ความแตกต่างระหว่าง เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ : FDM VS. SLA VS. SLS

3D PRINTING TECHNOLOGY: FDM VS. SLA VS. SLS

การผลิตด้วยวิธีเพิ่มเนื้อวัสดุ หรือที่เราเรียกว่า หรือที่เราเรียกกันว่าการพิมพ์สามมิติ ถือเป็นหนึ่งในขั้นตอนการผลิตที่ช่วยอย่างมากในเรื่องของการลดต้นทุน ประหยัดเวลาและอยู่เหนือข้อจำกัดต่าง ๆ ซึ่งดีต่อการพัฒนาผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ จากแค่คอนเซ็ปต์โมเดล กลายมาเป็นแม่พิมพ์สำหรับใช้งาน เช่น jigs fixtures หรืออุปกรณ์จับต่าง ๆ ไปถึงจนชิ้นงานที่ใช้ได้จริงในอุตสาหกรรมการผลิต ซึ่งนั่นเองทำให้วงการของ เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ โดดเด่นมาก เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่ให้โซลูชั่นอเนกประสงค์ที่ใช้ได้กับทุกวงการ

ช่วงหลายปีที่ผ่านมา เครื่องพิมพ์สามมิติที่สามารถพิมพ์ความละเอียดได้สูงถูกปล่อยมาในตลาดในราคาที่ถูกมากยิ่งขึ้น ใช้งานง่ายขึ้นแถมมีเสถียรภาพ จึงทำให้ปัจจุบันเทคโนโลยีนี้จึงเข้าถึงได้มากขึ้นในหลายๆธุรกิจ แต่ถึงอย่างนั้นการจะเลือกเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติที่เหมาะกับตัวคุณและธุรกิจของคุณกันก็ไม่ง่ายนัก

ในบทความนี้เราจะมาทำความเข้าใจกันอย่างลึกซึ้งว่าเทคโนโลยีแบบไหนเหมาะกับการใช้งานเช่นไร และวัสดุการพิมพ์อะไรบ้างที่ใช้ได้กับเทคโนโลยีเหล่านั้นบ้าง และเราควรมีอุปกรณ์เครื่องมือหรือต้องเรียนรู้อะไรก่อนการเริ่มใช้งาน และรวมถึงต้นทุนการผลิตในแต่ละเทคโนโลยี

เราจะมาดู 3 เทคโนโลยีหลัก ๆ ของ 3D Printing กัน

  1. FDM (Fused Deposition Modeling)
  2. SLA (Stereolithography)
  3. SLS (Selective Laser Sintering)

FDM หรือ Fused Deposition Modeling

เครื่องพิมพ์ 3 มิติ แบบ FDM เป็นเทคโนโลยีที่มีกลุ่มผู้ใช้งานกว้างมากตั้งแต่ในอุตสาหกรรม จนถึงใช้เพื่องานอดิเรกส่วนตัวเลย สร้างชิ้นงานโดยการหลอมละลายและฉีดเส้น thermoplastic ออกมาโดยที่หัวฉีดจะฉีดเส้นออกมาเป็นชั้นต่อชั้นบนฐานพิมพ์

เครื่องพิมพ์ที่ใชระบบ FDM ใช้ได้กับวัสดุ thermoplastics หลายชนิด เช่น ABS PLA และอื่น ๆ อีกมากมาย เทคนิค FDM นี้เหมาะที่สุดสำหรับการพิมพ์ โมเดลคอนเซ็ปต์ง่าย ๆ ชิ้นส่วนแม่พิมพ์ต่าง ๆ เช่น ชิ้นส่วนที่ใช้กับเครื่องจักรกล

ขอบคุณภาพจาก Markforged

ชิ้นงานจะเห็นชั้นของเลเยอร์ชัด และบางครั้งจะเห็นถึงการพิมพ์ที่บางไม่ครั้งไม่แม่นยำมากนักตรงส่วนที่ต้องการความซับซ้อน สามารถใช้วัสดุ support ละลายน้ำได้

FDM ให้ความละเอียด และความแม่นยำต่ำเมื่อเทียบกับการพิมพ์ด้วยเทคโนโลยีแบบ SLA หรือ SLS และไม่ใช่ตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับพิมพ์ชิ้นงานที่ต้องใช้ความประณีต หากต้องการชิ้นงานที่สวยและมีคุณภาพมากขึ้น เราสามารถใช้เคมีหรือการขัดเข้ามาช่วยได้ สำหรับเครื่องพิมพ์สามมิติแบบ FDM ระดับอุตสาหกรรม หรือ Industrial grade จะสามารถใช้ Soluble support หรือ support ที่สามารถละลายน้ำได้เพื่อลดปัญหาการแกะชิ้นงาน และช่วยให้สายวิศวกรรมที่ต้องใช้วัสดุแบบเส้นพลาสติกใช้งานได้กว้างมากขึ้นได้ เพียงแต่ราคาเครื่องก็สูงขึ้นตามไปด้วย

SLA หรือ Stereolithography

ถูกคิดค้นเมื่อปีคริสตศักราช 1980s เป็นการพิมพ์เทคโนโลยีแรกที่เกิดขึ้นเป็นอันดับแรกของโลก และยังคงเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความนิยมเป็นอย่างมากสำหรับกลุ่มผู้ใช้งานทุกอาชีพ เทคโนโลยี SLA จะใช้แสงเลเซอร์ในการฉายแสงกับน้ำเรซิ่น และขึ้นรูปเป็นพลาสติกแข็งได้ ขั้นตอนนี้เราเรียกว่า photopolymerization

ชิ้นงานที่ขึ้นรูปมาจาก SLA สังเกตว่ามีความละเอียดและความแม่นยำสูง มีดีเทล หรือรายละเอียดต่าง ๆ ชัดเจน พื้นผิวชิ้นงานเรียบเนียน สวย แต่ประโยชน์ของเทคโนโลยี SLA หลัก ๆ นั้นค่อนข้างอเนกประสงค์ วัสดุที่ใช้พิมพ์กับ SLA ถูกสร้างขึ้นมาอย่างสร้างสรรค์ด้วยหลาย ๆสูตร ทำให้สามารถใช้ได้หลากหลายวงการ ไม่ว่าจะเป็นด้านสายตา เครื่องจักรกล และความร้อน เพื่อให้ตรงกับกลุ่มผู้ใช้ทั่วไป ผู้ใช้ด้านวิศวกรรม และผู้ใช้เส้นพลาสติกระดับอุตสาหกรรม

ขอบคุณภาพจาก Markforged

งานที่พิมพ์มาจาก SLA ส่วนปลายจะมีความคม พื้นผิวจะเรียบเนียน จะเห็นเส้นบาง ๆ เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ภาพตัวอย่างชิ้นส่วนด้านบนเป็นชิ่้นงานที่พิมพ์จากเครื่องพิมพ์สามมิติ Form 2 เทคโนโลยี SLA แบรนด์ Formlabs

ถือเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับชิ้นงานแม่พิมพ์ที่ต้องการรายละเอียดสูง ทนต่อความร้อนเมื่อมีความหนาแน่นสูง และงานที่ต้องการพื้นผิวที่เรียบเนียน อย่างเช่น Molds Patterns หรือชิ้นส่วนเพื่อใช้งานต่าง ๆ เทคโนโลยี SLA ใช้กันอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมตั้งแต่วิศวกรรม และกลุ่มนักออกแบบผลิตภัณฑ์ ไปจนถึง กลุ่มทันตกรรม จิวเวอรี่ โมเดลและด้านการเรียนการสอน

SLS หรือ Selective Laser Sintering

ในอุตสหกรรมต่าง ๆ เครื่องพิมพ์สามมิติแบบ SLS เป็นการใช้แสงเลเซอร์แรงสูงหลอมเข้ากับเศษเล็ก ๆ น้อย ๆ ของผงพอลิเมอร์เข้าด้วยกัน เป็นเทคโนโลยีที่เป็นที่รู้จักกันมากที่สุดในกลุ่มของสายการผลิตด้วยวิธีเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) 

ส่วนผงที่ไม่หลอมเข้าด้วยกันจะช่วย support ขณะพิมพ์ และกำจัดส่วนที่เป็นโครงสร้าง support ออก ทำให้เทคโนโลยีนี้จะไม่มี support ซึ่งนั่นหมายถึงว่าการพิมพ์รูปทรงเรขาคณิตต่าง ๆ ที่มีความซับซ้อนนั้นสามารถทำได้ง่ายกับเทคโนโลยีเช่นนี้ รวมถึงฟีเจอร์ด้านในต่าง ๆ ทั้งส่วนที่เป็น undercuts ผนังกำแพงบาง ๆ และฟีตเจอร์ negative ต่าง ๆ ด้วย ชิ้นงานที่ผลิตจากเทคโนโลยี SLS printing จะมีลักษณะเกี่ยวกับวิศวกรรมเครื่องกลที่ดียอดเยี่ยม แข็งแรง และรวมรายละเอียดพวกงานฉีดขึ้นรูป (injection-molded) ได้ดี

ขอบคุณภาพจาก Markforged

งานจาก SLS จะมีพื้นผิวที่หยาบบาง ๆ แต่แทบจะมองไม่เห็นรายละเอียดเส้นเลย ภาพตัวอย่างนี้เป็นภาพชิ้นงานที่พิมพ์จากเครื่องพิมพ์สามมิติตั้งโต๊ะ Fuse 1 เทคโนโลยี SLS

วัสดุที่นิยมใช้มากกับเทคโนโลยีนี้คือ Nylon เนื่องจาก Nylon เป็นวัสดุยอดนิยมในกลุ่มของวิศวกรรมเกี่ยวกับพลาสติกทนความร้อนที่ให้คุณสมบัติด้านเครื่องจักกลดียอดเยี่ยม Nylon มีคุณสมบัติเบา แข็งแรง ยืดหยุ่น แต่มั่นคง ทนต่อแรงต้าน สารเคมี ความร้อย แสง UV น้ำ และความสกปรกได้ดี

การรวมเข้าด้วยกันของชิ้นงานที่ใช้ต้นทุนน้อยกับการผลิตจำนวนมาก และวัสดุเหล่านี้ทำให้เทคโนโลยี SLS เป็นทางเลือกที่นิยมมากที่สุดในกลุ่มของนักวิศวกร เพื่อพิมพ์แม่พิมพ์สำหรับใช้งานจริง นอกจากจะลดต้นทุนอย่างมีประสิทธิภาพ หรือหมายถึง การใช้ทรัพยากรได้คุ้มค่าและเหมาะสมแล้วในการทำ injection mold เรายังสามารถผลิตแบบจำกัดจำนวนหรือ bridge manufacturing ได้อีกด้วย

ตารางเปรียบเทียบเทคโนโลยี FDM SLA และ SLS

ในทุกๆ เทคโนโลยีแต่ละแบบ ไม่ว่าจะเปน FDM SLA หรือ SLS จะมีจุดแข็ง จุดอ่อนและความต้องการที่แตกต่างกันออกไป ตารางด้านล่างเป็นตารางสรุปลักษณะและข้อพิจารณาสำคัญ ๆ ของแต่ละ เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ

  Fused Deposition Modeling (FDM) Stereolithography (SLA) Selective Laser Sintering (SLS)
ความละเอียด ★★☆☆☆ ★★★★★ ★★★★☆
ความแม่นยำ ★★★★☆ ★★★★★ ★★★★★
ความเรียบของพื้นผิว ★★☆☆☆ ★★★★★ ★★★★☆
Throughput ★★★★☆ ★★★★☆ ★★★★★
ความสามารถในการออกแบบให้ซับซ้อน ★★★☆☆ ★★★★☆ ★★★★★
ใช้งานง่าย ★★★★★ ★★★★★ ★★★★☆
จุดแข็ง -รวดเร็ว

-เครื่องและวัสดุราคาประหยัด

-คุณภาพดีเยี่ยม

-พิมพ์ได้แม่นยำสูง

-พื้นผิวเรียบเนียน สวย

-ใช้กับวงการ functional ได้หลากหลาย

-ชิ้นงานมีความแข็งแรงในการใช้จริงสูง

-อิสระในการออกแบบมากกว่า

-ไม่มี support

จุดอ่อน -ความแม่นยำการพิมพ์ต่ำ

-ชิ้นไม่งานค่อยเก็บรายละเอียด

-มีข้อจำกัดในการออกแบบบ้าง

-ขนาดการพิมพ์ปานกลาง

-ไม่สามารถทนต่อความร้อนจากแสง UV ได้นานเกินไป

-พื้นผิวหยาบ

-มีวัสดุให้เลือกน้อย

การใช้งาน -ราคาประหยัด

-พิมพ์แม่พิมพ์แบบโมเดลคอนเซปต์ได้ดีและรวดเร็ว

-แม่พิมพ์ใช้กับงานจริงได้

-สามารถใช้ได้กับวงการทันตกรรม จิวเวอรี่ และหล่อแม่โมเดลพิมพ์ต่าง ๆ ได้

-แม่พิมพ์ใช้งานกับงานจริงได้ดี

-ผลิตแบบ short-run, bridge หรือแบบนำมาปรับแต่งทีหลังได้

ขนาดการพิมพ์ ได้สูงสุดที่ ~200 x 200 x 300 มม.

(สำหรับเครื่องพิมพ์แบบตั้งโต๊ะ)

ได้สูงสุดที่ 145 x 145 x 175 มม.

(สำหรับเครื่องพิมพ์แบบตั้งโต๊ะ)

ได้สูงสุดที่ 165 x 165 x 320 มม.

(สำหรับเครื่องพิมพ์แบบตั้งโต๊ะ)

วัสดุ เส้นพลาสติกทนความร้อนทั่วไป เช่น ABS PLA และอื่น ๆ น้ำเรซิ่นหลากหลายประเภท (thermosetting plastics)

– แบบทั่วไป (Standard),

-แบบทางวิศวกรรม (engineering) เช่น เรซิ่นที่มีความคล้าย ABS, PP ที่มีความยืดหยุ่น ทนความร้อน – แบบหล่อได้

– แบบใช้กับฟัน

– แบบทางการแพทย์ (biocompatible)

ผงทนความร้อนทางวิศวกรรม เช่น Nylon 11, Nylon 12 และ composite
การเรียนรู้ก่อนใช้เครื่อง เรียนรู้ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับการตั้งค่าเพื่อพิมพ์, ระบบปฎิบัติการเครื่องพิมพ์ วิธีปฎับัติเมื่อพิมพ์เสร็จ

และการบำรุงรักษาเครื่อง

เสียบปลั๊กและสามารถใช้เครื่องได้เลย และต้องเรียนรู้ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับการตั้งค่าเพื่อพิมพ์ ระบบปฏับัติการเครื่องพิมพ์ วิธีปฎับัติเมื่อพิมพ์เสร็จ

และการบำรุงรักษาเครื่องพิมพ์

เรียนรู้ข้อมูลเชิงปฎับัติเกี่ยวกับการตั้งค่าเพื่อพิมพ์ การบำรุงรักษา ระบบปฎับัติการเครื่อง และวิธีปฎับัติเมื่อพิมพ์เสร็จ
พื้นที่ในการวางเครื่อง สภาพแวดล้อมที่มีแอร์ ควรเลือกพื้นที่ที่อากาศถ่ายเทสะดวกสำหรับเครื่องพิมพ์ขนาดตั้งโต๊ะ เครื่องพิมพ์แบบตั้งโต๊ะเหมาะสำหรับวางไว้ใช้ในสภาพแวดล้อมของที่ทำงาน สภาพแวดล้อมของการทำงานที่มีพื้นที่ว่างในการวางเครื่องพอสมควร
อุปกรณ์เพิ่มเติมที่ต้องใช้ เครื่องมือเพื่อซัพพอร์ตระบบ เช่น เครื่องมือเพื่อแกะชิ้นงาน อุปกรณ์เพื่ออบชิ้นงาน เพื่อทำความสะอาดชิ้นงาน และเพื่อแกะชิ้นงาน อุปกรณ์ Post-processing สำหรับ ทำความสะอาดชิ้นงานให้สะอาด และนำวัสดุกลับคืนมาใช้งาน

ราคาและการคืนทุน

เมื่อคำนวนค้นทุนหรือราคา แน่นอนว่าจะคำนวน จากเพียงแค่อุปกรณ์เครื่องพิมพ์อย่างเดียวไม่ได้รวมค่าวัสดุและค่าแรงงาน ซึ่งก็มีผลต่อราคาต่อชิ้นงานด้วยเช่นกัน ทั้งนี้ทั้งนั้นขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งานและจำนวนที่ต้องการผลิตด้วย

ตารางเจาะลึกแยกตามเทคโนโลยี

  Fused Deposition Modeling (FDM) Stereolithography (SLA) Selective Laser Sintering (SLS)
ค่าเครื่องพิมพ์ ราคาปานกลาง เริ่มตั้งแต่ $2,000, และ industrial systems ราคาเริ่มต้น $15,000 เครื่องพิมพ์ที่ดี ๆ เลยราคาเริ่มต้นที่ $3,500 ส่วนเครื่องพิมพ์ที่พิมพ์พื้นที่ได้ใหญ่แบบ industrial machines ราคาเริ่มต้นที่$80,000 ระบบ Benchtop systems ราคาเริ่มที่ $10,000 ส่วนเครื่องพิมพ์แบบ industrial printers ราคาเริ่มต้นที่$100,000
ค่าวัสดุ ราคาเริ่มต้นประมาณ $50-$150/กิโล สำหรับวัสดุแบบทั่วไป และเพื่อวิศวกรรม และประมาณอีก$100-200/กิโล สำหรับวัสดุ support ราคาเริ่มต้นที่ $149-$200/ลิตร สำหรับเรซิ่นแบบทั่วไปและเรซิ่นเพื่ออุตสาหกรรมวิศวกรรม ราคาที่ $100/กิโล สำหรับผงไนลอน เนื่องจากเทคโนโลยีแบบ SLS พิมพ์ไม่มี  support และผงที่ใช้พิมพ์สามารถนำกลับมาใช้อีกได้ ทำให้ค่าวัสดุนั้นต่ำลงไปอีก
ค่าแรง ค่าช่างแกะชิ้นงาน

สำหรับขั้นตอนแกะชิ้น

ขั้นตอนการแกะที่ใช้เวลานาน นั้นสำคัญมากหากต้องการให้ได้ชิ้นงานที่สวยและมีคุณภาพสูง

ล้างและแกะชิ้นงาน (สองขั้นตอนนี้สามารถทำเป็นแบบอัตโนมัติได้) การแกะชิ้นงานสำหรับเทคโนโลยีนี้ง่ายมาก เพียงแค่แกะ support ออก ง่าย ๆ เพียงทำความสะอาดหรือนำเอาผงส่วนที่เกินมาออกไป