พิมพ์ 3D (3D Printing) คืออะไร? คู่มือครบครันสำหรับมือใหม่

การพิมพ์ 3D (3D Printing) เป็นกระบวนการผลิตที่สร้างวัตถุ 3 มิติ จริงธรรมชาติ จากไฟล์ดิจิทัล กระบวนการนี้เรียกว่า การผลิตแบบสร้างสรรค์ (Additive Manufacturing) หมายถึงการเพิ่มวัสดุเข้าไป ไม่ใช่การลบวัสดุออก (Subtractive Manufacturing)

ด้วยการพิมพ์ 3D คุณสร้างแบบร่าง 3 มิติในโปรแกรมสร้างโมเดล ที่รู้จักกันในชื่อ ซอฟต์แวร์ CAD จากนั้นใช้เครื่องพิมพ์ 3D ผลิตชั้นวัสดุทีละชั้น เพื่อสร้างวัตถุเสร็จสมบูรณ์ ธุรกิจ นักวิจัย ผู้เชี่ยวชาญทางการแพทย์ นักงานอดิเรก และอีกมากมาย ใช้การพิมพ์ 3D สำหรับการประยุกต์หลากหลาย

นี่คือภาพรวมของที่มาของการพิมพ์ 3D วิธีการทำงาน สิ่งที่นำไปใช้ และอนาคตของเทคโนโลยีนี้

ประวัติศาสตร์ (และอนาคต) ของการพิมพ์ 3D

ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 เทคโนโลยีการพิมพ์ 3D ปรากฏขึ้น แต่รู้จักในชื่อ เทคโนโลยีสร้างต้นแบบเร็ว (Rapid Prototyping / RP) ในปี 1980 ดร. โคดามะ (Dr. Kodama) ของญี่ปุ่นยื่นขอสิทธิบัตรสำหรับเทคโนโลยี RP แต่กระบวนการไม่สมบูรณ์

ในปี 1984 ชาร์ลส์ "ชัค" ฮัลล์ (Charles "Chuck" Hull) ประดิษฐ์กระบวนการที่เขาเรียกว่า Stereolithography (SLA) ใช้แสง UV เพื่อทำให้วัสดุแข็งตัวและสร้างวัตถุ 3 มิติทีละชั้น ในปี 1986 ฮัลล์ได้รับสิทธิบัตรสำหรับเครื่องจักร SLA ของเขา

กระบวนการและเทคโนโลยีการพิมพ์ 3D อื่นๆ กำลังพัฒนาพร้อมกันในช่วงเวลาเดียวกัน และการปรับปรุงต่อเนื่องตลอดทศวรรษ 1990 และต้น 2000 ยังคงดำเนินไป อย่างไรก็ตาม จุดมุ่งหมายหลักของเทคโนโลยีพิมพ์ 3D ยังคงเป็นการสร้างต้นแบบและแอปพลิเคชันอุตสาหกรรม

เทคโนโลยีพิมพ์ 3D เริ่มได้รับความสนใจจากสื่อมวลชนในปี 2000 เมื่อไตพิมพ์ 3D ตัวแรกถูกสร้างขึ้น แม้การปลูกถ่ายไตพิมพ์ 3D ที่สำเร็จไม่ได้เกิดขึ้นจนถึงปี 2013 ในปี 2004 โครงการ RepRap มีเครื่องพิมพ์ 3D พิมพ์เครื่องพิมพ์ 3D อีกเครื่องหนึ่งออกมา สื่อสนใจเพิ่มขึ้นในปี 2008 ด้วยขาเทียมพิมพ์ 3D ตัวแรก

ความก้าวหน้าด้าน 3D อื่นๆ ตามมาอย่างรวดเร็ว รวมถึงบ้านพิมพ์ 3D ที่ครอบครัวย้ายเข้าอาศัยในปี 2018

วันนี้ การพิมพ์ 3D ไม่ได้เกี่ยวกับแค่ต้นแบบและการผลิตอุตสาหกรรมแล้ว นักงานอดิเรก นักวิทยาศาสตร์ และทุกคนระหว่างนั้น ใช้การพิมพ์ 3D สำหรับการผลิตสินค้า สินค้าผู้บริโภค ความก้าวหน้าทางการแพทย์ วัสดุการศึกษา และอื่นๆ มันกำลังกลายเป็นประโยชน์ต่อผู้บริโภคทั่วไปอย่างรวดเร็ว

Oscar Adelman CEO ของ Remi กล่าวว่ากระบวนการนี้กำลังเป็นที่นิยมในอุตสาหกรรมทันตกรรม ตัวอย่างเช่น ความแม่นยำของการพิมพ์ 3D น่าประทับใจมาก และช่วยให้ลูกค้าทางทันตกรรมประหยัดได้ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ เทียบกับราคาคลินิกทันตกรรมทั่วไป

เครื่องพิมพ์ 3D ทำงานอย่างไร?

มีเทคโนโลยีการพิมพ์ 3D หลายประเภท รวมถึง Fused Deposition Modeling (FDM) ซึ่งรู้จักอีกชื่อว่า Fused Filament Fabrication (FFF) FDM เป็นวิธีที่พบบ่อยและนิยมที่สุด ใช้ในเครื่องพิมพ์ 3D ราคาเหมาะสมส่วนใหญ่

วิธีการพิมพ์ FDM ใช้ ฟิลาเมนต์ (Filament) วัสดุพลาสติกแบบเส้นคล้ายเชือก ฟิลาเมนต์ถูกดึงจากม้วนเข้าไปในหัวพิมพ์ที่มีความร้อน ซึ่งหลอมพลาสติก หัวพิมพ์กดพลาสติกที่หลอมแล้วออกมาบนแท่นของเครื่อง หัวพิมพ์เคลื่อนที่บนแท่น ใน 2 มิติ วางชั้นแรกของวัสดุ

เมื่อชั้นแรกเสร็จสมบูรณ์ หัวพิมพ์จะเคลื่อนที่ขึ้นตามความหนาของชั้นแรก และวางชั้นถัดไปทับด้านบน ชิ้นงานถูกสร้างขึ้นชั้นต่อชั้น เหมือนการอบขนมปังทีละชิ้น

เครื่องพิมพ์ 3D แบบ FDM ยอดนิยมรวมถึง MakerBot และ Ultimaker

ตัวอย่างการใช้งานเครื่องพิมพ์ 3D

นี่คือภาพรวมว่าการพิมพ์ 3D แบบง่ายๆ อาจทำงานอย่างไรบนเครื่องพิมพ์ FDM

1. ดาวน์โหลดโมเดล 3D ที่ต้องการพิมพ์ หรือออกแบบเอง

   หาโมเดลดาวน์โหลดได้ที่ Thingiverse หรือ GrabCAD หากออกแบบเอง ลอง SketchUp หรือ Blender สำหรับชิ้นส่วนวิศวกรรม ลองซอฟต์แวร์ CAD เช่น SolidWorks

2. หากยังไม่ใช่รูปแบบพิมพ์ 3D ให้แปลงโมเดลเป็นรูปแบบพิมพ์ 3D เช่น ไฟล์ STL

3. นำโมเดลเข้าไปในซอฟต์แวร์ Slicing เช่น MakerWare, Cura หรือ Simplify 3D

   MakerWare ทำงานกับเครื่องพิมพ์ 3D MakerBot Cura และ Simplify 3D สร้าง G-code ที่ทำงานกับเครื่องพิมพ์ 3D ส่วนใหญ่

4. กำหนดค่าการสร้าง (Build Configuration) ในซอฟต์แวร์ Slicing ตัดสินใจทิศทางวางโมเดลบนเครื่องพิมพ์ 3D สำหรับ FDM ให้ลดการยื่นออก (Overhangs) ที่ชันกว่า 45 องศา เพราะต้องโครงสร้างรองรับ (Support Structures)

   เมื่อตัดสินใจทิศทาง ให้พิจารณาว่าโมเดลจะโหลดอย่างไร เพื่อไม่ให้ชั้นแยกจากกันง่าย

   

   เพื่อประหยัดเวลาและวัสดุ โมเดลโดยทั่วไปไม่ได้เป็นทรงสมบูรณ์ (Solid) ให้ระบุเปอร์เซ็นต์การเติมภายใน (Infill percentage โดยทั่วไป 10-35%) จำนวนชั้นรอบนอก (Perimeter layers โดยทั่วไป 1-2 ชั้น) และจำนวนชั้นล่างและบน (Bottom/Top layers โดยทั่วไป 2-4 ชั้น) ยังมีปัจจัยอื่นๆ ที่ต้องพิจารณาเมื่อเตรียมโมเดลสำหรับการพิมพ์ 3D

5. Export โปรแกรม ซึ่งโดยทั่วไปเป็นไฟล์ G-code ซอฟต์แวร์ Slicing แปลงโมเดลและการตั้งค่าการสร้างที่คุณระบุ เป็นชุดคำสั่ง เครื่องพิมพ์ 3D ปฏิบัติตามคำสั่งนี้เพื่อสร้างชิ้นงาน

6. ส่งโปรแกรมไปยังเครื่องพิมพ์ 3D ผ่านการ์ด SD, USB หรือ Wi-Fi

7. พิมพ์โมเดลบนเครื่องพิมพ์ 3D

   

8. เมื่อเครื่องพิมพ์ 3D สร้างโมเดลเสร็จ ให้นำออกมา และอาจต้องทำความสะอาด ตัดโครงสร้างรองรับออก และขัดรอยต่อที่เหลือด้วยกระดาษทรายละเอียด

เครื่องพิมพ์ 3D ประเภทอื่นๆ

นอกจากเครื่องพิมพ์ FDM แล้ว วิธีการพิมพ์ 3D ยังรวมถึง Stereolithography (SLA), Digital Light Processing (DLP), Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), Laminated Object Manufacturing (LOM), และ Digital Beam Melting (EBM)

SLA เป็นเทคโนโลยีพิมพ์ 3D เก่าที่สุด และยังใช้งานอยู่จนถึงปัจจุบัน DLP ใช้แสงและพอลิเมอร์ ในขณะที่ SLS ใช้เลเซอร์เป็นแหล่งพลังงานสร้างวัตถุพิมพ์ 3D ที่แข็งแรง SLM, LOM และ EBM ลดความนิยมลงแล้วในปัจจุบัน

อนาคตของการพิมพ์ 3D

การพิมพ์ 3D จะนำไปสู่อนาคตของผลิตภัณฑ์แบบ On-demand ที่ปรับแต่งได้ ทันทีตามต้องการ? แม้ยังไม่ชัดเจน แต่เทคโนโลยีพิมพ์ 3D กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วและถูกใช้ในหลายสาขา

การพิมพ์ 3D ของบ้าน อวัยวะ เช่น ไตและขาเทียม และความก้าวหน้าอื่นๆ มีศักยภาพปรับปรุงคุณภาพชีวิตของคนมากมายทั่วโลก