เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติและอุปกรณ์การผลิตวัสดุ

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติมีต้นกำเนิดในช่วงทศวรรษ 1990 เนื่องจากหลักการขึ้นรูปโดยการวางวัสดุทีละชั้นแบบพิเศษ ทำให้สามารถขึ้นรูปชิ้นส่วนโครงสร้างที่ซับซ้อนได้อย่างรวดเร็วและครบวงจร จึงได้รับการยกย่องว่าเป็นเทคโนโลยีที่พลิกโฉมวงการผลิต การพิมพ์ 3 มิติเป็นที่รู้จักในเชิงวิชาการในชื่อการผลิตต้นแบบอย่างรวดเร็ว (Rapid Prototyping Manufacturing: RPM) ส่วนการแบ่งย่อยทางเทคนิคของกระบวนการผลิตนี้เรียกว่าการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing: AM)

หลักการของการพิมพ์ 3 มิติ

การพิมพ์ 3 มิติเป็นเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วชนิดหนึ่ง โดยใช้ไฟล์โมเดลดิจิทัล วัสดุผงโลหะหรือพลาสติก และวัสดุยึดติดอื่นๆ ในการสร้างวัตถุด้วยวิธีการพิมพ์ทีละชั้น หลักการพื้นฐานคือหลักการสะสมแบบไม่ต่อเนื่อง โดยจะกำหนดเส้นทาง ข้อจำกัด และวิธีการสะสมแบบไม่ต่อเนื่อง และ "ซ้อนทับ" วัสดุต่างๆ เพื่อสร้างวัตถุสามมิติผ่านการสะสม ขั้นตอนแรกคือ การสร้างโมเดล 3 มิติในระบบซอฟต์แวร์ CAD หรือการวัดข้อมูลพื้นผิวของชิ้นส่วนด้วยเครื่องมือวัด แล้วแปลงเป็นโมเดล 3 มิติ ขั้นตอนที่สองคือ การประมวลผลโมเดล CAD โดยการแบ่งโมเดล CAD ออกเป็นส่วนๆ ตามทิศทางที่กำหนด (โดยปกติคือทิศทาง Z) และแบ่งชั้นเป็นระนาบ จากนั้น ข้อมูลการแบ่งชั้นแบบไม่ต่อเนื่องจะถูกรวมเข้ากับข้อมูลพารามิเตอร์กระบวนการขึ้นรูป เพื่อแปลงเป็นรหัสควบคุมเชิงตัวเลขของเครื่องขึ้นรูป และขึ้นรูปชิ้นส่วนสามมิติโดยใช้ระบบ CAM พิเศษ เพื่อควบคุมวัสดุอย่างสม่ำเสมอและแม่นยำ

การเตรียมผงสำหรับการพิมพ์โลหะ 3 มิติ

เนื่องจากเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติโลหะต้องการวัสดุผงโลหะที่มีคุณภาพสูง จึงจำเป็นต้องมีคุณสมบัติที่เหมาะสม เช่น อนุภาคทรงกลมที่ดี การกระจายขนาดอนุภาคแคบ ปริมาณออกซิเจนต่ำ และความบริสุทธิ์สูง ดังนั้นอุปกรณ์การผลิตวัสดุผงจึงมีความต้องการที่สูงขึ้นเช่นกัน โดยหลักแล้วเทคโนโลยีการเตรียมผงโลหะสำหรับการพิมพ์ 3 มิติมีอยู่ 3 ประเภท ได้แก่ อุปกรณ์การผลิตผงโดยการพ่นด้วยอากาศ อุปกรณ์การผลิตผงโดยการพ่นด้วยพลาสมา และอุปกรณ์การผลิตผงโดยการพ่นด้วยพลาสมาความถี่วิทยุ

ในบรรดาเครื่องจักรเหล่านั้น เครื่องจักรผลิตผงละเอียดด้วยระบบพ่นละอองอากาศของ Hunan Tianji True Air ใช้เทคโนโลยีหลักที่มีประสิทธิภาพสูง [ระบบพ่นละอองก๊าซความเร็วเหนือเสียงแบบเชื่อมต่อแน่น] ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราคุณภาพของผงละเอียด ลดการใช้ลม และลดต้นทุนการผลิต ในขณะเดียวกันก็ติดตั้งระบบตรวจจับปริมาณออกซิเจนแบบออนไลน์เพื่อลดการเพิ่มขึ้นของออกซิเจน ซึ่งเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการผลิตผงละเอียดทรงกลมสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ

การพิมพ์ 3 มิติ หรือที่รู้จักกันในชื่อการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) เป็นคำที่ครอบคลุมกระบวนการพิมพ์ 3 มิติที่แตกต่างกันหลายอย่าง เทคโนโลยีเหล่านี้แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง แต่กระบวนการหลักนั้นเหมือนกัน ตัวอย่างเช่น การพิมพ์ 3 มิติทั้งหมดเริ่มต้นด้วยแบบจำลองดิจิทัล เนื่องจากเทคโนโลยีนี้เป็นแบบดิจิทัลโดยธรรมชาติ ชิ้นส่วนหรือผลิตภัณฑ์ได้รับการออกแบบครั้งแรกโดยใช้ซอฟต์แวร์ช่วยออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ (CAD) หรือไฟล์อิเล็กทรอนิกส์ที่ได้จากคลังชิ้นส่วนดิจิทัล จากนั้นไฟล์ออกแบบจะถูกแบ่งออกเป็นส่วนย่อยหรือชั้นสำหรับการพิมพ์ 3 มิติโดยซอฟต์แวร์เตรียมการสร้างพิเศษ ซึ่งจะสร้างคำสั่งเส้นทางให้เครื่องพิมพ์ 3 มิติปฏิบัติตาม ต่อไปคุณจะได้เรียนรู้ความแตกต่างระหว่างเทคโนโลยีเหล่านี้และการใช้งานทั่วไปของแต่ละเทคโนโลยี

ประเภทของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) สามารถแบ่งได้ตามผลิตภัณฑ์ที่ผลิตหรือประเภทของวัสดุที่ใช้ โดยองค์การมาตรฐานสากล (ISO) ได้จำแนกออกเป็นเจ็ดประเภทหลัก (แต่หมวดหมู่การพิมพ์ 3 มิติทั้งเจ็ดนี้ก็ยังไม่ครอบคลุมจำนวนเทคโนโลยีย่อยและเทคโนโลยีลูกผสมที่เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ)

● การอัดขึ้นรูปวัสดุ

● การลดพอลิเมอไรเซชัน

● การหลอมผงแป้ง

● การฉีดวัสดุ

● สเปรย์กาว

● การสะสมพลังงานแบบกำหนดทิศทาง

● การเคลือบแผ่น

การจำแนกประเภทการพิมพ์ 3 มิติ

สเตอริโอลิโทกราฟี (SLA) หรือที่รู้จักกันในชื่อสเตอริโอลิโทกราฟี ทำงานโดยอาศัยหลักการของการเกิดพอลิเมอไรเซชันด้วยแสงของเรซินไวแสงเหลว กล่าวคือ วัสดุเหลวจะเกิดพอลิเมอไรเซชันอย่างรวดเร็วภายใต้การฉายแสงอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่นและความเข้มเฉพาะ ทำให้วัสดุเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นของแข็ง โดยจะเติมเรซินไวแสงเหลวลงในถังของเหลว และใช้ลำแสงเลเซอร์สแกนไปบนพื้นผิวของเหลวภายใต้การทำงานของกระจกสะท้อนแสง ทำให้ของเหลวแข็งตัวในบริเวณที่ลำแสงสแกน เมื่อการสแกนชั้นหนึ่งเสร็จสิ้น บริเวณที่ไม่ได้รับแสงยังคงเป็นเรซินเหลว แท่นยกจะเคลื่อนลงมาเพื่อเคลือบชั้นที่เกิดขึ้น และใช้ใบมีดปาดพื้นผิวของเหลวเรซินที่มีความหนืดสูงให้เรียบ จากนั้นจึงสแกนชั้นถัดไป ชั้นที่แข็งตัวใหม่จะยึดติดกับชั้นก่อนหน้าอย่างแน่นหนา และทำเช่นนี้ไปเรื่อยๆ จนกว่าจะผลิตชิ้นส่วนทั้งหมดได้ และได้แบบจำลองสามมิติที่เป็นของแข็ง

เทคโนโลยีการผลิตแบบหลายชั้น (Layered Solid Manufacturing Technology: LOM) คือการขึ้นรูปชิ้นส่วนโดยใช้เลเซอร์ตัดและเชื่อมวัสดุบางๆ (เช่น กระดาษเคลือบด้านหลัง) หรือที่เรียกว่าการผลิตแบบลามิเนต กระบวนการคือ ขั้นแรกนำกระดาษที่เคลือบด้วยกาวร้อนมาติดเข้าด้วยกันโดยใช้ลูกกลิ้งความร้อน จากนั้นใช้เลเซอร์ตัดตามแบบจำลอง CAD ที่กำหนดชั้นไว้ โดยตัดกระดาษเป็นชั้นๆ ตามโครงร่างด้านในและด้านนอกของชิ้นส่วน แล้วจึงนำกระดาษชั้นใหม่มาวางทับด้านบน เชื่อมเข้าด้วยกันโดยใช้เครื่องอัดความร้อน แล้วจึงตัดด้วยเลเซอร์อีกครั้ง วิธีนี้มีลักษณะเด่นคือ อัตราการขึ้นรูปสูงและต้นทุนต่ำ

การเผาผนึกด้วยเลเซอร์ แบบเลือกจุด (Selective laser sintering หรือ SLS) คือการใช้ลำแสงเลเซอร์ให้ความร้อนแก่ผงวัสดุที่หลอมละลายได้หรือผงที่ไม่ใช่โลหะ (เช่น พาราฟิน พลาสติก ทรายเรซิน ไนลอน ฯลฯ) ทีละชั้นจนถึงอุณหภูมิการเผาผนึกและขึ้นรูปเป็นชิ้นงาน เมื่อการเผาผนึกชั้นแรกเสร็จสมบูรณ์ แท่นทำงานจะลดระดับความสูงลงเพื่อเริ่มการเผาผนึกชั้นถัดไป กระจายผงของชั้นถัดไป แล้วสแกนชั้นที่สอง ชั้นที่เผาผนึกใหม่จะยึดติดกับชั้นก่อนหน้าอย่างแน่นหนา และทำเช่นนี้ต่อไปเรื่อยๆ จนได้ชิ้นงานสามมิติที่เผาผนึกเสร็จสมบูรณ์ตามแบบจำลอง CAD

หลักการพื้นฐานของ FDM คือการควบคุมหัวฉีดความร้อนให้เคลื่อนที่ในระนาบ XY และทิศทาง Z ตามข้อมูลของรูปทรงหน้าตัด วัสดุเส้นลวด (เช่น เส้นลวดพลาสติก เส้นลวดพาราฟิน ฯลฯ) ถูกส่งไปยังหัวฉีดโดยกลไกการจ่ายลวด ถูกให้ความร้อนและหลอมละลายในหัวฉีด จากนั้นจึงเคลือบลงบนโต๊ะทำงานอย่างเลือกสรร ทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วเพื่อสร้างชั้นตามรูปทรงหน้าตัด โดยการซ้อนทับกันเป็นชั้นๆ จนกระทั่งกลายเป็นต้นแบบอย่างรวดเร็ว หลักการของกระบวนการขึ้นรูปนี้สามารถนำไปใช้ในการทำแม่พิมพ์ขี้ผึ้งสำหรับการหล่อแบบแม่นยำและแม่พิมพ์ตัวเมียสำหรับการหล่อได้ เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการพัฒนาการผลิตเชิงกลขนาดเล็ก

โอกาสและความท้าทาย

ปัจจุบัน อุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติ มุ่งเน้นไปที่อุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และสาขาอื่นๆ โดยขนาดของอุตสาหกรรมกำลังขยายตัวอย่างต่อเนื่อง และระดับเทคโนโลยีก็พัฒนาขึ้นอย่างต่อเนื่อง การสนับสนุนจากนโยบายที่เกี่ยวข้อง รวมถึงการลงทุนด้านการวิจัยและพัฒนาจำนวนมาก เงินทุนสนับสนุนด้านนวัตกรรม และนโยบายพิเศษต่างๆ ได้ส่งเสริมการพัฒนาของอุตสาหกรรมนี้ ในขณะเดียวกัน อุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติ ก็กำลังเผชิญกับความท้าทายหลายประการ เช่น ข้อจำกัดด้านวัสดุ กลไก และต้นทุน อุตสาหกรรมการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) อยู่ในจุดตัดระหว่างนวัตกรรมและการเปลี่ยนแปลงทางเศรษฐกิจ และอนาคตเต็มไปด้วยความท้าทายและโอกาส