3D Printing หรือเครื่องปริ้น 3D คืออะไร
3D Printing หรือเครื่องพิมพ์ 3 มิติ คนส่วนใหญ่คงไม่คุ้น แต่ถ้าเป็นคำว่า “ ปริ้น ” หรือ “ พิมพ์ ” เราคงคุ้นเคยจนเป็นเรื่องปกติในชีวิต เทคโนโลยีดังกล่าวเป็นการ แปลงข้อมูลที่เป็นดิจิตอล เช่น ตัวอักษร หรือภาพถ่าย ที่เราทำในโปรแกรมคอมพิวเตอร์เช่น Microsoft Word Excel หรือ Power Point ออกมาเป็นภาพบนกระดาษที่เราสามารถจับต้องได้ ยกตัวอย่าง การพิมพ์เอกสารโดยเครื่องพิมพ์เลเซอร์ (Laser printer) พิมพ์ภาพถ่ายจากกล้องดิจิตอลโดยเครื่องพิมพ์น้ำหมึก (Inkjet printer) หรือพิมพ์ใบเสร็จจากเครื่องพิมพ์หัวเข็ม (Dot matrix)
ในขณะที่การพิมพ์ 3 มิติ (3D Printing) ก็อาศัยหลักการเดียวกัน คือแปลงข้อมูลดิจิตอลที่เป็น แบบจำลอง 3 มิติ หั่นออกมาเป็น ข้อมูล 2 มิติ หลายๆชั้น ขั้นตอนนี้เราเรียกว่า การแบ่งชั้น (Slicing) จากนั้นจึงส่งข้อมูลไปยังเครื่องพิมพ์ ให้เริ่มพิมพ์ชิ้นงานทีละชั้นจนได้แบบจำลองสามมิติตามที่ได้ออกแบบไว้ ซึ่งการพิมพ์ลักษณะนี้เราสามารถเรียกได้อีกอย่างว่าการผลิตแบบเติมเนื้อ (Additive manufacturing, AM) (อ่านบทความ What is 3D Printing)
1984: กำเนิด 3D Printer เครื่องแรกของโลก
Chuck Hull เป็นผู้คิดค้นเทคโนโลยีการผลิตแบบ Stereolithography (SLA) ซึ่งถือว่าเป็นเครื่อง 3D Printer ทางการค้าเครื่องแรกของโลก ซึ่งก่อนหน้านั้นมีความพยายามจดสิทธิบัตรที่คล้ายคลึงกันจากฝรั่งเศส และญี่ปุ่น แต่ไม่สำเร็จ กว่าสิทธิบัตรจะอนุมัติมีผล ก็ผ่านไป 2 ปี คือ 1986 และเป็นปีที่เริ่มก่อตั้งบริษัท 3D System และจำหน่ายอย่างเป็นทางการ
ไทม์ไลน์
1980: Dr.Kodama จดสิทธิบัตรเทคนิคการขึ้นรูปต้นแบบแต่ไม่สำเร็จ โดนปฏิเสธจากคณะกรรมการ
1984: ทีมฝรั่งเศสจดสิทธิบัตรการขึ้นรูปเรซิน 3D ไม่สำเร็จ
1986: กำเนิดเทคโนโลยี Stereolithography อย่างเป็นทางการ โดยมี Charles (Chuck) Hull เป็นผู้ประดิษฐ์ จดสิทธิบัตร โดยใช้ชื่อ “Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography” (US Patent 4575330A)
1987: SLA 3D Printer เครื่องแรกวางจำหน่าย
หลักการทำงาน
หลักการของเทคโนโลยี SLA 3D Printer คือการยิงแสงยูวีความเข้มสูง ไปยังเรซิน (Photopolymer) เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมี เปลี่ยนจากของเหลวกลายเป็นของแข็ง ซึ่งปัจจุบัน มีเรซินหลากหลายชนิด ตามความต้องการของผู้ใช้ เช่น เรซินสำหรับงานต้นแบบ (prototype resin) เรซินหล่องานจิวเวรี (casting) เรซินงานทันตกรรม (dental) เรซินวิศวกรรม (engineering) เป็นต้น
1988: เทคโนโลยี Fused Deposiotn Modelling (FDM)
เป็นเทคโนโลยีที่มีการใช้งานมากที่สุดในโลก คิดค้นขึ้นโดย Scott Crump ร่วมกับภรรยาคือ Lisa Crump และก่อตั้งบริษัท Stratasys ขึ้นมา ซึ่งบริษัทดังกล่าวมีการเติบโตอย่างรวดเร็ว และกลายเป็นบริษัทด้าน Additive Manufacturing (AM) ที่มีรายได้มากที่สุดในโลก
หลังจากสิทธิบัตร FDM หมดอายุในปี 2009 ก็มีหลายบริษัทที่เอาเทคนิคดังกล่าวไปพัฒนาและจำหน่าย เช่น Makerbot Ultimaker Lulzbot หรือ Reprap Project ปัจจุบัน Makerbot 1 ในผู้นำยุคบุกเบิกของ Open Source 3D Printer ถูกรวมเข้าเป็นส่วนหนึ่งของ Stratasys เน้นไปที่ตลาดการศึกษาและอุตสาหกรรมระดับเริ่มต้น
หลักการทำงาน
หลักการของเทคโนโลยี FDM 3D Printer คือมีการการหลอมเหลววัสดุ (พลาสติก) ที่บริเวณหัวขึ้นรูป ซึ่งเคลื่อนที่ได้ตามคำสั่งที่ป้อนเข้าไป ซึ่งเมื่อเติมเนื้อวัสดุทีละชั้นตามแบบก็จะได้ชิ้นงาน 3 มิติ ที่มีรูปร่าง หน้าตา เหมือน 3D Model ที่ต้องการ
1987: เทคโนโลยี Selective Laser Sintering (SLS)
เทคโนโลยีการพิมพ์ 3D ระดับสูงอย่าง SLS เกิดขึ้นจากไอเดียของ Carl Deckard สมัยเรียนอยู่ปริญญาตรี มหาวิทยาลัย Texas at Austin ซึ่งได้พัฒนาต่อมาเรื่อยๆร่วมกับ กับโปรเฟสเซอร์ Joe Beaman จนตั้งบริษัท Desk Top Manufacturing (DTM) Corp เพื่อจำหน่ายเครื่อง SLS 3D Printer หลังจากนั้นบริษัทฯได้โดนซื้อไปโดยบริษัท 3D System ในปี 2001 ปัจจุบัน Carl ยังคงอยู่ในแวดวงการพิมพ์ 3 มิติ เน้นไปที่การพัฒนาวัสดุสำหรับเครื่อง SLS ที่ตัวเองเป็นคนคิดค้นขึ้นนั่นเอง
ปัจจุบัน Carl ได้เสียชีวิตแล้วเมื่อวันที่ 23 ธันวาคม 2562
หลักการทำงาน
SLS ใช้แสงเลเซอร์ Co2 พลังงานสูง ยิ่งไปยังวัสดุผงให้หลอมติดกัน ดังนั้นจึงค่อนข้างอันตราย และมีราคาแพง ไม่เหมาะสำหรับคนทั่วไป นอกจากนี้วัสดุที่เป็นผงยังควบคุมยาก ราคาสูง ส่วนใหญ่เป็นไนลอน (PA12) เทคโนโลยีนี้ให้ความแข็งแรงของชิ้นงานสูงมาก รวมถึงมีอิสระในการขึ้นรูปชิ้นงานมากกว่ากรับวนการอื่น เนื่องจากไม่ต้องมี support รองรับชิ้นงาน
1993: เทคโนโลยี Binder Jetting
พัฒนาขึ้นใน MIT ประเทศสหรัฐอเมริกา โดยภายหลังตั้งบริษัทชื่อ Z Coporation หรือ Z-Corp ซึ่งโดนซื้อกิจการไปโดย 3D Sysem ทั้งนี้เทคโนโลยี Binder นั้นมีอีกบริษัทที่เป็นเจ้าของสิทธิบัตรแบบเต็มใบคือ ExOne ที่เน้นการผลิตชิ้นส่วนในอุตสาหกรรมโลหะเป็นหลัก ดังนั้นจึงไม่เห็นเครื่องปริ้นโลหะแบบ Binder จาก 3D System หรือ Z-Corp เลย
หลักการทำงาน
วัสดุที่ใช้ในการผลิตของ Binder ยุคแรกคือเป็นยิบซัม หรือผงแป้ง โดยมีหัวฉีด Inkjet ที่พ่นตัวประสานหรือ Binder ลงมา แทนที่จะเป็นการยิงเลอซร์ความร้อนสูงแบบ SLS ดังนั้นความร้อนในกระบวนการผลิตจึงต่ำกว่า หลายๆครั้งใน Youtube จะเห็นเครื่องทำงานแบบเปิดฝาให้ดูได้อย่างใกล้ชิดเลย
1998: Polyjet
คิดค้นโดยบริษัท Object จากอิสราเอล โดย Rami Bonen Gershon Miller และ Hanan Gothait ปัจจุบันเป็นส่วนหนึ่งของบริษัทยักษ์ใหญ่อย่าง Stratasys ไปแล้ว ก่อนหน้านั้นได้รับเงินลงทุนหลักพันล้านบาทจากกองทุนของยุโรปและอเมริกา เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่ล้ำหน้า และสามารถสร้าง Multi Materials ได้อย่างดีเยี่ยมในขณะนั้น รวมถึงความเร็วและความแม่นยำในการผลิตอยู่ในระดับสูง ปัจจุบันก็ยังเป็นกลุ่มเทคโนโลยีหลักของ Stratasys มีเครื่องระดับสูงมากมาย โดยที่เปิดตัวไปเมื่อปี 2017 คือเครื่องรุ่น J750 ที่สามารถพิมพ์งานสีเสมือนจริงได้เลย (ที่มา: ข้อมูล Stratasys J750)
หลักการทำงาน
มีการทำงานคล้ายคลึงกับเครื่อง Inkjet Printer ที่มีหัวพ่นหมึกตั้งแต่ 1 หัว จนถึงหลายหัวในเครื่องระดับสูง พ่น Photopolymer ที่เซ็ทตัวเมื่อได้รับแสง UV ดังนั้นผู้ใช้สามารถที่จะเลือกวัสดุการพิมพ์ในแต่ละส่วนให้แตกต่างกันได้ รวมทั้งสามารถผสมสี เพื่อให้ชิ้นงานออกมาสีเสมือนภาพจริงได้เลย เป็นเทคโนโลยีขั้นสูงในปัจจุบัน
2001: โปรเจคเรปแรป Reprap
เป็นโปรเจคที่เกิดขึ้นในมหาวิทยาลัย Barth ประเทศอังกฤษโดย Dr.Adrian Bowyer ที่ต้องการสร้างเครื่อง 3D Printer ที่สามารถผลิตตัวเองออกมาได้เรื่อยๆ (replicate) โดยตัวโปรเจคเป็นการทำงานร่วมกับคนทั้งโลก มีการเปิดเผยทั้งข้อมูล 3D Model โปรแกรม Source code หรือ Firmware ตามกฏสากลที่ใช้กันในยุคของ arduino micro controller ดังนั้นตัวโปรเจคจึงพัฒนาไปไวมากในช่วงหลัง มี 3D Printer รูปแบบต่างๆออกมามากมาย แต่รูปแบบที่นิยมมากที่สุดของ Prusa I3 คิดค้นโดย Josef Prusa ซึ่งปัจจุบันเป็น 1 ใน 3D Printer ที่มีคนนิยมใช้ทั่วโลก และมีการนำแนวคิดไปพัฒนาเพิ่มเติมมากมาย โดยเฉพาะเครื่องจากประเทศจีน
ผลจากโปรเจคนี้ทำให้เรามีเครื่อง FDM 3D Printer ราคาถูกใช้ในปัจจุบัน ในขณะที่ ReprapPro ของ Dr.Adrian Bowyer ต้องปิดตัวไปในปี 2016 เนื่องจากการแข่งขันกันสูงมากด้านราคา ผู้เขียนเองก็มีเครื่อง original ของ reprap เอง 1 เครื่องไว้เป็นที่ระลึก
2009: Makerbot ผลผลิตจาก Reprap
Mekerbot ก่อตั้งโดย Bre Pettis, Adam Mayer และ Zach Hoeken Smith ซึ่งเริ่มต้นมาจาก Reprap Project พัฒนาเครื่องระบบเส้นพลาสติก จนทำยอดขายไปมากกว่า 100,000 เครื่องในปัจจุบัน นอกจากนี้ยังเป็นผู้ริเริ่มเวบไซต์ 3D Model อย่าง Thingiverse ที่มีไฟล์ให้ดาว์นโหลดเป็นแสนๆไฟล์ในปัจจุบัน
ในยุคแรกนั้น Makerbot เน้นไปที่เครื่องระบบ Open Source ทั้งชิ้นส่วนต่างๆ Firmware จนเป็นที่มาของเครื่องเลียนแบบจากจีนมากมาย อย่างไรก็ตามในปี 2013 บริษัท Stratasys ได้เข้าซื้อกิจกรรมเป็นมูลค่าสูงเกือบ 20,000 ล้านบาท และนั่นเป็นจุดเปลี่ยนของบริษัทที่เริ่มกลายเป็นบริษัทที่ผลิตเครื่องกึ่งอุตสาหกรรมระบบ Closed Source จนถึงปัจจุบัน (ที่มา: Makerbot Wikipedia)
2012: Prusa Research จาก 1 สู่ 100,000 เครื่อง
ปัจจุบันเครื่อง FDM 3D Printer แบบ Prusa I3 เป็นที่นิยมไปทั่วโลก มียอดขายเฉพาะยี่ห้อตัวเอง เป็นแสนเครื่อง ยังไม่นับรวมยี่ห้อจากจีนที่ลอกเลียนแบบไปใช้อีกเป็นจำนวน มีจุดเด่นตรงที่เรียกกว่า Open Source ทั้งหมด รายละเอียกตัวเครื่องแบบ Drawing ไฟล์ 3D Model Firmware ทุกอย่างสามารถ Download ได้หมด นอกจากนี้ก่อนหน้า ผู้ที่ซื้อเครื่องไปใช้ “ต้องประกอบเครื่องเอง” ทำให้เกิดทักษะในการใช้งานตั้งแต่เริ่มต้น
จุดเริ่มต้นของ Josef Prusa เกิดจากความหลงใหลในเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ตั้งแต่อยู่ในมหาวิทยาลัยปี 2009 และได้ทดลองสร้างเครื่องขึ้นเองจากข้อมูลโปรเจค Reprap และพัฒนามาเรื่อยๆ ตลาดหลักมาจากกลุ่ม Maker ที่ชอบดัดแปลง แก้ไขเครื่องให้มีประสิทธิภาพที่ดียิ่งขึ้น ปัจจุบัน Prusa เติบโตเป็นบริษัทขนาดใหญ่โตมีพนักงานมากกว่า 300 คน มีเครื่อง 3D Printer ที่คอยผลิตชิ้นส่วนมากกว่า 500 เครื่อง เพื่อป้อนให้กับเครื่องของตัวเอง ปัจจุบันรุ่นล่าสุดคือ Original Prusa I3 MK3S และเครื่องแบบเรซินคือ Prusa SL1 นอกจากนี้ยังเปิดสายการผลิตเส้น Filament ของตัวเองอีกด้วย เรียกว่าครบทั้งต้นน้ำและปลายน้ำเลย
