การพิมพ์ 3 มิติ
ลิงก์ข้ามภาษาในบทความนี้ มีไว้ให้ผู้อ่านและผู้ร่วมแก้ไขบทความศึกษาเพิ่มเติมโดยสะดวก เนื่องจากวิกิพีเดียภาษาไทยยังไม่มีบทความดังกล่าว กระนั้น ควรรีบสร้างเป็นบทความโดยเร็วที่สุด |
การพิมพ์ 3 มิติ (อังกฤษ: 3D Printing) คือ กระบวนการสร้างวัตถุสามมิติซึ่งมีขั้นตอนในลักษณะเดียวกันกับการพิมพ์โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อใช้ในการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว (rapid prototype) และการผลิตแบบเรียงชั้น (additive manufacturing) วัสดุจะถูกขึ้นรูปหรือวางเชื่อมต่อกันภายใต้การควบคุมของคอมพิวเตอร์ วัตถุสามมิตินี้สร้างขึ้นจากข้อมูลดิจิตอลของแบบจำลองคอมพิวเตอร์ ทั้งในรูปแบบข้อมูล3มิติ (3D model) หรือ ในรูปแบบชุดข้อมูล2มิติที่เรียงซ้อนเป็นชั้นๆ (sequential layers) ซึ่งทำให้สามารถขึ้นรูปได้เกือบทุกรูปทรง
หลักการทำงานของการพิมพ์ 3 มิติ
ก่อนที่จะพิมพ์งาน 3 มิติต้องมีการสร้างข้อมูล3 มิติในรูปแบบของดิจิตอล ที่สามารถนำไปใช้งานกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ จากการออกแบบร่วมกับการใช้ซอฟแวร์คอมพิวเตอร์ช่วยการออกแบบ (Computer Aided Design, CAD) นอกจากจะใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการออกแบบแล้ว ยังสามารถใช้ สแกนเนอร์ 3 มิติ ในการสร้างข้อมูลโดยการอ่านแบบวัตถุจริงที่นำมาทำสำเนา3 มิติได้ ไฟล์ดิจิตอลที่สามารถนำไปใช้งานกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติโดยทั่วไป คือ ไฟล์ STL
เมือได้แบบจำลองหรือชิ้นงาน3 มิติในรูปของไฟล์ดิจิตอลแล้ว ซอฟแวร์ของการพิมพ์ก็จะนำไฟล์นั้นไปทำการตัดออกมาให้เป็นชั้นในลักษณะแผ่นงาน 2 มิติ จำนวนชั้นหรือแผ่นงานขึ้นกับความละเอียดในการพิมพ์ เพื่อที่จะสั่งให้เครื่องพิมพ์พิมพ์ชุดแผ่นงานทับต่อกันเป็นชั้นๆ จนเกิดเป็นวัตถุ 3 มิติขึ้นมา หากยังนึกไม่ออกลองนึกถึง ก้อนขนมปังก้อนยาวๆ แล้วถูกหั่นเป็นแผ่นบางๆ ซึ่งถ้าเราเอาแผ่นบางๆ มาวางเรียงซ้อนกันแล้วทาแยม ลงระหว่างแผ่นขนมปัง ก็จะทำให้เกิดเป็นขนมปังก้อนยาว ก้อนเดียว ซึ่งตัวแยมนั้น ก็เปรียบเสมือนกาว ที่เอาไว้ยึดระว่างแผ่นขนมปัง
หลังการพิมพ์จะมีการตกแต่งผิวงาน ซึ่งหากการพิมพ์มีความละเอียดสูง และหรือ ลักษณะการนำงานพิมพ์ 3 มิติไปใช้อย่างเรียบง่าย อาจไม่มีความจำเป็นต้องตกแต่งผิวงาน แต่ทั้งนี้ในการพิมพ์ระบบฉีดเส้นวัสดุบางครั้งมีการใช้วัสดุรองรับ(support material) เพื่อรับน้ำหนักวัสดุพิมพ์ที่ยื่นออกมาในลักษณะนั่งร้าน ซึ่งจำเป็นต้องขจัดวัสดุรองรับออกก่อนการนำงานพิมพ์ไปใช้งาน ซึ่งวัสดุรองรับนั้นส่วนใหญ่จะเป็นวัสดุเดียวกันกับวัสดุที่ใช้พิมพ์ แต่มีเครื่องพิมพ์ 3 มิติบางรุ่นที่ใช้วัสดุอื่นๆ เพื่อเพิ่มความสามารถในการพิมพ์ให้ได้รูปร่างหลากหลายและสมบูรณ์ยิ่งขึ้น
หลักการทำงานเครื่องพิมพ์ 3 มิติ (3D Printer) ในปัจจุบันมี 2 รูปแบบคือ
การพิมพ์2มิติเรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ
ใช้หลักการเดียวกับการพิมพ์ 2มิติในแนวนอน แล้วนำมาต่อซ้อนกันเป็นชั้นๆ แต่ละชั้นที่พิมพ์คือภาพตัดขวาง (cross section) ของวัตถุนั้น เมื่อพิมพ์เสร็จในสองมิติในชั้นแรกแล้วเครื่องพิมพ์จะเลื่อนแท่นรับงานพิมพ์ขึ้นหรือลงในแนวตั้ง เพื่อพิมพ์ชั้นถัดไป จากนั้นการพิมพ์ซ้อนและเลื่อนแท่นรับงานลงในแนวตั้งที่ละชั้นอย่างต่อเนื่องจนออกมาเป็นรูปร่าง 3 มิติ
การพิมพ์3มิติโดยตรง
การพิมพ์ที่ไม่อาศัยการพิมพ์ซ้อนกันชั้นๆ อาจเป็นลักษณะการวาดขึ้นรูปวัสดุสามมิติด้วยมืออย่างอิสระ (3D pen)
ประเภทของการพิมพ์ 3มิติ
ปัจจุบันประเภทของการพิมพ์ 3มิติ แบ่งตามวัสดุและเทคโนโลยีการขึ้นรูปได้เป็น
| ประเภท | เทคโนโลยี | วัสดุ |
|---|---|---|
| ระบบฉีดเส้นวัสดุ (Extrusion) | Fused deposition modeling (FDM) or Fused filament fabrication (FFF) | เทอร์โมพลาสติก, วัสดุที่กินได้, ยาง, ดินปั้น |
| Robocasting or Direct Ink Writing (DIW) | วัสดุเซรามิก, โลหะผสม, วัสดุผสมเซรามิกโลหะ (cermet) | |
| Composite Filament Fabrication (CFF) | ไนลอน หรือไนลอนที่มีเส้นใยคาร์บอนเสริมแรง, เคฟลาร์, แก้ว | |
| ระบบเรซิ่น (Light polymerized) | Stereolithography (SLA) | พลาสติกพอลิเมอร์ไวแสง |
| Digital Light Processing (DLP) | พลาสติกพอลิเมอร์ไวแสง | |
| Continuous Liquid Interface Production (CLIP) | พลาสติกพอลิเมอร์ไวแสง | |
| ระบบผงวัสดุ (Powder Bed, Powder Fed) | Powder bed and inkjet head 3D printing (3DP) | โลหะผสม, ผงพอลิเมอร์, พลาสเตอร์ |
| Electron-beam melting (EBM) | โลหะผสม รวมทั้ง ไทเทเนียมอัลลอย | |
| Selective laser melting (SLM) | ไทเทเนียมอัลลอย, โครเมียมอัลลอย, เหล็กกล้าไร้สนิม, อะลูมิเนียม | |
| Selective heat sintering (SHS) | ผงเทอร์โมพลาสติก | |
| Selective laser sintering (SLS) | เทอร์โมพลาสติก, ผงโลหะ, ผงเซรามิก | |
| Direct metal laser sintering (DMLS) | โลหะผสม | |
| Directed Energy Deposition | โลหะผสม | |
| ระบบอัดลามิเนต (Laminated) | Laminated object manufacturing (LOM) | กระดาษ, แผ่นฟิล์มโลหะ, แผ่นฟิล์มพลาสติก |
ระบบฉีดเส้นวัสดุ
ระบบฉีดเส้นวัสดุ (extrusion deposition) ได้แก่ FDM (Fused Deposit Modeling) หรือ FFF (Fused Filament Fabrication) เป็นรูปแบบการพิมพ์ 3มิติ ที่นิยมใช้กันมากที่สุดในปัจจุบันเนื่องจากการใช้งานที่ง่าย มีหลักการทำงานคือ การหลอมเส้นวัสดุให้กลายเป็นของเหลวแล้วฉีดออกมาเป็นเส้นผ่านหัวฉีด (Nozzle) (ในลักษณะเดียวกับปืนกาวที่ใช้กันทั่วไป) หัวฉีดของเครื่องพิมพ์จะวาดเส้นพลาสติกที่ถูกฉีดออกมาเป็นรูปร่างในระนาบแนวนอน เมื่อเสร็จชั้นหนึ่งๆก็จะพิมพ์ในชั้นต่อๆไป (layers) จำนวนชั้นเป็นไปตามความสูงของแบบ และ ความละเอียดในการพิมพ์
พลาสติกเป็นวัสดุที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการพิมพ์ระบบนี้ ได้แก่ โพลีเอทิลีนอะครีโลไนไตรล์ (ABS), โพลีคาร์บอเนต (PC), โพลีคลอรีน (PLA), โพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE), PC / ABS polyphenylsulfone (PPSU) และโพลิสไตรีนรับแรงกระแทกสูง (HIPS) ทั้งนี้วัสดุรองรับต้องมีส่วนผสมที่ทำให้ละลายน้ำได้หรือสามารถแกะออกจากวัสดุพิมพ์ได้ง่าย
ระบบเรซิ่น
ระบบเรซิ่น หรือ ระบบถาดเรซิ่น ได้แก่ SLA (Stereolithography) หรือ DLP (Digital Light Processing) เป็นระบบที่ใช้การฉายแสงไปที่ตัววัสดุพอลิเมอร์ไวแสง (Photo Resin, Photopolymer)บรรจุในถาดที่เคลื่อนที่ขึ้นลงได้ เมื่อเรซิ่นถูกแสงจะแข็งตัวเฉพาะจุดที่โดนแสง จึงใช้หลักการแข็งตัวของเรซิ่นนี้ในการทำชิ้นงานให้เกิดรูปร่างขึ้นมา เมื่อทำให้เกิดรูปร่างขึ้นในชั้นหนึ่งๆแล้วเครื่องก็จะเริ่มทำให้แข็งเป็นรูปร่างในชั้นต่อๆไปโดยการเคลื่อนถาดลงไปทีละชั้น จนเกินเป็นชิ้นงานวัตถุที่จับต้องได้
ระบบผงวัสดุ
ระบบผงวัสดุ มีการพิมพ์ 2 รูปแบบคือ การพิมพ์ตัวยึดจับ (Binder) หรือ กาว ลงไปรวมผงวัสดุ เพื่อผสานยึดตัวเข้าด้วยกันเป็นรูปร่าง เมื่อสร้างเสร็จในชั้นหนึ่ง เครื่องพิมพ์จะเกลี่ยผงวัสดุมาทับเป็นชั้นบางๆในชั้นต่อไป ได้แก่ 3DP (Powder Bed and Inkjet Printer) เป็นระบบที่ใช้ผงยิปซั่ม+สี Ink Jet (Powder 3D Printer หรือ ColorJet Printing) เป็นระบบใช้ผงยิปซั่ม/ผงพลาสติก เป็นตัวกลางในการขึ้นชิ้นงาน โดยจะพิมพ์สีลงไปเป็นตัวยึดจับ
การพิมพ์ด้วยการหลอมผงวัสดุ SLS (Selective Laser Sintering) หรือ SLM (Selective Laser Melting) วัสดุที่ใช้ได้แก่ ผงเทอร์โมพลาสติก, ผงโลหะ, ผงเซรามิก เป็นรูปแบบการพิมพ์ที่มีหลักการทำงานคล้ายระบบ SLA ต่างกันตรงแทนที่จะทำให้เรซิ่นแข็งตัวโดยการฉายแสง SLS จะใช้ความร้อนจากการฉายแสงเพื่อหลอมละลายทำให้ผงวัสดุหลอมละลายเป็นเนื้อเดียวกัน
ระบบอัดลามิเนต
ระบบอัดลามิเนตไม่เป็นที่แพร่หลาย มีหลักการคือ ใช้การตัดรูปกระดาษเคลือบพลาสติก, แผ่นฟิล์มโลหะ หรือแผ่นฟิล์มพลาสติก ด้วยมีดหรือเครื่องตัดด้วยเลเซอร์และติดกาวต่อกันเป็นชั้นๆ วัตถุที่พิมพ์ด้วยเทคนิคนี้อาจได้รับการแก้ไขเพิ่มเติมโดยการตัดเฉือนหรือการเจาะหลังจากการพิมพ์
อ้างอิง
- Excell, Jon. "The rise of additive manufacturing". The engineer. สืบค้นเมื่อ 2013-10-30.
- . blueprinter. คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 2014-08-09. สืบค้นเมื่อ 2018-11-01.
- FDM is a proprietary term owned by Stratasys. All 3-D printers that are not Stratasys machines and use a fused filament process are referred to as or fused filament fabrication (FFF).