ท่ามกลางนวัตกรรมใหม่ๆ จำนวนมากที่เกิดดับในช่วงหลายปีที่ผ่านมานี้ ยังมีหนึ่งเทคโนโลยีที่ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ จากความสามารถในการดัดแปลงไปใช้กับอุตสาหกรรมได้อย่างกว้างขวาง และเริ่มเข้าไปสู่บ้านของคนทั่วไปมากขึ้น ด้วยราคาของเทคโนโลยีที่กำลังลดลงอยู่ทุกขณะ แน่นอนว่าเทคโนโลยีที่พูดถึงนี้คงหนีไม่พ้นการพิมพ์สามมิติ (3D Printing) หรือพูดให้ถูกกว่าคือการผลิตแบบดิจิทัลที่ลดรูปจากเครื่อง CNC ที่ใช้ในวงการอุตสาหกรรมนั่นเอง

ตัวเครื่องพิมพ์สามมิตินั้นไม่ได้เพิ่งเกิดมาไม่นาน เพราะถูกสร้างมาตั้งแต่ช่วงปี 1984 ด้วยฝีมือของ Chuck Hull ผู้ร่วมก่อตั้งบริษัท 3D Systems Corp ซึ่งได้ไอเดียการพิมพ์สามมิติจากผ้าปูโต๊ะที่แข็งจากรังสีอุลตร้าไวโอเลตซึ่งเป็นต้นแบบของการพิมพ์แบบ "stereolithography (SLA)" อันเป็นจุดเริ่มต้นของการพิมพ์สามมิติ แต่ก็ใช้เวลาพอสมควรก่อนจะเริ่มได้รับความนิยมเมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา

การมาของเครื่องพิมพ์สามมิติทำให้ผู้คนทั่วไปเข้าถึงกระบวนการผลิตแบบอุตสาหกรรมได้ง่ายขึ้น มีค่าใช้จ่ายที่ถูกลงมาก และนิยมนำไปใช้ในธุรกิจหลายประเภท เน้นไปที่การผลิตสินค้าต้นแบบที่ทำได้ทันที ไม่มีค่าใช้จ่ายจำนวนมาก ไม่ต้องทำเป็นจำนวนเยอะๆ เหมือนระบบที่ใช้ในอุตสาหกรรมอย่างการฉีดพลาสติกเข้าเบ้าหล่อ (mold injection) ที่จะผลิตของหนึ่งชิ้น ต้องทำเบ้าหล่อขึ้นมาเสียก่อน

เกริ่นถึงการพิมพ์สามมิติกันมาพอสมควรแล้วเราก็จะมาพูดถึงพระเอกของงานนี้คือตัวเครื่องพิมพ์สามมิติ ว่ามีการทำงานอย่างไรบ้าง ใช้วัสดุอะไรพิมพ์ได้บ้าง และมีอะไรที่ต้องรู้บ้างหากว่าสนใจจะลองสั่งมาใช้งานซักเครื่อง

ที่ว่าพิมพ์สามมิติเขาพิมพ์กันอย่างไร

การพิมพ์สามมิตินั้น มีวิธีการพิมพ์ค่อนข้างหลากหลายตามวัตถุประสงค์การใช้งาน แต่แบบที่ได้รับความนิยมในกลุ่มผู้ใช้ทั่วไปนั้นเรียกว่า fused deposition modeling (FDM) หรือการฉีดพลาสติก และอีกสองแบบที่ควรค่าแก่การกล่าวถึงได้แก่ stereolithography (SLA) คือรูปแบบการพิมพ์สามมิติด้วยการใช้รังสีอัลตร้าไวโอเล็ตทำให้น้ำเรซินแข็งตัว และ laminated object manufacturing (LOM) หรือการพิมพ์ด้วยแผ่นลามิเนต

fused deposition modeling (FDM) หรือการพิมพ์แบบใช้หัวฉีด เป็นการพิมพ์สามมิติที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในตลาด เนื่องจากใช้กับวัสดุได้หลายประเภท รวมถึงต้นทุนที่ถูกกว่าการพิมพ์แบบอื่นทั้งในแง่ของวัสดุ และตัวเครื่องพิมพ์เอง

การพิมพ์แบบ FDM จะมีกลไกสำหรับดึงเส้นพลาสติกมาทำความร้อนที่หัวฉีด และฉีดลงไปที่ฐานทีละชั้น ก่อตัวสูงขึ้นเรื่อยๆ โดยมากการพิมพ์แบบ FDM จะถูกใช้สำหรับงานพิมพ์ตัวต้นแบบ (rapid prototype) เพราะตัวงานที่ออกมาจะไม่แข็งแรงนัก และมีพื้นผิวเป็นลายไม้ จำเป็นต้องขัดเก็บงานเสียก่อน หากจะนำไปใช้งานจริง

ภาพจาก 3D Material

การพิมพ์แบบ FDM ใช้ได้กับวัสดุหลายประเภท ส่วนมากจะจำกัดขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางของ filament (เส้นพลาสติก) ไว้ที่ 1.75 มม. และ 3 มม. ที่นิยมใช้กันจะเป็น PLA และ ABS ครับ เดี๋ยวจะอธิบายความต่างของ filament ทั้งสองอย่างในบทต่อไปครับ

สำหรับเครื่องพิมพ์แบบ FDM ที่ค่อนข้างเป็นที่นิยมคือ Makerbot ซึ่งปัจจุบันออกมาเป็นรุ่นที่ห้าแล้ว ในภาพนี้คือ Makerbot Replicator 2 เครื่องพิมพ์ขนาดตั้งโต๊ะ

stereolithography หรือ SLA เป็นกระบวนการพิมพ์แบบยิงลำแสงอุลตร้าไวโอเลตไปที่ผิวน้ำเรซิน น้ำเรซินจะแข็งตัว และเชื่อมต่อกับเรซินที่แข็งตัวในชั้นก่อนหน้า

จุดเด่นของ SLA คือความเร็วในการผลิตที่สูงกว่า FDM อย่างมาก และยังได้ความละเอียดที่เหนือกว่า และได้งานที่ผิวเรียบกว่า (SLA พิมพ์ได้บางสุดชั้นละ 0.05 มม. = 50 ไมครอน ในขณะที่ FDM จะทำได้ราวๆ 100 ไมครอน) สามารถพิมพ์ได้ขนาดใหญ่กว่า เฉลี่ยอยู่ที่ 50x50x60 ซม. แต่ก็แลกกับตัวเครื่องพิมพ์ที่ราคาแพงกว่ามาก พิมพ์ได้เฉพาะกับน้ำเรซินเท่านั้น และตัวน้ำเรซินเองก็แพงพอตัว เทียบกับเส้นพลาสติกแล้วแพงกว่าประมาณ 3-5 เท่า

ภาพจาก 3D Material

เครื่องพิมพ์สามมิติที่ใช้วิธีการพิมพ์แบบ SLA สำหรับผู้ใช้ทั่วไปในตอนนี้ยังมีเพียงแค่ The Form 1 จาก Formlabs ซึ่งตอนนี้ยังเปิดให้จองล็อตใหม่อยู่ครับ

อีกแบบที่ได้รับความนิยมเพิ่มขึ้น แต่ยังมีราคาสูงอยู่มากคือ laminated object manufacturing (LOM) หรือการพิมพ์ด้วยการตัดแผ่นลามิเนต ซึ่งจะใช้เลเซอร์ หรือมีดตัดแผ่นลามิเนตบนแท่นหมุน และเชื่อมระหว่างเลเยอร์ด้วยกาว

จุดเด่นของการพิมพ์แบบ LOM คือความเร็ว และพื้นผิวงานที่ใกล้เคียงผิวไม้ เหมาะสำหรับการทำโมเดล แต่ความละเอียดของงานจะด้อยลงไป จึงต้องมีการเก็บงานที่ดีด้วย การพิมพ์แบบ LOM นั้นใช้วัตถุดิบจากธรรมชาติเป็นหลัก (กระดาษ ไม้ และโลหะ) ทำให้ไม่มีความอันตรายกับมนุษย์ ในขณะเดียวกันต้นทุนของวัตถุดิบก็ถูกเช่นกัน

ภาพจาก THRE3D

วัสดุอะไรบ้างที่ใช้กับเครื่องพิมพ์สามมิติได้

เกริ่นนำไปแล้วว่ารูปแบบการพิมพ์ที่นิยมนั้นมีแบบใดบ้าง เมื่อพูดถึงเรื่องพิมพ์แล้ว วัสดุที่นำมาใช้พิมพ์เป็นสิ่งที่ควรคำนึงถึงเป็นอันดับต้นๆ แม้ว่าเครื่องพิมพ์สามมิติในปัจจุบันจะพิมพ์กับวัสดุได้ครอบจักรวาล ตั้งแต่พลาสติก เซรามิก โลหะ กระดาษ คอนกรีต ยาง หรือแม้แต่ของกินอย่างช็อกโกแลต และชีสก็ถูกพิมพ์ไปแล้ว แต่ถ้าพูดถึงวัสดุที่นิยมนำมาใช้พิมพ์กับเครื่องพิมพ์แบบ FDM คงหนีไม่พ้น PLA และ ABS ที่แทบทุกเครื่องพิมพ์รองรับการพิมพ์ด้วยวัสดุสองชนิดนี้อยู่แล้ว ในวงการจะเรียกวัสดุที่ใช้พิมพ์ว่า filament (เส้นพลาสติก)

Polylactic acid หรือ PLA เป็นพลาสติกชีวภาพที่สามารถย่อยสลายได้ ผลิตขึ้นมาจากพืชอย่าง ข้าวโพด มันสำปะหลัง หรืออ้อย โดยใช้กระบวนการบดพืชให้ละเอียด ย่อยแป้งด้วยเอนไซม์ หมักจนออกมาเป็นกรดแลคติก ท้ายที่สุดคือการกลั่นให่ได้โครงสร้างออกมาเป็นโพลิเมอร์

PLA จัดเป็นวัสดุที่เหมาะแก่การนำมาพิมพ์สามมิติมาก ใช้ความร้อนน้อยกว่าพลาสติกชนิดอื่นที่ 180-220 องศาเซลเซียส ไม่จำเป็นต้องใช้แท่นความร้อนในการพิมพ์ มีความแข็งแรง ไม่เกิดการยกตัว และใช้งานได้กับเครื่องพิมพ์หลายประเภทกว่าวัสดุประเภทอื่นๆ

วัสดุที่นิยมนำมาพิมพ์อีกอย่างคือ Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) เป็นพลาสติกที่ใช้กันมากในปัจจุบัน ตัว ABS เป็นเทอร์โมพลาสติกที่เกิดจากการทำปฏิกิริยาของสไตรีน อะคริโลไนไตรล์ และโพลิบิวทาไดอีน ซึ่งผู้ผลิตแต่ละรายจะใช้สัดส่วนของโมโนเมอร์ทั้งสามต่างกันไป

เมื่อเทียบกับ PLA แล้ว ABS นั้นให้ผิวหน้าของการพิมพ์ที่คุณภาพสูงกว่า และมีความยืดหยุ่นเหนือกว่า แต่ในการพิมพ์ก็ต้องใช้ความร้อนสูงกว่า (มากกว่า 230 องศาเซลเซียส) จำเป็นต้องมีแท่นความร้อนเพื่อให้พลาสติกเกาะตัว และอาจเกิดการยกตัวของแบบทำให้รูปทรงคลาดเคลื่อน หรือพังไปเลยในบางกรณี

นอกจาก PLA และ ABS แล้ว เครื่องพิมพ์แบบ FDM ยังสามารถใช้งานกับ filament แบบอื่นๆ ได้อีกทั้งแบบยืดหยุ่นได้ที่ผสมยางเข้าไป และแบบละลายได้ สำหรับการพิมพ์ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น (ตัวอย่าง) ซึ่งจำเป็นต้องใช้งานร่วมกับเครื่องพิมพ์แบบหลายหัวฉีดอีกด้วย

ภาพตัวอย่างของเส้นพลาสติก PLA และ ABS รูปร่างภายนอกไม่ต่างกัน

ภาพงานพิมพ์จากเส้นพลาสติกทั้งสอง ซ้าย PLA ขวา ABS - ภาพจาก CubeX 3D

Photopolymer Resin หรือน้ำเรซิน วัสดุหลัก และหนึ่งเดียวสำหรับการพิมพ์แบบ SLA ลักษณะเป็นของเหลวเหมือนกับที่ใช้ในการหล่อโมเดลทั่วไป แต่ในการพิมพ์สามมิติจะใช้การฉายรังสีอุลตร้าไวโอเลตแทน

การใช้น้ำเรซิ่นกับการพิมพ์สามมิติจะต่างกับการพิมพ์แบบฉีดพอสมควรตรงที่ตัวงานจะขึ้นรูปในสภาพแวดล้อมที่มีของเหลวล้อมรอบ โครงสร้างของซัพพอร์ต (ชิ้นส่วนที่ทำให้ตัวแบบคงรูป) จึงไม่จำเป็นต้องแข็งแรงเหมือนการพิมพ์แบบ FDM โดยทั่วไปจะเป็นเส้นตรงเชื่อมกับฐาน และตัวแบบ ในขณะเดียวกันสามารถใช้พิมพ์งานที่ซับซ้อนได้โดยที่ไม่ต้องใช้ filament แบบละลายได้มาเป็นตัวช่วยอีกด้วย ข้อควรระวังคือห้ามให้น้ำเรซิน และตัวแบบสัมผัสกับแสงแดดโดยตรงเป็นเวลานาน เพราะจะทำให้แข็งตัว

น้ำเรซินแบบใส สำหรับใช้กับเครื่อง The Form 1

ตัวอย่างงานที่พิมพ์สามมิติด้วยน้ำเรซิน - ภาพจาก Telegraph

รู้จักกับโปรแกรมสำหรับการพิมพ์สามมิติ

เมื่อมีเครื่องพิมพ์สามมิติ และวัสดุสำหรับพิมพ์พร้อมแล้ว สิ่งที่จะทำให้ทั้งสองอย่างนี้ทำงานร่วมกันได้ก็คือโปรแกรมสำหรับสั่งงานให้ตัวเครื่อง ในวงการพิมพ์สามมิติเรียกโปรแกรมกลุ่มนี้ว่า Slicer

Slicer มีอยู่หลายตัว โดยมากเป็นโปรแกรมดาวน์โหลดฟรีสำหรับใช้งานร่วมกับเครื่องพิมพ์ชนิดนั้นๆ ความสามารถหลัก คือการเรนเดอร์ไฟล์โมเดลสามมิติ (โดยมากเป็นสกุล STL) และจัดเรียงบนแท่นพิมพ์ นอกจากนี้ตัว Slicer สามารถตั้งค่าเครื่องพิมพ์ได้แทบทุกอย่าง เช่นอุ่นแท่นความร้อน อุ่นหัวฉีด และการตั้งค่าหัวฉีด (calibrate) ซึ่งตรงนี้ต้องทำร่วมกับการปรับฮาร์ดแวร์จริงๆ ด้วย

Slicer ที่หาได้ในตอนนี้จะมีทั้งแบบที่เป็น Slicer เพียวๆ คือสามารถสั่งให้พิมพ์ได้อย่างเดียว ตั้งค่าตัวเครื่องไม่ได้ละเอียด เช่น Cura หรือเป็นโปรแกรมที่ตั้งค่าตัวเครื่องได้ด้วยอย่าง Repetier และ RepricatorG ในตลาดนี้ แม้แต่ไมโครซอฟท์ก็เพิ่งออก Slicer ของตัวเองอย่าง 3D Printing มาเช่นกัน ซึ่งรายละเอียดของการใช้ Slicer เพื่อพิมพ์สามมิติเราจะมาลงลึกกันในตอนต่อไปครับ

ส่วนติดต่อผู้ใช้ Cura โปรแกรม Slicer สำหรับเครื่อง Ultimaker

อนาคตของการพิมพ์สามมิติ และข้อจำกัดที่ต้องก้าวต่อไป

ในตอนนี้ การพิมพ์สามมิติเรียกได้ว่าเป็นที่รู้จักในกลุ่มผู้บริโภคเป็นที่เรียบร้อยแล้ว และเริ่มมีการใช้ชิ้นส่วนจากการพิมพ์สามมิติในระดับธุรกิจมากขึ้นเรื่อยๆ ด้วยจุดแข็งทั้งในเรื่องของต้นทุนที่ต่ำ สามารถพิมพ์ได้จากที่บ้าน และตัวแบบสามารถปรับแต่งได้ด้วยตัวเอง ในฝั่งของธุรกิจไอทีการนำเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติไปใช้จะเป็นส่วนของการทำผลิตภัณฑ์รุ่นต้นแบบ แต่ถ้าในระดับประเทศก็มีบางรายไปไกลถึงขั้นเอาไปสร้างบ้านกันแล้ว

การเคลื่อนไหวในวงการเครื่องพิมพ์สามมิติในช่วงที่ผ่านมาก็เพิ่งมีผู้ผลิตรายหนึ่งสามารถทำเครื่องที่สามารถพิมพ์แบบผสมสีในตัวได้แล้ว โดยก่อนหน้านี้สามารถพิมพ์ได้เฉพาะแค่สีตามแต่ filament ที่เลือกไว้เท่านั้น ไม่ว่าจะใช้เครื่องพิมพ์รุ่นที่มีหัวฉีดเดี่ยว หรือแบบหลายหัวฉีดก็ตาม ภาพรวมของอุตสาหกรรมจึงเป็นการพัฒนาให้สามารถพิมพ์ได้เร็วขึ้น และขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ

ด้วยความที่เครื่องพิมพ์สามมิติทำให้ผู้ใช้สามารถผลิตสิ่งที่ต้องการขึ้นมาด้วยตัวเองโดยไม่ต้องมีใบอนุญาต ขอเพียงแค่มีไฟล์แบบพิมพ์ก็พอ เมื่อเร็วๆ นี้จึงมีประเด็นการพิมพ์ปืน Liberator ขึ้นมา ซึ่งสามารถใช้งานได้จริงเป็นครั้งแรก จนถูกร้องขอให้เอาไฟล์ลงจากเว็บไซต์ในภายหลัง นำไปสู่การเสนอแนวทางป้องกันจากผู้ผลิตรายหนึ่งที่จะบล็อคไม่ให้เครื่องพิมพ์ทำงาน ถ้าหากตรวจพบว่าตัวแบบนั้นคือปืน

สำหรับตอนต่อไปของการตะลุยโลกเครื่องพิมพ์สามมิติจะพาไปดูขั้นตอนการพิมพ์จริงๆ ตั้งแต่การเลือกวัสดุ การตั้งค่าเครื่อง การใช้งาน Slicer และทริกในการใช้งานเครื่องพิมพ์สามมิติที่ค่อนข้างจุกจิกกว่าที่คิดไปมากๆ ครับ