริษัทผู้ผลิตชิ้นส่วนของโดรน ซึ่งพัฒนากรอบภายนอกของตัวโดรนเพื่อป้องกันชิ้นส่วนภายใน ปัญหาคือความต้องการของผู้บริโภคไม่มากพอที่จะลงทุนด้วยการผลิตจำนวนมาก ดังนั้นทางบริษัทจึงใช้เครื่องปริ้น 3 มิติ ผลิตแทน โดยใช้วัสดุเป็นไนลอนผสมเส้นใยคาร์บอน ซึ่งมีความแข็งแรง ทนทานสูงมาก และยังน้ำหนักเบา นอกจากนี้ยังสามารถปรับแต่งตามความต้องการของลูกค้าได้อีกด้วย ไม่ว่าจะเพิ่มส่วนติดตั้งกล้อง ไฟ หรืออื่นๆเพิ่มเติม โดยใช้ต้นทุนไม่แตกต่างจากเดิม

Nike โดย Mark Parker ซีอีโอของ Nike ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่า เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติได้เพิ่มประสิทธิภาพในการทำงานแก่บริษัทเป็นอย่างมาก เมื่อเร็ว ๆ นี้ Nike ได้ผลิตรองเท้าแตะแบบพิมพ์ 3 มิติสำหรับ Super Bowl 2014

ซึ่งรองเท้ารุ้นก็คือ Nike Vapor Laser Talon ซึ่งมีแผ่นพิมพ์สามมิติ และที่ผูกเชือกที่ทำจากเทคโนโลยีหลอมผงวัสดุ อีกทั้งในรุ่น Vapor Carbon Elite ยังมีชิ้นส่วนที่ผลิตด้วยเครื่องพิมพ์สามมิติ นอกจากนี้ยังรวมถึงรุ่น Nike Vapor Laser Talon ซึ่งมีน้ำหนักเพียง 5.6 ออนซ์ซึ่งได้รับการออกแบบมาสำหรับนักฟุตบอลที่วิ่งตามระยะ 40 หลาบนสนามฟุตบอลอีกด้วย 

Hershey’s ได้ใช้เครื่องพิมพ์สามมิติ สำหรับการผลิตช็อกโกแลตและผลิตภัณฑ์ที่กินได้อื่น ๆ อีกด้วย โดยบริษัทกล่าวว่าความร่วมมือครั้งนี้เป็นวิธีที่ดีในการแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้เป็นกระแสหลักได้อย่างไร การพิมพ์อาหาร 3 มิตินั้นไม่ใช้เรื่องใหม่แต่อย่างใด

Gillette หนึ่งในแบรนด์ที่ได้ใช้การพิมพ์สามมิติ เพื่อมอบความเป็นส่วนตัวให้กับลูกค้ามากขึ้น ด้วยความร่วมมือกับ Formlabs Gillette ได้เปิดตัวแพลตฟอร์ม Razor Maker ™ ผ่านโปรแกรมนำร่องนี้ลูกค้าสามารถเลือกตัวเลือกการออกแบบจาก 48 ตัวเลือกเพื่อสั่งซื้อด้ามจับเครื่องโกนหนวดแบบกำหนดเองซึ่งจะผลิตโดยใช้เทคโนโลยี SLA

อ่านตัวอย่างอุตสาหกรรมที่ใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติจากแบรนด์ชั้นนำ