สรุปสั้นๆ

กระบวนการอัดวัสดุในการพิมพ์ 3 มิติ แปลงแบบจำลองดิจิทัล 3 มิติให้กลายเป็นชิ้นส่วนทางกายภาพที่สมบูรณ์ โดยการหลอมวัสดุเทอร์โมพลาสติก ซึ่งมักเป็นเส้นฟิลาเมนต์ จากนั้นจึงพ่นวัสดุออกมาทีละชั้นผ่านหัวพ่นที่ให้ความร้อน วิธีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุนี้ หรือที่เรียกว่า Fused Deposition Modeling (FDM) ประกอบด้วยการเตรียมไฟล์ดิจิทัล การตั้งค่าเครื่องพิมพ์ กระบวนการพิมพ์ที่ดำเนินการโดยอัตโนมัติ และสุดท้ายคือขั้นตอนการตกแต่งเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงชิ้นส่วน

การเข้าใจกระบวนการอัดวัสดุ

การอัดวัสดุเป็นเทคโนโลยีพื้นฐานในโลกของการพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในด้านความสะดวกในการเข้าถึงและหลากหลายในการใช้งาน โดยหลักการทำงานคล้ายกับปืนกาวร้อนแบบหุ่นยนต์ วัสดุเทอร์โมพลาสติกแข็ง ซึ่งโดยทั่วไปอยู่ในรูปเส้นยาวพันอยู่บนคอยล์ จะถูกป้อนเข้าไปยังหัวพิมพ์ที่ได้รับความร้อน จากนั้นจะถูกละลายให้อยู่ในสถานะกึ่งของเหลว และถูกบีบหรืออัดผ่านหัวฉีดขนาดเล็ก คอมพิวเตอร์จะควบคุมการเคลื่อนไหวของหัวฉีดนี้ เพื่อวาดแต่ละชั้นของวัตถุลงบนแท่นสร้าง

เมื่อพิมพ์ชั้นหนึ่งเสร็จสมบูรณ์ แท่นสร้างจะเคลื่อนต่ำลงเล็กน้อย และหัวพิมพ์จะเริ่มวางชั้นถัดไปบนชั้นก่อนหน้า โดยแต่ละชั้นที่เป็นของเหลวร้อนจะยึดติดกับชั้นด้านล่างขณะที่เย็นตัวและแข็งตัว กระบวนการวางชั้นทีละชั้นนี้จะดำเนินต่อไปจนกว่าวัตถุทั้งหมดจะถูกสร้างขึ้นจากล่างขึ้นบน วิธีการนี้จัดเป็นหนึ่งในเจ็ดประเภทหลักของการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (additive manufacturing) และเป็นที่รู้จักอย่างแพร่หลายในชื่อทางการค้าว่า Fused Deposition Modeling (FDM) ซึ่งบริษัท Stratasys เป็นผู้นำออกสู่ตลาดเป็นรายแรก

แม้ว่ากระบวนการนี้จะเชื่อมโยงกับพลาสติก เช่น PLA และ ABS ในการทำต้นแบบอย่างรวดเร็วและการใช้งานระดับงานอดิเรกเป็นหลัก แต่รูปแบบพิเศษของการอัดวัสดุออกมา (material extrusion) ก็ยังถูกนำไปใช้กับวัสดุอื่นๆ รวมถึงโลหะด้วย ในอุตสาหกรรมที่ต้องการประสิทธิภาพสูง เช่น อุตสาหกรรมยานยนต์ จะใช้กระบวนการผลิตอีกแบบหนึ่งที่เรียกว่า การอัดอลูมิเนียม (aluminum extrusion) เพื่อผลิตชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงและน้ำหนักเบา บริษัทต่างๆ เช่น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ เชี่ยวชาญในด้านนี้ โดยให้บริการอย่างครบวงจรตั้งแต่การผลิตต้นแบบไปจนถึงการผลิตในระดับเต็มที่มีระบบคุณภาพเข้มงวด เช่น IATF 16949

องค์ประกอบหลักของระบบการอัดรูปแบบพิมพ์ 3 มิติ

เพื่อเปลี่ยนไฟล์ดิจิทัลให้กลายเป็นวัตถุจริง พิมพ์ 3 มิติแบบอัดรูปจะอาศัยส่วนประกอบสำคัญหลายชิ้นที่ทำงานร่วมกันอย่างกลมเกลียว การเข้าใจบทบาทของแต่ละส่วนจึงเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจการทำงานของระบบนี้ ส่วนต่างๆ เหล่านี้ทำหน้าที่ควบคุมทุกอย่างตั้งแต่การป้อนวัสดุ การหลอม และการวางตำแหน่งอย่างแม่นยำ

หัวใจหลักของระบบคือ เครื่องอัดรีด ซึ่งทำหน้าที่ป้อนเส้นฟิลาเมนต์เข้าสู่เครื่องพิมพ์ โดยประกอบด้วย 'ปลายเย็น' ที่มีมอเตอร์และกลไกเฟืองที่ยึดฟิลาเมนต์และดันให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า และ 'ปลายร้อน' ที่ทำหน้าที่หลอมฟิลาเมนต์ hotend มีองค์ประกอบของบล็อกความร้อนและเทอร์มิสเตอร์ในตัว เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิอย่างแม่นยำ ทำให้เส้นพลาสติกหลอมละลายอย่างสม่ำเสมอและไหลผ่านหัวฉีดได้อย่างราบรื่น คุณภาพของหัวพิมพ์ (hotend) มีความสำคัญอย่างยิ่งในการป้องกันการอุดตัน และช่วยให้ได้ผลงานพิมพ์ที่มีคุณภาพสูง

ต่อไปคือ ช่อง , ปลายแหลมเล็กที่ใช้สำหรับปล่อยพลาสติกที่หลอมแล้วออกมา เส้นผ่าศูนย์กลางของหัวฉีดเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญ เพราะจะกำหนดความละเอียดของการพิมพ์ หัวฉีดที่เล็กกว่าสามารถผลิตรายละเอียดที่ประณีตกว่า ในขณะที่หัวฉีดที่ใหญ่กว่าสามารถพิมพ์ได้เร็วกว่าแต่รายละเอียดจะน้อยลง filament คือ วัสดุดิบเอง เป็นพลาสติกเทอร์โมพลาสติกที่จัดมาเป็นม้วน และมีหลายประเภท เช่น PLA (พิมพ์ง่าย), ABS (ทนทานและทนความร้อน), และ PETG (ความสมดุลระหว่างความแข็งแรงและการใช้งานง่าย) สุดท้าย แท่นสร้างงาน คือ พื้นผิวเรียบที่ใช้วางงานพิมพ์ บนเครื่องจักรหลายรุ่น แท่นนี้จะมีการให้ความร้อนเพื่อช่วยให้ชั้นแรกยึดติดได้ดีขึ้น และป้องกันไม่ให้ชิ้นงานบิดงอขณะเย็นตัว

ขั้นตอนการทำงาน: จากแบบดิจิทัลสู่วัตถุจริง

การเดินทางจากโมเดล 3 มิติ บนหน้าจอไปสู่ชิ้นส่วนที่จับต้องได้และเสร็จสมบูรณ์นั้น ดำเนินตามขั้นตอนการทำงานที่ชัดเจนและเป็นระบบ กระบวนการนี้ช่วยเชื่อมช่องว่างระหว่างการออกแบบดิจิทัลกับความเป็นจริงทางกายภาพผ่านหลายขั้นตอนที่แตกต่างกัน

1. การเตรียมโมเดล 3 มิติ และการแบ่งชั้น กระบวนการเริ่มต้นด้วยโมเดลดิจิทัล 3 มิติ ซึ่งสามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้ซอฟต์แวร์ CAD หรือดาวน์โหลดจากคลังข้อมูลออนไลน์ โมเดลนี้ โดยทั่วไปอยู่ในรูปแบบไฟล์ STL จากนั้นจะถูกนำเข้าสู่โปรแกรมเฉพาะที่เรียกว่า 'slicer' ซอฟต์แวร์ slicer จะแปลงโมเดล 3 มิติ ให้กลายเป็นชั้นบางๆ แนวนอนหลายร้อยหรือหลายพันชั้น และสร้างไฟล์ที่มีคำสั่งสำหรับเครื่องจักร ซึ่งเรียกว่า G-code รหัสนี้จะกำหนดการเคลื่อนไหวทุกอย่างของเครื่องพิมพ์ ตั้งแต่เส้นทางของหัวพิมพ์ ความเร็วในการอัดวัสดุ และอุณหภูมิ
2. การตั้งค่าเครื่องพิมพ์และการโหลดวัสดุ ก่อนที่จะเริ่มพิมพ์ได้ เครื่องพิมพ์ต้องได้รับการเตรียมพร้อมเสียก่อน ซึ่งรวมถึงการใส่ม้วนเส้นฟิลาเมนต์เข้าไปในหัวฉีด การตรวจสอบให้แน่ใจว่าแท่นพิมพ์สะอาดและอยู่ในระดับที่เหมาะสม รวมถึงการอุ่นหัวพิมพ์และแท่นพิมพ์ให้ร้อนถึงอุณหภูมิที่ถูกต้องตามวัสดุที่ใช้ การตั้งค่าให้ถูกต้องมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความสำเร็จของการพิมพ์ เพราะปัญหาเช่น แท่นพิมพ์ไม่อยู่ในระดับเดียวกัน อาจทำให้ชั้นแรกพิมพ์ไม่ติด ส่งผลให้ชิ้นงานพิมพ์ทั้งหมดเสียหาย
3. กระบวนการพิมพ์แบบเรียลไทม์: เมื่อมีการโหลดไฟล์ G-code และเตรียมเครื่องพิมพ์เรียบร้อยแล้ว ก็จะเริ่มขั้นตอนการพิมพ์ เครื่องพิมพ์จะปฏิบัติตามคำสั่งอย่างแม่นยำ โดยเคลื่อนหัวพิมพ์ตามแกน X และ Y เพื่อปล่อยเส้นฟิลาเมนต์ที่หลอมละลายออกมา หลังจากที่พิมพ์แต่ละชั้นเสร็จสมบูรณ์ หัวพิมพ์จะเลื่อนขึ้นหรือแท่นพิมพ์จะเลื่อนลงตามแกน Z เพื่อเปิดพื้นที่สำหรับชั้นถัดไป กระบวนการสร้างแบบเติมเนื้อวัสดุนี้จะทำซ้ำเป็นชั้นๆ ไปเรื่อยๆ จนกว่าชิ้นงานจะรูปร่างสมบูรณ์ ขั้นตอนนี้ส่วนใหญ่ดำเนินการโดยอัตโนมัติ และอาจใช้เวลาตั้งแต่ไม่กี่นาทีไปจนถึงหลายชั่วโมง ขึ้นอยู่กับขนาดและความซับซ้อนของชิ้นงาน
4. การระบายความร้อนและการนำชิ้นส่วนออก: เมื่อพิมพ์เลเยอร์สุดท้ายเสร็จแล้ว เครื่องพิมพ์จะปิดเครื่องทำความร้อน และวัตถุจะต้องค่อยๆ ลดอุณหภูมิลง การปล่อยให้ชิ้นงานและแท่นสร้างแบบจำลองค่อยๆ เย็นตัวลงเป็นสิ่งสำคัญ เพื่อป้องกันการบิดงอหรือแตกร้าวจากความเครียดจากความร้อน หลังจากที่ชิ้นงานเย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องแล้ว สามารถนำชิ้นงานที่สำเร็จรูปออกอย่างระมัดระวังจากแท่นสร้างแบบจำลอง โดยมักใช้ไม้พายหรือมีดขูดช่วย

ขั้นตอนการตกแต่ง: การปรับปรุงชิ้นส่วนที่สำเร็จแล้ว

ความเข้าใจผิดทั่วไปเกี่ยวกับการพิมพ์ 3 มิติ คือ ชิ้นส่วนจะเสร็จสมบูรณ์ทันทีที่นำออกจากจานพิมพ์ แต่ในความเป็นจริง งานพิมพ์ส่วนใหญ่จำเป็นต้องผ่านขั้นตอนการตกแต่งเพิ่มเติมเพื่อเปลี่ยนจากวัตถุดิบให้กลายเป็นชิ้นส่วนที่สมบูรณ์และใช้งานได้จริง ขั้นตอนสุดท้ายนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการได้มาซึ่งลักษณะภายนอก ความแข็งแรง และความแม่นยำของขนาดตามที่ต้องการ ขั้นตอนที่เกี่ยวข้องอาจเริ่มตั้งแต่การทำความสะอาดเบื้องต้น ไปจนถึงเทคนิคการตกแต่งขั้นสูงที่ซับซ้อนมากขึ้น

ขั้นตอนการตกแต่งขั้นพื้นฐานที่สุดคือ การนำโครงรองออก . สำหรับการออกแบบที่มีส่วนยื่นหรือสะพานซับซ้อน เครื่องพิมพ์จะสร้างโครงสร้างรองรับชั่วคราวขึ้นมาเพื่อป้องกันไม่ให้พลาสติกที่หลอมเหลวรั่วไหลระหว่างการพิมพ์ โครงสร้างรองรับเหล่านี้จำเป็นต้องถูกหักออกหรือตัดออกจากชิ้นงานหลักอย่างระมัดระวัง สำหรับเครื่องพิมพ์ที่ใช้วัสดุละลายน้ำได้ต่างหากสำหรับโครงสร้างรองรับ กระบวนการนี้สามารถทำได้ง่ายเพียงแค่ละลายในน้ำ อย่างไรก็ตาม สำหรับโครงสร้างรองรับมาตรฐานที่ทำจากวัสดุเดียวกันกับชิ้นงาน การถอดออกอาจทิ้งร่องรอยเล็กๆ ที่ต้องได้รับการแก้ไขเพิ่มเติม

เพื่อปรับปรุงผิวสัมผัสและกำจัดเส้นชั้นที่มองเห็นได้ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของการพิมพ์ FDM การขัดและการเรียบผิว เป็นเทคนิคที่ใช้กันทั่วไป การเริ่มต้นด้วยกระดาษทรายเม็ดหยาบ แล้วค่อยเปลี่ยนเป็นเม็ดละเอียดขึ้นสามารถสร้างพื้นผิวที่เรียบและสม่ำเสมอได้ สำหรับพลาสติกบางชนิด เช่น ABS อาจใช้กระบวนการที่เรียกว่า การทำให้เรียบด้วยไอ (vapor smoothing) ซึ่งประกอบด้วยการนำชิ้นงานไปสัมผัสกับไอของตัวทำละลาย เพื่อให้ชั้นผิวนอกหลอมละลายเล็กน้อย จนได้พื้นผิวมันวาวคล้ายชิ้นงานฉีดขึ้นรูป นอกจากนี้ยังมีเทคนิคตกแต่งเพิ่มเติมอื่นๆ เช่น การทาสี การเคลือบด้วยอีพ็อกซี่เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและปิดผิวชิ้นงาน หรือแม้แต่การเชื่อมชิ้นส่วนที่พิมพ์ออกมาหลายชิ้นเข้าด้วยกันเพื่อสร้างชิ้นงานขนาดใหญ่

คำถามที่พบบ่อย

1. การอัดรีดในงานพิมพ์ 3 มิติคืออะไร

กระบวนการอัดรีดในงานพิมพ์ 3 มิติ คือการดึงวัสดุแข็ง ซึ่งโดยทั่วไปคือเส้นพลาสติก ผ่านหัวพิมพ์ที่ให้ความร้อนเพื่อทำให้วัสดุละลาย จากนั้นวัสดุที่อยู่ในสถานะหลอมเหลวจะถูกปล่อยออกมาตามเส้นทางที่ควบคุมไว้ ทีละชั้นบนแท่นสร้างชิ้นงาน แต่ละชั้นจะยึดติดกับชั้นก่อนหน้าขณะที่เย็นตัวลง จนเกิดเป็นวัตถุสามมิติที่สร้างขึ้นตามแบบจำลองดิจิทัล

2. เมื่อพิมพ์ 3 มิติเสร็จแล้วควรทำอย่างไร

เมื่อการพิมพ์ 3 มิติเสร็จสิ้น ขั้นตอนแรกคือการปล่อยให้ชิ้นงานและแผ่นสร้างชิ้นงานของเครื่องพิมพ์เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง เพื่อป้องกันการบิดงอ หลังจากนั้นจึงสามารถนำชิ้นงานออกจากแท่นได้อย่างระมัดระวัง เมื่อนำชิ้นงานออกแล้ว มักต้องดำเนินการขั้นตอนการตกแต่งเพิ่มเติม เช่น การถอดโครงสร้างรองรับออก การขัดผิวเพื่อให้รอยชั้นเรียบเนียน หรือการทาสีเพื่อความสวยงาม

3. การพิมพ์ 3 มิติถือว่าเป็นการอัดรีดหรือไม่

การพิมพ์ 3 มิติทุกประเภทไม่ได้เป็นการอัดรีด แต่การอัดรีดวัสดุเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่พบได้บ่อยที่สุด คำว่าการพิมพ์ 3 มิติ หรือการผลิตโดยการเติมวัสดุ (additive manufacturing) ครอบคลุมกระบวนการต่าง ๆ หลายประเภท การอัดรีดวัสดุ หรือที่รู้จักกันดีในชื่อ Fused Deposition Modeling (FDM) เป็นหมวดหมู่เฉพาะของการพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งวัสดุจะถูกอัดรีดผ่านหัวพิมพ์เพื่อสร้างชิ้นงาน