เซรามิก (ceramic) มีรากศัพท์มาจากภาษากรีก keramos มีความหมายว่า สิ่งที่ถูกเผา ในอดีตวัสดุเซรามิกที่มีการใช้งานมากที่สุดคือ เซรามิกดั้งเดิม ทำมาจากวัสดุหลักคือดินเหนียว โดยในช่วงแรกเรียกผลิตภัณฑ์ประเภทนี้ว่า ไชนาแวร์ เพื่อเป็นเกียรติให้กับคนจีนซึ่งเป็นผู้บุกเบิกการผลิตเครื่องปั้นดินเผารุ่นแรกๆ การเผาเป็นหนึ่งขั้นตอนที่สำคัญในการผลิต ด้วยการให้ความร้อนแก่เนื้อดินที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยวิธีต่างๆ จะทำให้ชิ้นงานเปลี่ยนสภาพทั้งทางกายภาพ และทางเคมี กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีความแข็งแรง ทนทานต่อการใช้งาน และรวมถึงความสวยงาม การขึ้นรูปแบบดั้งเดิมจากขึ้นรูปด้วยมือจากการปั้นให้เกิดรูปทรงต่างๆ แต่ปัจจุบันได้มีเทคโนโลยีที่ช่วยสร้างลวดลาย รวมถึงทรงต่างๆ ได้มากขึ้น อีกทั้งยังง่ายมาก นั่นก็คือ Ceramic 3D Printer
Ceramic ในชีวิตประจำวัน
Ceramic เป็นวัสดุเซรามิกที่เกิดจากการรวมกันของสารอนินทรีย์ (inorganic) จำพวกดิน หินแร่ มาใช้เป็นวัตถุดิบ ประกอบกันจนเกิดปฏิกิริยา และผ่านกระบวนการเผาเพื่อให้ความร้อน ทำให้โครงสร้างผลึกเปลี่ยนไปจากเดิม เกิดเป็นผลิตภัณฑ์เซรามิก
เซรามิกเป็นวัสดุอนินทรีย์ ที่ประกอบไปด้วยธาตุที่เป็นโลหะและอโลหะ โดยเกิดพันธะไอออนิกและพันธะโควาเลนต์ร่วมกัน โดยทั่วไปเซรามิกจะมีสมบัติที่แข็ง แต่เปราะง่าย มีพันธะเคมีที่แข็งแรงจึงทำให้มีจุดหลอมเหลวค่อนข้างสูง ทนต่อการกัดกร่อนได้ เป็นฉนวนไฟฟ้า และฉนวนความร้อนที่ดี เพราะไม่มีอิเล็กตรอนอิสระ การให้ความร้อนกับวัสดุเซรามิกเป็นกระบวนการที่ทำให้เซรามิกมีโครงสร้างที่ดี
ในการผลิตเซรามิก ขั้นตอนการเผาและอุณหภูมิการเผา เป็นหนึ่งขั้นตอนที่สำคัญในการผลิต ด้วยการให้ความร้อนแก่เนื้อดินที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยวิธีต่างๆ จะทำให้ชิ้นงานเปลี่ยนสภาพทั้งทางกายภาพ และทางเคมี กลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีความแข็งแรง ทนทานต่อการใช้งาน และรวมถึงความสวยงาม กระบวนการเผาเซอรามิกส์ มีหลายแบบขึ้นกับชนิดของเซรามิกส์ที่ผลิต ส่วนมากจะมีการเผาสองครั้ง เรียกว่าการเผาดิบ (biscuit firing) และเผาเคลือบ (glost firing) ในโรงงานที่ผลิตเซรามิก ประเภทพอร์ซเลน (porcelain) จะเผาผลิตภัณฑ์ ที่อุณหภูมิสูง มากกว่า 1,250 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นการเผาครั้งเดียว และการเผาตกแต่ง โดยการเผาแบบนี้นิยมใช้เผาสีเซรามิก ที่ใช้เขียนบนผลิตภัณฑ์เซรามิก ที่ผ่านการเผาเคลือบมาแล้ว ซึ่งจะนำมาเขียนลายสวยงามและเผาตกแต่งอีกครั้ง เช่น ชาม ถ้วยลายเบญจรงค์ เป็นต้น
(https://ceramicartsnetwork.org)
Ceramic ที่คนทั่วไปมักจะรู้จักผลิตภัณฑ์เซรามิกและคุ้นชินในชีวิตประจำวัน เช่น ถ้วย จาน ชาม โถ เครื่องสังคโลกกระจก แก้ว กระเบื้องปูพื้น กระเบื้องหลังคาเซรามิก โอ่ง วัสดุทนไฟ แผ่นรองเผาในเตา อิฐก่อสร้าง กระถางต้นไม้ ปูนซีเมนต์ ยิปซั่ม ปูนปลาสเตอร์ เป็นต้น แต่ในทางวัสดุวิศวกรรม พบว่าผลิตภัณฑ์เซรามิกนั้นยังมีอีกมากมาย ซึ่งบางสิ่งนึกไม่ถึงว่าเป็นวัสดุเซรามิก แต่เราใช้อยู่ในชีวิตประจำวัน เช่น อิเล็กทรอนิกส์ โทรศัพท์มือถือ โทรทัศน์ วิทยุ รถยนต์ อุปกรณ์ในเครื่องจักร ลูกถ้วยไฟฟ้า กระดูกเทียม ฟันปลอม เป็นต้น
ผลิตภัณฑ์เซรามิกเหล่านี้มีรูปร่างลักษณะแตกต่างกัน เนื่องจากมีกระบวนการขึ้นรูปที่ต่างกันนั่นเอง
(https://www.boredpanda.com)
การขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ Ceramic
กระบวนการดั้งเดิมในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ Ceramic
Ceramic มีกระบวนการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ หลากหลายวิธี เช่น การเทเเบบ การใช้เเป้นหมุน การใช้เครื่องขึ้นรูป การอัดเนื้อดินผ่านหัวเเบบ เเละการอัดผงเนื้อดินลงในเเบบ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิด รูปร่าง คุณภาพ เเละสมบัติของผลิตภัณฑ์
ข้อจำกัด ของกระบวนการดั้งเดิมในการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ Ceramic
♦ ใช้เวลาในการผลิตนาน
♦ มีหลายขั้นตอน
♦ ต้องมีความเชี่ยวชาญ
♦ ไม่สามารถควบคุมขนาดได้
♦ ผลิตได้ในปริมาณน้อย
การขึ้นรูปผลิตภัณฑ์เซรามิกมีอยู่หลายวิธี สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่มหลักๆ คือ
1. การขึ้นรูปโดยอาศัยความเหนียว
การขึ้นรูปโดยอาศัยความเหนียว (plastic forming) เป็นวิธีการขึ้นรูปที่เก่าแก่ที่สุด การเตรียมเนื้อดินปั้นจะกระทำโดยการผสมดินกับวัตถุดิบอื่นๆ และนวดให้เข้ากันดี หรืออาจผสมในรูปของน้ำดินแล้วนำไปกรองให้เป็นแผ่น จากนั้นจึงนำไปขึ้นรูป ซึ่งอาจแบ่งได้เป็นอีกหลายวิธี ดังต่อไปนี้
1.1 การขึ้นรูปแบบปั้น
1.2 จิกเกอริ่ง (jiggering)
(https://sistacafe.com)
1.3 การรีด (extrude)
(http://www.energycocera.com)
2. การขึ้นรูปแบบหล่อ
การขึ้นรูปด้วยกระบวนการหล่อ คือ การเทเเบบ (casting) โดยเริ่มจากการผสมดินกับน้ำจนให้อยู่ในรูปน้ำดินข้นๆ (slip) เป็นเนื้อเดียวกัน และไหลได้ดี จากนั้นจึงเทลงในเเบบตามรูปร่างต่างๆ ที่ต้องการ การเทเเบบผลิตภัณฑ์ที่มีความหนา จะปล่อยเนื้อดินไว้ในเเบบพิมพ์จนเเข็งตัว จากนั้นจึงเเกะเเบบ เเละตกเเต่งผลิตภัณฑ์ให้เรียบร้อย
สำหรับผลิตภัณฑ์ที่ต้องการทำผนังให้บางหรือมีความหนาสม่ำเสมอ เมื่อเนื้อดินบริเวณผิวเเบบเริ่มเเห้ง เเละมีความหนาพอสมควร จึงเทน้ำดินที่เหลือออกจากเเบบ จากนั้นตกเเต่งรอบๆ ผลิตภัณฑ์เเล้วจึงเเกะผลิตภัณฑ์ออกจากเเบบพิมพ์
(https://www.outdesign.co)
แบบพิมพ์เป็นปูนปลาสเตอร์จะมีรูเล็กๆ สามารถดูดซึมน้ำได้ จึงทำหน้าที่ในการดูดน้ำ และทำให้เนื้อดินเกาะติดกับผนังแบบพิมพ์ ได้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างตามที่กำหนดหรือออกแบบไว้ วิธีนี้สามารถขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ได้หลากหลายรูปทรง และมีรายละเอียดมาก หรืองานที่ค่อนข้างซับซ้อน งานแกะสลักชิ้นงานที่มีรูปทรงเหลี่ยม หรือทรงอิสระต่างๆ ข้อด้วยของวิธีการหล่อแบบ คือ ต้องใช้น้ำในปริมาณมากสำหรับการขึ้นรูปด้วยวิธีการนี้ จึงทำให้การหดตัวหลังอบแห้งสูง ทำให้เกิดการแตกหรือบิดเบี้ยวของชิ้นงานได้ง่าย
ตัวอย่างของผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปด้วยวิธีนี้ ได้แก่ เช่น สุขภัณฑ์ ถ้วยชาม เเจกัน ขวด เป็นต้น
(https://www.cotto.com)
3. การอัด
การอัด (pressing) วิธีนี้จะเตรียมเนื้อดินปั้นให้อยู่ในรูปของผงกลมๆ ที่ไหลตัวได้ดี จากนั้นจึงนำไปอัด ด้วยเครื่องอัดแรงดันสูงเพื่อให้เกาะติดกันเป็นแผ่น วิธีนี้จะใช้น้ำในการขึ้นรูปน้อยที่สุด ทำให้ผลิตภัณฑ์หลังอบแห้ง มีการหดตัวน้อยกว่าาวิธีอื่นๆ แต่รูปทรงผลิตภัณฑ์ที่สามารถขึ้นรูปได้มีจำกัด
ตัวอย่างของผลิตภัณฑ์ที่ขึ้นรูปด้วยวิธีนี้ ได้แก่ กระเบื้องชนิดต่างๆ เป็นต้น
(http://hatyaihomeguide.blogspot.com)
Ceramic ดีอย่างไร
ข้อดี
♣ มีความแข็งมาก
♣ ต้านทานความสึกหรอ
♣ ทนไฟ และอุณหภูมิสูง
♣ เป็นฉนวนความร้อน
♣ ฉนวนไฟฟ้า
♣ ไม่มีคุณสมบัติแม่เหล็ก
♣ ทนต่อปฏิกิริยาออกซิเดชัน
♣ มีความคงตัวทางเคมี
♣ ทนต่อสารเคมี เช่น กรด
ข้อเสีย
♦ เปราะง่าย
♦ น้ำหนักมาก
♦ มีความยืดหยุ่นตัวต่ำ
♦ ไม่ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว
♦ ราคาแพง
♦ กระบวนการผลิตซับซ้อน และหลายขั้นตอน
3D Printers Ceramic มีอะไรบ้าง
แน่นอนว่ากระบวนการทางเทคโนโลยีนั้นสามารถนำมาใช้เพื่อความสนุกสนาน สร้างจินตนาการ ไม่เพียงเท่านั้นยังเป็นการสร้างประโยชน์ให้กับการดำรงชีวิตของมนุษย์อย่างมากมาย ปัจจุบัน Ceramic 3D Printer เป็นเทคโนโลยีเพื่อช่วยปรับปรุงกระบวนการผลิตให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ลดปริมาณของเสียที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิต สำหรับวัสดุเซรามิกเป็นเทรนด์ล่าสุดที่อยู่ในความสนใจอย่างมาก ซึ่ง 3d printing กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วและมีบทบาทสำคัญ เนื่องจากคุณสมบัติที่ดีต่าง ๆ ของเซรามิก ถูกนำมาใช้งานที่หลากหลายรวมถึงอุตสาหกรรมเคมี, เครื่องจักร, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์, เครื่องบิน ยานอวกาศ และวัสดุชีวการแพทย์ คุณสมบัติที่ทำให้เซรามิกเป็นสเมือนวัสดุอเนกประสงค์นั้นรวมถึงความแข็งแรง และความเสถียรทางความร้อนและสารเคมี ให้ประสิทธิภาพทางแสง และทางไฟฟ้าและแม่เหล็กที่ดี
การใช้ 3D Printer ในงาน Ceramic สามารถพบได้บ่อย คือ ปูนซีเมนต์ ดินเหนียว วัสดุทางการแพทย์ วัสดุกึ่งโลหะ การพิมพ์เซรามิก ด้วยเทคโนโลยีนี้ ข้อดีคือรวดเร็วและสะดวกสบาย ปริ้นขนาดเล็กๆ ไปจนถึงขนาดใหญ่ เวลาที่ใช้ขึ้นอยู่กับขนาดของชิ้นงาน เครื่องพิมพ์เซรามิกสามารถทำให้งานออกมาในระดับมืออาชีพที่ยอดเยี่ยม ควบคุมคุณภาพให้ทุกชิ้นเหมือนกันได้
การใช้ 3D Printer สำหรับงานเซรามิกจะอยู่ในรูปแบบของวัตถุดิบเซรามิกที่ผ่านการแปรรูปก่อนการพิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3d printing โดยทั่วไปสามารถแบ่งออกเป็นส่วนผสมของเหลวกับของแข็ง เช่น ซีเมนต์, แบบผง และ bulk solid-based ที่เห็นคุ้นตาจะเป็นเครื่องแบบ FDM หรือเครื่อง Extrusion ที่รีดวัสดุให้ไหลผ่านหัวฉีด
ในขณะที่เซรามิกวิศวกรรมจะนิยมใช้เทคโนโนโลยีอื่นๆมากกว่า
สิ่งสำคัญของเทคโนโลยี 3d printer ที่ใช้สารละลายผสมระหว่างเซรามิกกับพอลิเมอร์ จะมีความหนืดต่ำ (∼mPa · s) มีเซรามิกต่ำ (สูงถึง 30 vol%) ไปจนถึงความหนืดสูง ความข้นเหลวของเซรามิกทำได้มากถึง 60 vol%
การใช้ Ceramic 3D Printer มีแนวโน้มการเติบโตของเทคโนโลยี 3d printer มีการเติบโตในทิศทางที่ดีทางอุตสาหกรรม และการศึกษา มีความก้าวหน้าอย่างมากในการเลือกใช้วัสดุเซรามิกที่ใช้งานได้ การผลิตจำนวนมากในอุตสาหกรรมนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทายมาก และส่วนประกอบเซรามิกที่มีขนาดใหญ่ขึ้นยังคงหายากและยากที่จะผลิตด้วย 3d printer เนื่องจากลักษณะเปราะบางสูงและสัมประสิทธิ์การขยายตัวต่ำ ซึ่งเป็นความท้าทายที่เทคโนโลยีนี้ต้องเผชิญกับการใช้สารเติมแต่ง
การนำไปใช้งาน
เซรามิกสามารถนำมาประยุกต์ เพื่อผลิตเป็นผลิตภัณฑ์ประเภทต่าง ๆ ได้มากมาย และได้มีความเจริญก้าวหน้าในกระบวนการผลิต ตลอดจนมีความเข้าใจในลักษณะพื้นฐาน และกลไกที่ควบคุมคุณสมบัติของเซรามิก ทำให้มีการพัฒนาเซรามิกประเภทใหม่ๆ ได้หลากหลายรูปแบบมากขึ้น คำว่าเซรามิกจึงมีความหมายที่กว้างขึ้นรวมถึงเซรามิกที่มีคุณสมบัติพิเศษเหล่านี้ด้วย โดยวัสดุเหล่านี้ได้ถูกนำไปใช้ในงานต่าง ๆ เช่น
♠ ทางด้านวิศวกรรม ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์
♠ วัสดุและอุปกรณ์การแพทย์
♠ งานศิลปะ
♠ การก่อสร้างอาคาร
(https://www.cgtrader.com)
แหล่งที่มา
– แม้น อมรสิทธิ์ และสมชัย อัครทิวา. วัสดุวิศวกรรม
– M. Bengisu. 2013. Engineering ceramics
– Gibson et al., 2014. Additive manufacturing technologies: 3D printer, rapid prototyping,and direct digital manufacturing
– Zhangwei Chen et al., 2018. 3D printer of ceramics: A review
– Ridhish Kumar et al., 2018. 3D Printer in Biomedical Applications
– Qian Yan et al., 2018. A Review of 3D Printer Technology for Medical Applications
– https://www.3dnatives.com/en/ceramic-3d-printer-market-growth
– https://3dfabprint.com/3d-printer-ceramics-how-does-this-technology-work
– https://www.sculpteo.com
– http://3dceram.com/en/materiaux-ceramique-impression-3d/
