นิยามของวัสดุธรรมชาติในเทคโนโลยี SLS 3D Printing
- สำหรับบทความนี้อ้างอิงเฉพาะวัสดุในกลุ่มพอลิเมอร์ (Polymer) ที่มีวัสดุสำหรับธรรมชาติจำนวนมากในปัจจุบัน
- ปัจจุบันมีหลายคำศัพท์ที่ทำให้ผู้อ่านสับสนได้ (ขอใช้คำภาษาอังกฤษทับศัพท์แทน) เช่น Biodegradable Material, Biodegradable Synthetic Polymer, Natural Polymer, Synthetic Polymer ดังนั้นในแต่ละวัสดุที่รีวิวในบทความนี้จะมีกรรมวิธีการผลิตมาด้วย เพื่อให้เข้าใจตรงกันว่าตั้งแต่วัสดุตั้งต้น จนกลายมาเป็นวัสดุสุดท้ายสำหรับเครื่อง 3D Printer ต้องผ่านกระบวนการอะไรมาบ้าง ส่วนใครอยากอ่านว่าแต่ละแบบคืออะไร (คลิก)
- วัสดุยอดนิยมในปัจจุบันคือ PLA Filament สำหรับเทคโนโลยี FDM ในขณะที่เทคโนโลยีการพิมพ์แบบ SLS ที่มีไนลอน (PA11 และ PA12) เป็นวัสดุหลักแทบจะไม่มีวัสดุจากธรรมชาติเลย จนมาในช่วงหลายปีที่ผ่านมา เริ่มมีการพัฒนามากขึ้น จนเป็นที่สนใจ สอดคล้องกับนโยบายด้านสิ่งแวดล้อมของหลายประเทศ รวมทั้งไทยเองด้วย
Wood Composite (ไม้)
- Wood Composite เป็นวัสดุหนึ่งที่แพร่หลายทั้งในการผลิตทั่วไป และเครื่อง 3D Printing และเป็นสิ่งที่มีความท้าทายอย่างมากสำหรับ การพิมพ์ไม้ด้วยแสงเลเซอร์ ส่วนใหญ่อยู่ในงานวิจัย หรือ Showcase ของผู้ผลิตเครื่อง มากกว่าจำหน่ายทางการค้า
- ผงไม้ที่นำมาผสมนั้น ชนิดและเฉดสีขึ้นกับชนิดของไม้ที่นำมาใช้ ขนาดผงเส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 100 ไมครอน (100 ไมโครเมตร) ตัวอย่างที่มีงานวิจัย เช่น ไม้ไผ่ สน ยูคาลิปตัส โอ๊ค
- การพัฒนาส่วนใหญ่ ต้องมีการผสมผงไม้เข้ากับ Polymer หรือ Binder เพื่อให้เกิดการเชื่อมติดกันได้ เมื่อโดนพลังงานจากเลเซอร์ ดังนั้นจึงค่อนข้างยากสำหรับการ ปริ้น 3D ผงไม้โดยตรง เนื่องจากกลไกกับเชื่อมต่อของผงไม้เพียงลำพังเองแทบจะเกิดขึ้นไม่ได้เลย
- ตัวอย่างพอลิเมอร์ที่นำมาผสมกับผงไม้ ได้แก่ Co-Polyester, Polypropylene (PP), Polysulfone (PSU) ซึ่งต้องมีความเข้ากันได้กับผงไม้ หรือต้องผสมสารเคมีเพิ่มเติม เพื่อเพิ่มความเข้ากันได้กับผงไม้
- ดังนั้นการขึ้นรูปวัสดุในกลุ่มผงไม้ด้วยเทคนิค SLS ค่อนข้างลำบาก และยากพอสมควร ในขณะที่เป็นเทคนิค Binder Jetting ที่มีการสเปรย์ตัว Binder ไปยังผงไม้โดยตรง สะดวกกว่ามาก และไม่ต้องหวงเรื่องความร้อนที่มีจะมีผลต่อคุณภาพของความแข็งแรง การเชื่อมต่อ หรือสีของไม้ที่มีการเปลี่ยนไป
- ตัวอย่างการพัฒนาเครื่องของทาง Desktop Metal ชื่อ Forust ที่เน้นใช้กับวัสดุทางธรรมชาติ ที่ดัดแปลงเทคโนโลยีที่มีอยู่ให้ใช้งานได้หลากหลายมากขึ้น
Coffee Ground (กากกาแฟ)
- เป็นที่สนใจสำหรับหลายคน ไม่น้อยไปกว่าวัสดุไม้ ที่นำมาใช้กับเครื่อง 3D Printer ได้ โดยก่อนหน้านั้นได้มีผู้ผลิตทดลองมาผสมกับ PLA เป็นเส้น Filament บ้างแล้ว เช่น 3D-Fuel, Proto-Pasta
- จุดเด่นหลักของวัสดุนี้คือกลิ่นเฉพาะตัวของกาแฟที่คนทั้งโลกชื่นชอบ
- สำหรับเทคโนโลยี SLS แล้วการนำผง กาก หรือสิ่งที่เกี่ยวข้องกับกาแฟมาใช้เป็นวัสดุ ความยากก็เช่นเดียวกันกับผงไม้ คือ การค้นหาตัว Binder ที่เหมาะสม กับการตั้งค่าพลังงานและเวลาในการยิงเลเซอร์ไปที่ตัววัสดุ ดังนั้นปัจจุบันจะมีการรายงานในผลการวิจัยเท่านั้นว่าผสมแล้วเป็นอย่างไร ไม่เหมาะกับการนำมาทำเป็นเชิงการค้า
Clay
- โดยปกติแล้ววัสดุในกลุ่มของ Clay ไม่สามารถใช้เครื่อง SLS 3D Printer ทั่วไปพิมพ์ขึ้นรูปได้อยู่แล้ว เนื่องจากต้องใช้พลังงานที่สูงมากในการหลอมละลายผงดังกล่าวเข้าด้วยกัน มักจะเห็นเป็นเทคโนโลยี Binder Jet มากกว่าที่ใช้วัสดุกลุ่มนี้
- ทั้งนี้การใช้ Clay ใน SLS มักใช้เพื่อลดปริมาณวัสดุหลัก คือไนลอน (PA12) เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งผลที่ตามมาคือ ความแข็งแรงลดลงอย่างเห็นได้ชัด ตามผลทดสอบด้านล่าง
- ซึ่งสาเหตุดังกล่าว เพราะตัวอนุภาคของ Clay ไม่ได้มีการเชื่อมต่อกับวัสดุหลักอย่างไนลอน และมีการแยกตัวอย่างชัดเจน เกาะกลุ่มรวมกันเป็นก้อน (Agglomerated)
- อีกการศึกษาหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับตระกูล Clay คือการนำ Cuttlefish bone powders (เป็นแคลเซียมคาร์บอเนต 80-85%) มาผสมกับ PPLA (Poly l-lactic acid) ใช้เป็นวัสดุของ SLS เพื่อสร้างเป็นร่างแหกระดูกเทียม
สรุป
- จากข้อมูลในบทความ เห็นได้ว่าการฉายแสงเลเซอร์พลังงานสูงไปยังวัสดุธรรมชาติโดยตรง หรือการใช้เทคโนโลยี Selective Laser Sintering (SLS) นั้น เป็นไปได้ยาก และไม่ได้ชิ้นงานหลังการพิมพ์ที่มีความแข็งแรงมาก
- รวมไปถึงการเตรียมวัสดุเริ่มต้นก็ลำบากในการ กำหนดคุณภาพของผิว ขนาด วัสดุที่ใช้
- ดังนั้นหลายบริษัท หรืองานวิจัยจะแนะนำให้ใช้เทคโนโลยี Binder Jet หรือ Binder Droplet มากกว่า เนื่องจากใช้ความร้อนต่ำ ไม่จำเป็นต้องหลอมเหลววัสดุตั้งต้นที่ใช้ ตัวอย่างเช่น การพิมพ์ไม้ของทาง Desktop Metal อย่างไรก็ตามเครื่องในกลุ่มนี้ มักปรับค่าตัวแปรการพิมพ์ไม่ได้เลยในระดับ User
- สำหรับคนที่สนใจ จะนำวัสดุเหลือใช้ หรือวัสดุที่ดูไม่มีมูลค่ามาใช้พิมพ์ 3 มิติ อาจจะต้องลงทุนพัฒนาเครื่องในกลุ่มของ Binder Printing ขึ้นมาเอง
