การพิมพ์ 3 มิติคืออะไร

การพิมพ์ 3 มิติคืออะไร
การพิมพ์ 3 มิติหรือการพิมพ์ 3D คือการแปลงจากไฟล์ 3D ที่ได้จากโปรแกรมคอมพิวเตอร์ให้เป็นวัตถุ 3 มิติที่สามารถจับต้องได้ โดยหลักการทำงานจะใช้กระบวนการเติมแต่งของวัสดุ (additive processes) ขึ้นเป็นชั้นๆ บางๆ หลายๆ ชั้นจนกลายเป็นรูปร่างตามไฟล์ 3D ที่สร้างขึ้น ถึงแม้ว่ารูปทรงจะมีความละเอียดหรือซับซ้อมมากเพียงใดก็ไม่ใช่ปัญหาสำหรับการพิมพ์ 3D
การพิมพ์ 3D จะแตกต่างจากกระบวนการผลิตประเภท Subtractive Manufacturing ที่ใช้กระบวนการผลิตโดยการตัด ขัดหรือเจาะชิ้นส่วนของวัสดุเพื่อให้ได้รูปร่างที่ต้องการ อย่างเช่นกระบวนการผลิตที่ได้จากเครื่อง CNC

การพิมพ์ 3 มิติทำงานอย่างไร
การที่จะได้มาซึ่งวัตถุ 3 มิตินั้นเริ่มจากการสร้างไฟล์ 3 มิติจากโปรแกรมคอมพิวเตอร์ ซึ่งมีอยู่มากมายหลายโปรแกรม อย่างโปรแกรมที่เราคุ้นหูอย่าง Fusion 360, SketchUp, Blender หรือ tinkercad ที่เราสามารถที่จะสร้างไฟล์ 3D ผ่านโปรแกรมที่เราใช้ท่องอินเตอร์อย่าง Google Chrome หรือ Firefox โดยไม่จำเป็นต้องติดตั้งโปรแกรมในคอมพิวเตอร์ใดๆ ทั้งสิ้น ซึ่งในขั้นตอนนี้เราต้องทำการบันทึกไฟล์ให้เป็นประเภทไฟล์นามสกุล .STL หรือ .OBJ
เมือได้ไฟล์ 3D ที่ต้องการแล้วเราจะยังไม่สามารถนำไปใช้กับเครื่อง พิมพ์ 3D ได้ทันที แต่เราจำเป็นต้องนำไปแปลงให้เป็นไฟล์ที่สามารถใช้ร่วมกับเครื่องพิมพ์ 3D โดยใช้โปรแกรมสไลด์เซอร์ (Slicer) ซึงโปรแกรมสไลด์เซอร์ที่ได้รับความนิยมในปัจจุบันได้แก่โปรแกรม Cura, Netfabb Standard หรือ PrusaSlicer ซึ่งล้วนแต่เป็นโปรแกรมที่เราสามารถดาวน์โหลดมาใช้ได้ฟรี
เมื่อผ่านการกำหนดค่าต่างๆ ในโปรแกรม Slicer แล้วเราจะทำการบันทึกเป็นไฟล์อีกประเภทหนึ่งอย่างเช่นไฟล์นาสกุล .gcode และสามารถนำไปใช้กับเครื่องพิมพ์ 3D ได้ทันที

การพิมพ์ 3 มิติสามารถทำอะไรได้บ้าง
ในปัจจุบันการพิมพ์ 3 มิติถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายซึ่งถือได้ว่าเกือบทุกอุตสาหกรรมก็ว่าได้ และบางตัวอย่างที่เราเคยพบเห็นได้แก่
-ผลิตภัณฑ์เพื่อการบริโภค เช่น รองเท้า แว่นตา เฟอร์นิเจอร์ ของเล่นเด็ก
-ผลิตภัณฑ์ด้านงานอุตสาหกรรม เช่นเครื่องมือต่างๆ ผลิตภัณฑ์ต้นแบบ (prototypes) ชิ้นส่วนเครื่องจักรต่างๆ
-ผลิตภัณฑ์ด้านงานทันตกรรม
-ผลิตภัณฑ์ขาเทียมสำหรับผู้พิการ
-โมเดลงานสถาปัตยกรรม

ในปัจจุบันเทคโนโลยีด้านการพิมพ์ 3 มิติ ได้พัฒนาไปไกลมากซึ่งวัตถุที่ได้จากการพิมพ์ 3 มิติ ไม่ได้มีแค่ผลิตภัณฑ์ต่างๆ ที่มีขนาดเล็ก แต่ยังสามารถพิมพ์เป็นสิ่งก่อสร้างที่มีขนาดใหญ่อย่างเช่นบ้านได้เลย

การพิมพ์ 3 มิติมีกี่ประเภท
การพิมพ์ 3 มิติมีอยู่ด้วยกันหลายประเภทซึ่งถูกจำแนกออกเป็นประเภทต่างๆ ตามหลักการทำงานของเครื่องพิมพ์ แต่ที่ได้รับความนิยมหลักๆ ในปัจจุบันมีอยู่ 3 ประเภทดังนี้

1. การพิมพ์ 3 มิติระบบฉีดเส้นพลาสติก
หรือที่เรามักนิยมเรียกว่าระบบ FDM หรือ FFF (Fused Deposition Modeling) การพิมพ์ 3 มิติประเภทนี้ถือได้ว่าเป็นประเภทเครื่องพิมพ์ที่ได้รับความนิยมอย่างสูงในปัจจุบันเนื่องจากเครื่องพิมพ์มีราคาค่อนข้างถูก มีหลักการทำงานที่ไม่ซับซ้อนและเส้นพลาสติกที่นำมาใช้ร่วมกับเครื่องพิมพ์ (Filament ) ที่สามารถหาซื้อได้ง่าย มีราคาถูกและมีหลายหลายประเภทหลายสีให้เลือกอย่างมากมายเหมาะสำหรับผู้ที่สนใจเรื่องการพิมพ์ 3 มิติและไม่เคยมีประสบการณ์ทางด้านนี้มาก่อน
หลักกาทำงานของการพิมพ์ประเภทนี้คือใช้การบีบอัดเส้นพลาสติกให้ไหลผ่านหัวฉีด (Nozzle) ที่มีความร้อนสูง ในระหว่างที่เส้นพลาสติกถูกหลอมละลายด้วยหัวฉีดอยู่นั้น หัวฉีด(หรือแผ่นพื้นรองรับ)จะถูกเคลื่อนย้ายให้เป็นรูปทรงตามที่ต้องการเช่นเดียวกับหัวฉีดที่กำลังบีบอัดเนื้อพลาสติกและรีดที่ละชั้นบางๆ สูงขึ้นเรื่อยๆ จนเป็นรูปทรงที่ต้องการ

ข้อดี-ข้อเสียของการพิมพ์ 3D ระบบ FDM
ข้อดี

• เครื่องพิมพ์มีราคาถูก
• มีวัสดุให้เลือกใช้หลากหลายประเภทและราคา
• มีหลักการทำงานที่ไม่ซับซ้อนสามารถเรียนรู้และใช้งานได้ง่าย
• เนื่องจากเป็นระบบที่ได้รับความนิยมอย่างสูงทำให้มีแหล่งเรียน และการแลกเปลี่ยนความรู้อยู่มากมายในอินเตอร์เน็ต

ข้อเสีย

• มีข้อจำกัดด้านการเก็บรายเอียดที่มีความซับซ้อนมาก ไม่เหมาะใช้สำหรับใช้ชิ้นงานที่ต้องการคุณภาพสูง
• คุณภาพของชิ้นงานมีความหลากหลายขึ้นอยู่กับคุณภาพและราคาเครื่องพิมพ์
• จำเป็นต้องมีความรู้ในการปรับแต่งเครื่องพิมพ์เพื่อให้ได้ชิ้นงานที่ออกมาดีที่สุด

2. การพิมพ์ 3 มิติระบบขึ้นรูปเรซิน หรือ SLA (Stereolithography)
การพิมพ์ 3 มิติระบบ SLA ถือได้ว่าเป็นนวัตกรรมด้านการพิมพ์ 3D แรกของโลกที่มีมาตั้งแต่ปี 1986 และยังคงได้รับความนิยมอย่างมากในปัจจุบัน เป็นระบบการพิมพ์ที่มีความละเอียดค่อนข้างสูง ได้ชิ้นงานที่มีผิวที่เรียบและวัสดุที่เป็นเรซินที่มีความแข็งแรงมาก ทำให้นิยมอย่างมากในการใช้ผลิตผลิตภัณฑ์ที่ต้องการความละเอียดเช่นผลิตภัณฑ์ด้านงานทันตกรรม เครื่องประดับและ ผลิตภัณฑ์ต้นแบบต่างๆ (Product prototype)
หลักการทำงานของการพิมพ์ 3มิติระบบ SLA คือการยิงแสงเลเซอร์ยูวี (UV Laser) เพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติของเรซิน (Resin) จากของเหลวให้แข็งตัวจนกลายเป็นรูปร่างต่างๆ โดยเครื่องพิมพ์จำทำการยิงแสงเลเซอร์ในตำแหน่งต่างๆ ที่ได้จากไฟล์ 3D ทีละชั้นจนกลายเป็นรูปทรงที่ต้องการ
เดิมทีเครื่องพิมพ์ประเภทนี้ถือได้ว่าเป็นระบบเครื่องพิมพ์ที่มีราคาค่อยข้างสูงและผู้ใช้งานจำเป็นต้องมีความรู้และความชำนาญอย่างมาก แต่ในปัจจุบันด้วยเทคโนโลยีที่พัฒนาอย่างรวดเร็วทำให้ราคาของเครื่องเครื่องพิมพ์ระบบนี้ได้ถูกลงอย่างมาก ใช้งานง่าย และคุณภาพของชิ้นงานที่ได้ก็ถือว่าอยู่ในระดับที่สูงกว่าการพิมพ์ระบบ FDM

ข้อดี-ข้อเสียของการพิมพ์ 3D ระบบ SLA
ข้อดี

• ชิ้นงานที่ได้มีความละเอียด-แม่นยำสูง
• การแข็งตัวของเรซินที่เคลอืบการที่ละชั้นบางๆ ทำให้ชิ้นงานมีความแข็งแรงสูง
• ชิ้นงานที่ได้มีความสมบูรณ์สามารถนำไปใช้งานได้ทันที (โดยส่วนมาก)
• ใช้งานง่าย

ข้อเสีย

• ทั้งเครื่องพิมพ์และวัสดุที่ใช้มีราคาสูง
• ถึงแม้จะใช้งานง่ายแต่จำเป็นต้องมีความรู้ในการแก้ไขปัญหาของตัวเครื่องพิมพ์ที่มีหลักการทำงานที่ค่อนข้างซับซ้อน
• มีแหล่งความรู้เกี่ยวกับเครื่องพิมพ์ระบบนี้ค่อนข้างน้อย

3. การพิมพ์ 3 มิติระบบ SLS (Specific laser sintering)
เป็นอีกหนึ่งประเภทการพิมพ์ 3D ที่ใช้กันมาอย่างยาวนานและกำลังได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ พร้อมๆ กับราคาต้นทุนที่ถูกลง การพิมพ์ 3มิติระบบนี้เหมาะสำหรับใช้ทำผลิตภัณฑ์ที่ต้องการความละเอียดสูง แข็งแรง อย่างเช่นสินค้าต้นแบบ ชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเลคทรอนิคส์ เครื่องมือทางการแพทย์
หลักการทำงานการพิมพ์ระบบนี้คล้ายๆ กับระบบ SLA ที่ได้กล่าวข้างต้น แต่จะต่างกันตรงที่ระบบ SLA ใช้วัสดุที่เป็นเรซิน ในขณะที่ระบบนี้ใช้ผงโพลีเมอร์(Polymer) เซรามิก หรือแก้ว
กระบวนการทำงานเริ่มจากเครื่องพิมพ์จะโรยและเกลี่ยผงโพลีเมอร์ บางๆ (0.1 มม โดยประมาณ) อยู่ในถาดความที่มีความร้อนต่ำกว่าจุดหลอมละลายของโพลีเมอร์ จากนั้นใช้แสงเลเซอร์ CO2 ยิงสแกนพื้นผิวในตำแหน่งที่ต้องการ ทำให้เกิดการหลอมละลายและแข็งตัวของผงโพลีเมอร์ และเริ่มกระบวนเดิมซ้ำๆ ทีละชั้นไปเรื่อยๆ จนได้รูปร่างตามตันฉบับจากไฟล์ 3D

ข้อดี-ข้อเสียของการพิมพ์ SLS
ข้อดี

• เป็นระบบการพิมพ์ที่มีระบบฐานรองรับ (Support)ในตัวทำให้สามารถปริ้นชิ้นงานที่มีความซับซ้อนมากได้เป็นอย่างดี
• ชิ้นงานที่ได้มีความละเอียดและแข็งแรงสูง
• เป็นระบบที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมตามมาตรฐาน EN ISO 10993-1
• มีความรวดเร็วในการพิมพ์และชิ้นงานที่ได้สามารถนำไปใช้งานได้ทันทีและใช้งานได้จริง

ข้อเสีย

• เครื่องพิมพ์มีราคาสูง
• ต้องอาศัยความรู้ความชินาญในการใช้งาน

นอกเหนือจาก 3 ประเภทการพิมพ์ 3 มิติที่ได้กล่าวข้างต้นแล้ว ยังมีอีกหลายประเภทในการพิมพ์ 3D อย่างเช่นระบบ Digital Light Processing (DLP) ซึ่งหลักการทำงานคล้ายๆ กับระบบ SLA แต่ต่างกันตรงที่ระบบ SLS ใช้แสงเลเซอร์ UV ในการแปลงสถานะของวัสดุส่วนระบบ DLP ใช้เครื่องฉายแสงดิจิทัลในการแปลงสถานะ และระบบ Multi Jet Fusion (MJF) ที่มีหลักการทำงานคล้ายระบบ SLS แต่แตกต่างกันตรงที่ตัวแปลงสถานะของวัสดุ