เทคโนโลยี 3D Printing มีกี่แบบ อะไรบ้าง และแตกต่างกันอย่างไร

เครื่อง 3D Printer ได้รับความสนใจเป็นอย่างมากจากบุคคลทั่วไป โรงงาน และภาคการศึกษา เนื่องจากสามารถสร้างสินค้าและผลิตภัณฑ์ รวมถึงงานต้นแบบ (Rapid Prototype) ได้อย่างรวดเร็ว ลงทุนน้อย และไม่ต้องใช้เครื่องจักรขนาดใหญ่ที่มีความยุ่งยากเหมือนในอดีต หลักการทำงานของเครื่อง 3D Printer มี 4 ขั้นตอนตามภาพด้านล่างสร้างแบบจำลอง 3 มิติ (3D Model) โดยใช้โปรแกรมเขียนแบบในคอมพิวเตอร์ เช่น Solidworks Autocad Sketchup Rhinoนำแบบจำลองดังกล่าวเข้าสู่โปรแกรม Slice เฉือนชิ้นงานออกเป็นชั้นๆ ตามความละเอียดที่ทำได้เติ่มเนื้อ (Additive) ด้วยเทคโนโลยีต่างๆ ทีละชั้น จนได้งานตามแบบขัด ตกแต่ง ประกอบ ทำสี ชิ้นงานตามต้องการเทคโนโลยีการเติมและวัสดุที่ใช้ในปัจจุบันมีหลากหลายมีข้อดี-ด้อยแตกต่างกันออกไป ดังนั้นบทความนี้ได้รวบรวม 6 เทคโนโลยีหลักที่ใช้ในปัจจุบัน เพื่อเป็นข้อมูลให้คนที่สนใจเลือกใช้ให้เหมาะสมกับความต้องการ

ส่วนใครต้องการข้อมูลพื้นฐานอ่านได้ในบทความนี้ “What is 3D Printing“

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ ในปัจจุบัน

1. Fused Deposition Modelling (FDM, FFF)

FDM เป็นเทคโนโลยีของเครื่อง 3D Printer ที่เกิดขึ้นอันดับแรกๆ โดยประดิษฐ์และคิดค้นขึ้นโดย Scott Crump ในปี 1989 ร่วมกับภรรยาของเขาคือ Lisa Crump ทั้งสองคนได้ก่อตั้งบริษัท Stratasys ที่เป็นบริษัทด้าน 3D Printing ที่ใหญ่ระดับโลกอยู่ในตลาดหุ้น NASDAQ ของประเทศอเมริกา มีรายได้ต่อปีมากกว่า 20,000 ล้านบาท เทคโนโลยี FDM นั้นมีส่วนประกอบหลักคือ วัสดุที่เป็นเส้นลวดพลาสติก (Filament) ระบบดันเส้น (Extruder) ระบบการเคลื่อนที่ สุดท้ายคือระบบให้ ความร้อนและหัวฉีด (Nozzle) ซึ่งทำงานสัมพันธ์กันทั้งหมด

ข้อดีของ FDM

• ระบบการทำงานง่ายไม่ซับซ้อน
• ค่าบำรุงรักษาต่ำ
• วัสดุให้ใช้หลากหลาย
• หาซื้อได้ง่าย
• ความแข็งแรงขึ้นกับชนิดของ Filament
• ราคาเครื่องมีให้เลือกตั้งแต่ DIY จนไปถึงระดับเครื่องมาตรฐานอุตสาหกรรม
•  ตกแต่งชิ้นงานหลังการพิมพ์ด้วยเครื่องมือทั่วๆไปได้
•  ใช้ทักษะและเวลาในการเรียนรู้น้อยกว่ากระบวนการอื่นๆ

ข้อด้อยของ FDM

• ความเร็วในการผลิตต่ำ เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการอื่น
• คุณภาพของผิวต้องมีการตกแต่งเพิ่มเติม (post processing)
• ความแข็งแรงด้อยกว่ากระบวนการอื่นๆ เนื่องจากรอยประสานระหว่างชั้น (weld line)
• มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่เยอะ การบำรุงรักษาต้องทำอย่างสม่ำเสมอ

จากข้อดี-ข้อด้อยที่กล่าวมา จะเห็นได้ว่าเทคโนโลยีแบบ FDM เป็นที่นิยมมากที่สุดในโลก โดยเฉพาะในกลุ่มผู้บริโภคทั่วไป ที่ไม่ใช้โรงงานผลิตขนาดใหญ่ มีให้เลือกใช้

2.Stereolithography (SLA, DLP) Resin 3D Printer

SLA เป็นเทคโนโลยี 3D Printer แรกที่เกิดขึ้นบนโลก โดย Chuck Hull ในปี 1984 ผู้ก่อตั้งร่วมบริษัท 3D System โดยเทคนิคการฉายแสง UV ทำให้ของเหลวเรซิน เกิดปฏิกริยาทางเคมีกลายเป็นของแข็ง (Curing) ซึ่งพัฒนามาจากประสบการณ์ เป็นช่างเคลือบผิว (Coating) นั่นเอง บทความนี้เน้นไปที่เครื่องราคาไม่แพง ขนาดการพิมพ์ระดับเล็ก ดังนั้นจึงเป็นเครื่องชนิด Top-Down หรือฐานพิมพ์เลื่อนลงทั้งหมด

ส่วนประกอบหลักของเทคโนโลยีนี้คือ แหล่งกำเนิดแสง UV โดยเป็นได้ทั้งเลเซอร์ (Laser scan, Galvanometer หรือแหล่งกำเนิดภาพและแสงแบบดิจิตอล (Digital Light Processing, DLP) เช่น โปรเจคเตอร์ฉายภาพ สุดท้ายคือที่เป็นที่นิยมในปัจจุบันคือจอ LCD+UV LED ชิ้นส่วนถัดมาคือภาชนะสำหรับใส่น้ำเรซิน (VAT) ที่มีทั้งเป็นเป็นอะคริลิก ซิลิโคน อลูมิเนียม บริเวณด้านล่างทำจากวัสดุที่ทำให้เรซินไม่ติดเช่น FEP หรือ PDMS บางผู้ผลิตใช้เป็นกระจกชนิดพิเศษ สุดท้ายคือฐานพิมพ์ (Build plate) ที่สำหรับขึ้นรูปเป็นชิ้นงานทีละชั้น

SLA VS DLP VS LCD แบบไหนดีกว่ากัน

ด้วยเทคโนโลยีเรซิน 3D Printer มีแหล่งกำเนิดแสงและภาพคนละแบบ ดังนั้นจึงมีข้อเด่นและข้อด้วยแตกต่างกันออกไป เลยนำตารางเปรียบเทียบ สำหรับเป็นข้อมูล โดยเน้นไปที่เครื่องระดับคนทั่วไปสามารถจัดหาซื้อได้ ส่วนภาพรวมคือ

• SLA ขนาดการพิมพ์เริ่มต้นจะใหญ่กว่าและมีขนาดใหญ่สุดเป็นเมตร ส่วน DLP จะเน้นความเร็วและความละเอียดในเครื่องระดับสูง โดยเฉพาะงานจิวเวรี ทันตกรรม และโมเดลย่อส่วน
• ความเร็วในการพิมพ์เต็มถาด จะช้ากว่า DLP ส่วนถ้าชิ้นเล็กๆ ขึ้นอยู่กับยี่ห้อของเครื่องหาซื้อได้ยาก จะมีไม่กี่ยี่ห้อในไทย ขณะที่ DLP มีตัวเลือกเยอะมากหลักหมื่นต้นๆก็หาได้แล้ว

การเลือกซื้อเครื่อง

SLA  DLP และ LCD 3D Printer เป็นเครื่องที่ต้องลงทุนสูงกว่าเครื่อง FDM ในภาพรวม ถึงแม้ปัจจุบันจะมีเครื่องราคาถูกหลักหมื่นต้นๆออกมา แต่ด้านวัสดุที่ใช้ก็ยังมีราคาแพงกว่าเส้นพลาสติก Filament หลายเท่า รวมถึงขั้นตอนที่ยุ่งยากทั้ง ก่อนพิมพ์-หลังพิมพ์

เครื่องกลุ่มนี้เน้นสำหรับคนที่ต้องการคุณภาพการพิมพ์สูงที่สุด ในระดับที่ต้องการขายเป็นผลิตภัณฑ์จริง เนื่องจากการทำสี ตกแต่งทำได้ง่ายกว่า เหมาะกับผู้ใช้ในกลุ่ม Art toy, Scale model, Figture, Jewelry, Dentist ส่วนคนที่ยังไม่แน่ใจว่าต้องการชิ้นงานแบบไหน แนะนำเป็นเครื่อง FDM แทน เนื่องจากตอบโจทย์ความต้องการพื้นฐานทางด้านราคาและขนาดการพิมพ์ได้ดีกว่า ส่วนคนที่ต้องการซื้อนั้นขึ้นกับงบประมาณเป็นหลัก เครื่อง SLA 3D Printer ที่ขายในไทยเริ่มต้นอยู่เกือบๆ 2 แสนบาท พร้อมซอฟแวร์และระบบต่างๆพร้อมใช้งาน หากงบประมาณไม่ถึงแนะนำเป็นเครื่องแบบ LCD 3D Printer ซึ่งปัจจุบัน คุณภาพเรียกว่าชนกับเครื่องแพงๆได้เลย 

3. Selective Laser Sintering (SLS)

SLS เป็นเทคโนโลยี 3D Printer ที่คล้ายคลึงกับ SLA โดยมีการยิงแสงเลเซอร์พลังงานสูง ไปยังผงวัสดุ (Powder) ให้เกิดการหลอมเหลวเพียงเสี้ยววินาทีแล้วยึดติดกันเป็นเนื้อเดียว ดังนั้น ด้วยระบบที่ซับซ้อนมากกว่า FDM และ SLA จึงไม่เห็นเครื่อง SLS แบบตั้งโต๊ะ หรือ Desktop SLS มากเท่าไหร่ เพราะความอันตรายทั้งตัวเลเซอร์พลังงานสูง อุณหภูมิในห้องพิมพ์มากกว่า 100 องศาเซลเซียส รวมถึงผงวัสดุที่มีขนาดเล็กระดับนาโนเมตรฟุ้งกระจายได้ง่าย และมีผลต่อระบบทางเดินหายใจ จึงมีเฉพาะเครื่อง SLS ระดับอุตสาหกรรมเป็นส่วนใหญ่ นอกจากตัวเครื่องแล้ว จะมีระบบเติมวัสดุ (Materials dispenser) และระบบทำความสะอาด (Cleaning) รวมอยู่กันด้วยเป็น 1 ระบบ

ข้อดีของ SLS

• ได้ชิ้นงานที่มีความแข็งแรงสูงมาก ทนความร้อน และใกล้เคียงกับชิ้นงานจากการผลิตปกติ
• ผิวของชิ้นงานมีลักษณะเหมือนพ่นทราย ดังนั้นจึงมีลักษณะเฉพาะ ไม่เห็นเป็น layer
• ไม่ต้องใช้ Support ในการขึ้นรูป เนื่องจากตัววัสดุผงทำหน้าที่ในตัว
• พิมพ์ชิ้นงานได้เต็มถาดทั้งความกว้าง ยาว และสูง

ข้อด้อยของ SLS

• ต้นทุนสูงทั้งด้านวัสดุ เครื่องจักร ทักษะของแรงงานที่ใช้เครื่อง
• ทำสีด้วยกระบวนการปกติยาก ต้องใช้การอบสี หรือพ่นสีเฉพาะตัวเพื่อให้สีซึมเข้าไปในเนื้อ
• วัสดุผงที่ใช้แล้วสามารถรีไซเคิลได้เพียง 20-50% เท่านั้น ที่เหลือต้องทิ้งอย่างเดียว
• มีความอันตรายสูง ถึงแม้เครื่องจะมีระบบการป้องกันอย่างดี แต่ตอนเปิดเครื่องและเติมวัสดุต้องใช้ความระมัด ระวัง พร้อมอุปกรณ์เซฟตี้อย่างดี
• ถึงแม้จะขึ้นรูปได้อย่างรวดเร็ว แต่เวลาที่ใช้ในการอุ่นห้องพิมพ์ให้ร้อน และปล่อยให้เย็นตัวใช้เวลานาน

4. Polyjet

Polyjet เป็นเทคโนโลยีที่มีความทันสมัยมากเทคโนโลยีหนึ่ง คิดค้นโดยบริษัทชื่อ Objet Geometries ซึ่งปัจจุบันผนวกรวมเข้ากับบริษัท Stratasys ในปี 2011 หลักการคือใช้หัว Inkjet Printer ขนาดเล็กมากๆ พ่นวัสดุการพิมพ์ที่คล้ายๆเรซิน ทีละชั้นพร้อมฉายแสง UV เพื่อให้คงรูปในทันที ดังนั้นความละเอียดจึงสูงมากมาก เริ่มต้นที่ 600 DPI หรือ 23 ไมครอนตามแกนระนาบ (ปกติความละเอียด 300 DPI ก็เพียงพอสำหรับการปริ้นภาพถ่ายขนาดใหญ่แบบมืออาชีพแล้ว) ในเครื่องระดับอุตสาหกรรมระดับสูง สามารถสร้างผลิตภัณฑ์ที่เรียกว่า Digital Part ได้ โดยแต่ละส่วนของการพิมพ์สามารถกำหนด “สมบัติ” แข็งแรงหรืออ่อนนุ่มได้ รวมทั้ง “เฉดสี” ที่สามารถกำหนดได้เหมือนกำลังระบายสีในโปรแกรมคอมพิวเตอร์ สุดท้ายคือเป็นเทคโนโลยีหนึ่งที่เร็วที่สุดสำหรับการพิมพ์งานใหญ่ โดยชั้นหนึ่ง ใช้เวลาไม่เกิน 3 วินาที และไม่ต้องรอหรือพักให้วัสดุเซ็ทตัวด้วย สามารถพิมพ์ต่อเนื่องได้ทันที อย่างไรก็ตาม หากต้องปริ้นงานละเอียด (DPI สูง) เวลาที่ใช้จะนานขึ้นเป็นเท่าตัว

ข้อดีของ Polyjet

• คุณภาพผิวสวยงาม เหมือนผ่านการฉีดขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์
• มีวัสดุให้เลือกใช้หลากหลายตามความต้องการ
• ขึ้นรูปชิ้นงานได้อย่างรวดเร็ว
• พิมพ์เสร็จสามารถล้างวัสดุ support ออก และพร้อมใช้งานได้เลย
• ปลอดภัยและสะอาดกว่าเทคโนโลยีแบบผง (SLS, Binder) และน้ำเรซิน SLA
• สมบัติของวัสดุเท่ากันตลอดทั้งชิ้นงาน (Isotropic properties)

ข้อด้อยของ Polyjet

• ต้นทุนสูงทั้งด้านวัสดุ เครื่องจักร ทักษะของแรงงานที่ใช้เครื่อง
• หัวฉีดหากมีการเสียหาย หรือต้องซ่อมบำรุงจะมีราคาที่สูงมาก
• เครื่องระดับล่าง วัสดุค่อนข้างมีจำกัด
• ปัญหาการหดตัวของชิ้นงาน (warpage) ยังมีให้เห็นอยู่ ในงานขนาดใหญ่
• ความแข็งแรงของชิ้นงานไม่ได้แตกต่างจากเครื่อง SLA หรือ SLS
• ตัวอย่างชิ้นงานจากเครื่อง Polyjet

การเลือกซื้อเครื่อง Polyjet

Polyjet เป็นเครื่องหนึ่งที่พิมพ์ได้ง่าย ใช้ประสบการณ์น้อย เหมาะกับบริษัทที่มีงานต้นแบบขึ้นรูปจำนวนมาก และต้องการคุณภาพสูงสุด เพื่อให้ลูกค้าพึงพอใจ สำหรับปัจจุบันแบรนด์ที่สามารถหาได้เช่น Stratasys ที่มีหลายรุ่นตอบโจทย์ทั้งงานอุตสาหกรรม โมเดล การแพทย์ 3D Systems สำหรับงานด้านจิวเวลรี การแพทย์ และวิศวกรรม หรือ Mimaki จากญี่ปุ่น สำหรับคนที่เน้นขึ้นโมเดลสีเป็นหลัก

5. Binder Jetting

Binder Jet เป็นอีกเทคโนโลยีหนึ่งของเครื่อง 3D Printer ที่มีความทันสมัยและซับซ้อนมากที่สุด คิดค้นโดยนักศึกษา MIT เมื่อปี 1993 และโดนซื้อลิขสิทธิ์ในการผลิตโดย Z-Corp ในปี 1995 (ปัจจุบันอยู่กับ 3D System) หลักการเป็นการรวมกันของหลายเทคโนโลยี ตั้งแต่วัสดุที่มีลักษณะเป็นผง (Powder) หัวฉีดแบบ Inkjet ที่บรรจุกาวประสาน (Binder) ไว้ โดยชุดหัวฉีดจะเคลื่อนที่เพื่อหยอดกาวประสานตามตำแหน่งต่างๆ ผงวัสดุที่ได้รับก็จะยึดติดเข้าด้วยกัน “โดยไม่ต้องใช้ความร้อน” ดังนั้นปัญหาเรื่องงานบิดเบี้ยว (Warpage) หรือการหดตัว (Shrinkage) จึงแทบจะไม่มี ความละเอียดขึ้นกับขนาดของหัวฉีดกาวประสาน ซึ่งอยู่ในระดับไมโครเมตร หลังการขึ้นรูปแล้วนำไปทำความสะอาดล้างผงแผ้งส่วนที่ไม่ได้ใช้ออก ก็จะได้ชิ้นงานทันที เช่น ผงยิบซัม ไนลอน หรือวัสดุบางกลุ่มที่ต้องนำไปเผาต่อเช่น ผงเซรามิกส์ (Ceramic) หรือผงโลหะ (Metal)

ข้อดี

• รวดเร็ว ความคลาดเคลื่อนต่ำ
• มีวัสดุให้เลือกใช้หลากหลายตามความต้องการ
• สามารถพิมพ์ขึ้นรูปแบบสีได้เลย
• สมบัติของวัสดุเท่ากันตลอดทั้งชิ้นงาน (Isotropic properties)
• รวดเร็ว ความคลาดเคลื่อนต่ำ
• มีวัสดุให้เลือกใช้หลากหลายตามความต้องการ
• สามารถพิมพ์ขึ้นรูปแบบสีได้เลย
• สมบัติของวัสดุเท่ากันตลอดทั้งชิ้นงาน (Isotropic properties)

ข้อเสีย

• ต้นทุนสูงทั้งด้านวัสดุ เครื่องจักร ทักษะของแรงงานที่ใช้เครื่อง
• หัวฉีดหากมีการเสียหาย หรือต้องซ่อมบำรุงจะมีราคาที่สูงมาก
• ในกรณีที่เป็นกลุ่มพอลิเมอร์ (พลาสติก) ความแข็งแรงไม่ได้แตกต่างกับเทคโนโลยีอื่นๆมาก
• เนื่องจากวัสดุหลักเป็นผง จึงต้องระวังเรื่องความปลอดภัยเป็นพิเศษ
• ชนิดของวัสดุ (พลาสติก โลหะ เซรามิกส์) ขึ้นอยู่กับเครื่อง ไม่สามารถใช้ร่วมกันได้

6.Metal Printing

การใช้เครื่อง 3D Printer ผลิตชิ้นงานโลหะ เป็นที่สนใจมากที่สุด เรียกได้ว่าเป็นยอดปิรามิดของเทคโนโลยีนี้ได้เลย ดังนั้นหลายบริษัทจึงนำเสนอวิธีการใหม่ ที่สามารถขึ้นรูปผลิตภัณฑ์โลหะแบบ 3D ได้โดยตรงจากแบบ เนื่องจากกระบวนการขึ้นรูปโลหะแบบปกติ มีต้นทุนที่สูงมากๆ สูงกว่าพลาสติกหลายเท่าตัว ทั้งเครื่องจักรที่ใช้ พลังงาน ทักษะของช่าง การเก็บและตกแต่งงาน ดังนั้นหากมีเครื่องที่สามารถเนรมิตชิ้นงานออกมาได้เลย ย่อมเป็นที่สนใจมาก

ปัจจุบันการขึ้นรูปด้วยเครื่อง 3D Printer มีด้วยกัน 2 แบบ Single Step หรือขั้นเดียวได้ชิ้นงานเลย เป็นเทคโนโลยีที่เหมือนกับ SLS แต่เปลี่ยนเป็นผงโลหะชนิดต่างๆแทน กำลังของเลเซอร์ก็มากกว่ากันเป็น 10-100 เท่า ขึ้นอยู่กับวัสดุที่จะขึ้นรูป ราคาของเครื่องแบบนี้จะสูงมาก โครงสร้างต้องแข็งแรง มีระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ทันสมัย Two Step แบบ 2 ขั้นจะขึ้นรูปชิ้นงานที่เป็น Green Product ออกมาก่อน จากนั้นนำชิ้นงานไปเข้าเตาเผาเพื่อละลายตัว Binder หรือ Coupling agent ออกมาอีกที ซึ่งการขึ้นรูป Green Product นั้นปัจจุบัน มีทั้งเทคโนโลยีแบบ FDM (Markforge, Desktop Metal) และเทคโนโลยีแบบ Binder (ExOne, HP) ซึ่งในกลุ่มนี้โดยรวมจะมีราคาเครื่องที่ถูกกว่าแบบที่ 1 แต่ก็ต้องเจอปัญหาการหดตัวหลังเข้าเตาเผา ซึ่งส่วนใหญ่จะใช้ซอฟแวร์ช่วยในการคำนวนก่อนพิมพ์

ความคุ้มค่าในการขึ้นรูปชิ้นงานโลหะด้วยเครื่อง 3D Printer

• ชิ้นส่วนทางวิศวกรรมทั่วไปที่มีความซับซ้อน ไม่สามารถ CNC หรือขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ได้
• งานด้าน Implant การปลูกถ่ายอวัยวะต่างๆ หรือช่วยในการสมานกันของกระดูก 
• งานด้านทันตกรรม
• ใบพัด เทอร์ไบน์ ชิ้นส่วนเครื่องบิน ที่ผลิตมาน้อย ไม่มีการสต๊อก