3D Printer เครื่องพิมพ์ 3 มิติ นวัตกรรมด้านการพิมพ์โมเดลที่ใครก็เข้าถึงได้
3D Printer หรือเครื่องพิมพ์ 3 มิตินั้น เป็นเทคโนโลยีด้านการพิมพ์ที่เปลี่ยนบทบาทของการพิมพ์ลงบนกระดาษ สู่การสร้างเป็นวัตถุชิ้นงานเสมือนจริงที่มีความกว้าง ยาว ลึก ที่สามารถสัมผัสและนำมาใช้งานได้
ภาพประกอบ: ผลงานจาก 3D Printer
ประวัติของจุดเริ่มต้นในวงการเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
3D Printer หรือเครื่องพิมพ์ 3 มิตินั้นเริ่มใช้กันมาในปี 1983 หรือเมื่อประมาณ 40 กว่าปีที่แล้ว แต่ยังไม่เป็นที่แพร่หลายมากนัก เพราะราคาที่สูงและติดสิทธิบัตร ทำให้ต้องรอสิทธิบัตรนั้นหมดอายุเสียก่อน ซึ่งคนที่คิดระบบการพิมพ์ 3 มิติขึ้นมาเป็นบุคคลแรกนั้นชื่อว่า Mr.Chuck Hull ซึ่งสิทธิบัตรที่จดคือเทคโนโลยีการพิมพ์แบบ SLA หรือ Stereolithography
และการที่ Mr.Chuck Hull มีสิทธิบัตรในมือทำให้เขาตัดสินใจจัดตั้งบริษัท 3D System ขึ้นมาในปี 1986 ซึ่งเป็นบริษัทแรกในโลกที่ขายเครื่องพิมพ์ 3 มิติและดำเนินธุรกิจจนถึงในปัจจุบัน ซึ่งบริษัท 3D System ก็ยังคงเป็นผู้นำเทรนด์และพัฒนาเทคโนโลยีใหม่ ๆ สู่วงการ 3D Printer อีกด้วย
3D Printer หรือ เครื่องพิมพ์โมเดล 3 มิติ คืออะไร ?
3D printer คือนวัตกรรมการพิมพ์ที่ทำให้งานที่คุณคิดหรือออกแบบไว้ ถูกผลิตออกมาได้อย่างสมจริงมีรูปลักษณ์ที่สามารถจับต้องได้ โดยเครื่องพิมพ์โมเดล 3 มิติจะมีลักษณะเป็นเครื่องจักรที่ใช้กระบวนการเติมเนื้อวัสดุเพื่อทำให้เกิดเป็นรูปร่างตามที่ผู้สร้างต้องการ โดยอาศัยข้อมูลในรูปแบบดิจิตอล
ซึ่งการเติมเนื้อหรือพิมพ์วัสดุลงไปนั้นเรียกว่า Additive Process เป็นการพิมพ์ที่จะค่อยเป็นค่อยไปทีละชั้น (Layer) เครื่องพิมพ์ 3 มิติส่วนใหญ่มักจะใช้หลักการทำงานเหมือนกันคือการพิมพ์แต่ละชั้นในแนวระนาบกับพื้นโลกแบบแกน XY หรือแนวตัดขวาง (Cross Section) ก่อน หลังจากนั้นเครื่องพิมพ์จะเลื่อนฐานไปพิมพ์ในชั้นถัดไป ทับไปเรื่อยๆ จนออกมาเป็นรูปร่าง 3 มิติ
3D Printer ทำงานอย่างไร
สำหรับการใช้งาน 3D Printer นั้นผู้สร้างจำเป็นต้องมีไฟล์โมเดล 3 มิติก่อน ซึ่งสามารถสร้างไฟล์โมเดลได้โดยการเขียนขึ้นมาจากโปรแกรมออกแบบ 3 มิติ หรือการใช้เครื่องสแกนเนอร์ 3 มิติ แสกนไปที่วัตถุเพื่อทำการแปลงวัตถุในโลกจริงให้กลายเป็นไฟล์โมเดล 3 มิติในรูปแบบดิจิตอล เมื่อได้ไฟล์มาแล้ว ก็เข้าโปรแกรมที่เรียกว่า Slicer เพื่อกำหนดการตั้งค่าต่าง ๆ รวมถึงเลือกวัสดุที่จะใช้พิมพ์ ตัวโปรแกรม Slicer ก็จะเอาค่าที่ตั้งไว้ มาคำนวนและหั่นโมเดล 3 มิติออกมาเป็นชั้น ๆ และเปลี่ยนให้เป็นข้อมูลที่เครื่องพิมพ์สามารถอ่านค่าได้ ซึ่งเวลาพิมพ์ขึ้นโมเดลนั้นก็จะเป็นการพิมพ์ขึ้นมาทีละเลเยอร์ เมื่อชั้นแรกพิมพ์เสร็จ ก็จะเติมเนื้อในชั้นต่อไป กระบวนการ ก็จะวนแบบนี้ไปเรื่อย ๆ จนชิ้นงานโมเดลสมบูรณ์
ขั้นตอนการสร้างชิ้นงานจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
1. ออกแบบชิ้นงานโมเดล 3 มิติโดยสร้างขึ้นมาจากโปรแกรมปั้นโมเดล 3D หรือนำเครื่องสแกนเนอร์ 3 มิติ ไปแสกนที่วัตถุเพื่อทำการแปลงวัตถุจริงให้กลายเป็นไฟล์โมเดล 3 มิติเพื่อส่งข้อมูลให้ 3D Printer
2. ใช้โปรแกรม Slicer กำหนดการตั้งค่าต่าง ๆ เช่น วัสดุที่ใช้ในการขึ้นรูป ความหนา-บางของเส้นที่ปริ้นท์ออกมาในแต่ละเลเยอร์ เป็นต้น จากนั้นโปรแกรมจะทำการประมวลผลข้อมูลต่าง ๆ ที่ผู้สร้างได้ป้อนเข้าไปเพื่อหาวิธีการขึ้นรูปในแต่ละเลเยอร์ให้ได้ตามแบบ
3. เมื่อเครื่องพิมพ์ 3 มิติหรือ 3D Printer ได้รับข้อมูลจากโปรแกรม Slicer แล้วก็จะเริ่มทำการพิมพ์ขึ้นรูปชิ้นงานโดยใช้การขึ้นรูปไปทีละเลเยอร์ ในส่วนของการทำงานนั้นก็ขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุหรือหมึกที่ใช้ในการขึ้นรูปแต่ละประเภท
ถ้าเป็นหมึกพลาสติก ก็จะใช้หลักการให้ความร้อนกับพลาสติก เพื่อให้พลาสติกเปลี่ยนสถานะเล็กน้อยจากของแข็งเป็นของหนืด แล้วจึงใช้หัวฉีดต่อกับเส้นพลาสติกนั้นเพื่อทำการฉีดพลาสติกออกมา แต่ถ้าเป็นวัสดุที่ใช้ขึ้นโมเดลเป็นแบบผง ก็จะส่งถ่ายความร้อนลงไปที่ผง เพื่อให้ผงหลอมละลายติดกัน ซึ่งความร้อนที่ถูกส่งออกมา อาจจะมาจากเลเซอร์กำลังสูงเพื่อกำหนดรูปแบบได้ตามต้องการ แต่ถ้าวัสดุพิมพ์เป็นของเหลว การขึ้นรูปจะทำโดยการใส่สารพิเศษที่มีความไวต่อแสง เมื่อมีแสงมากระทบก็จะเปลี่ยนสถานะของวัสดุจากของเหลวให้กลายเป็นของแข็งนั่นเอง
4. เมื่อ 3D Printer ขึ้นรูปโมเดลวัตถุเสร็จแล้วผู้สร้างงานก็ควรที่จะทำการตรวจเช็คโมเดล รวมถึงทำการเก็บรายละเอียดต่าง ๆ ก่อนนำไปใช้งาน
ภาพประกอบ: ขั้นตอนการใช้งาน 3D Printer
4 ประเภทของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ที่มีการทำงานต่างกัน
1. ระบบฉีดเส้นพลาสติก (FDM หรือ FFF)
ระบบฉีดเส้นพลาสติก (FDM หรือ FFF) เป็นระบบการทำงานของ 3D Printer รูปแบบหนึ่งของ 3D Printer ประเภท Material Extrusion หรือถ้าแปลกันง่าย ๆ ก็คือ 3D Printer ที่ขึ้นรูปด้วยการดันวัสดุออกมา ซึ่งวัสดุที่ใช้ถูกดันออกมาส่วนใหญ่จะเป็นของหนืด วัสดุขึ้นรูปโมเดลที่นิยมใช้กับเทคโนโลยีนี้ก็คือ เส้นพลาสติก หรือ Filament ซึ่งผู้สร้างสมารถเลือกได้ว่าต้องการที่จะใช้พลาสติกรูปแบบใดขนาดเท่าไหร่ เช่น PLA, ABS, Nylon, PC, PP, PET เป็นต้น โดยวัสดุจะอยู่ในรูปแบบเส้นลวดยาวต่อเนื่อง ที่บรรจุอยู่ในม้วน การทำงานของระบบ 3D Printer นี้คือหัวฉีดที่มีขนาดเล็กและมีอุณหภูมิสูงจะทำให้เส้นพลาสติกมีความหนืด และหัวฉีดก็จะทำการฉีดพลาสติกที่มีความหนืดออกมาทับซ้อนกันไปเรื่อย ๆ จนเกิดความลึกของโมเดล
ภาพประกอบ: 3D Printer ระบบฉีดเส้นพลาสติก (FDM หรือ FFF)
2. ระบบถาดเรซิ่น (SLA หรือ DLP)
SLA หรือ Stereolithography และDLP (Direct Light Process) ถือว่าเป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบแรก ที่ถูกคิดค้นขึ้นโดย Mr. Chuck Hull วัสดุของ 3D Printer ระบบถาดเรซิ่นนั้นคือ เรซิ่นที่จะแข็งตัวเมื่อโดนแสง UV ซึ่งการที่จะทำแบบนั้นได้จะต้องใส่สาร Photo Initiator ลงไปในเรซิ่น
หลักการทำงานของ 3D Printer สองระบบนี้ก็คือ การฉายภาพจากแสง UV ลงไปที่เรซิ่นความไวแสงทีละเลเยอร์ โดยเมื่อภาพฉายลงไปโดนเรซิ่นก็จะทำให้เรซิ่นในส่วนที่โดนภาพแข็งตัวอย่างรวดเร็ว เมื่อเรซิ่นในชั้นแรกแข็งตัว เครื่องพิมพ์ก็จะทำการพิมพ์ชั้นต่อไปด้วยวิธีเดิมทับกับชั้นที่แข็งตัวไปเรื่อย ๆ จนเกิดเป็นชิ้นงานโมเดล 3 มิติที่สมบูรณ์
ความแตกต่างระหว่าง SLA และ DLP คือ ระบบ SLA (Stereo Lithography) จะเป็นการฉายแสงในรูปแบบการใช้แหล่งกำเนิดแสงด้วยแสงเลเซอร์และวาดเส้นเลเซอร์ไปเรื่อย ๆ ซึ่งจะมีความละเอียดเป็นอย่างมาก แต่ระบบ DLP (Direct Light Process) จะใช้โปรเจคเตอร์ฉายภาพไปที่ถาดเรซิ่นทำให้ใช้เวลาพิมพ์น้อยกว่า
3. ระบบผงยิปซั่ม (Powder 3D Printer)
เครื่องพิมพ์ 3 มิติระบบผงยิปซั่ม (Powder 3D Printer) หรือที่เรียกกันว่าเครื่องพิมพ์ระบบแป้ง โดยใช้ผงยิปซั่มหรือผงพลาสติกเป็นวัสดุขึ้นชิ้นงาน 3D Printer ในระบบนี้จะทำงานโดยขึ้นรูปจากผงยิปซั่มและในขณะที่พิมพ์จะใส่สีเข้าไปด้วย และฉีด Blinder ลงไปผสานให้เข้ากันเป็นรูปร่าง ซึ่งจุดเด่นของการขึ้นรูประบบนี้คือการที่ชิ้นงานโมเดลสามารถให้สีได้สมจริง เหมาะกับงานศิลปะที่เน้นความเหมือนจริงหรือชิ้นงานที่ต้องการเห็นสีสันที่สมจริง
4. ระบบหลอมผงพลาสติก ผงโลหะ เซรามิก (SLS)
SLS (Selective Laser Sintering) เป็นการพิมโมเดล 3 มิติจาก 3D Printer ที่ใช้ระบบเลเซอร์กำลังสูง ยิงลงไปที่ผงวัสดุ เพื่อให้ผงเหล่านั้นหลอมละลายติดชเป็นเนื้อเดียวกัน เมื่อพิมพ์เสร็จหนึ่งเลเยอร์ ตัวเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ก็จะเติมผงลงไปแทนที่และเกลี่ยปิดทับผงที่พิมพ์เสร็จแล้ว จากนั้นก็จะยิงเลเซอร์ลงไปยังผงวัสดุเช่นเดิมเพื่อสร้างชั้นต่อ ๆ ไปซึ่งกระบวนการก็จะซ้ำเรื่อย ๆ จนโมเดลเสร็จ
ระบบอื่นๆ นอกเหนือจากที่กล่าวมา
ระบบ Poly Jet Paragraph
Poly Jet หรือ Multi Jet Modeling ซึ่งจะให้หลักการเหมือนเครื่องปริ้นกระดาษ ซึ่งที่ตัวเครื่อง 3D Printer จะมีหัวพิมพ์ ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษ ที่สามารถพ่นเรซิ่นที่แข็งตัวเมื่อโดนแสง UV ออกมาได้ ด้านข้างหัวพิมพ์จะมีการติดหลอดไฟ UV ไว้ โดยการทำงานคือเมื่อหัวพิมพ์พ่นหมึกเรซิ่นออกมา ก็จะแข็งตัวแทบจะทันที เมื่อโดนแสง UV โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติระบบ Poly Jet Paragraph มีจุดเด่นคือสามารถสร้างชิ้นงานจากหมึกเรซิ่นที่มีคุณสมบัติต่างกันได้ ซึ่งทำให้ชิ้นงานที่ปริ้นออกมา มีความสมจริง
ระบบกระดาษ
ระบบกระดาษ หรือมีชื่อเรียกอีกอย่างว่า Laminated Object Manufacturing หรือ LOM เป็นระบบ 3D Printer ที่มีวัสดุในการปริ้นเป็นแผ่นกระดาษหรือแผ่นพลาสติก ซึ่งในตัวเครื่องปริ้นจะมีใบมีด หรือเลเซอร์ เพื่อตัดกระดาษหรือพลอาสติกให้ขาด โดยกระบวนการขึ้นรูปจะขึ้นรูปโดยการตัดแผ่นวัสดุแต่ละเลเยอร์ให้ได้ตามที่ได้ออกแบบไว้ นำไปทากาวหรือสารเคมีเพื่อให้เชื่อมติดกัน แล้วแปะซ้อน ๆ ทับกันขึ้นไปเพื่อให้เกิดความลึกของชิ้นงาน
3D Printer และ Code Genius
สำหรับน้อง ๆ ระดับชั้นประถมศึกษาและมัธยมศึกษาที่สนใจเรียนสร้าง 3D Model ผ่าน 3D Printer สถาบัน Code Genius มีคอร์สเรียนที่จะเปลี่ยนมุมมองของน้อง ๆ จาก “ผู้ใช้” เป็น “ผู้สร้าง” เทคโนโลยี ในคอร์สเรียน 3D Printing ที่จะช่วยพัฒนาทักษะ Engeneering Concept ปูพื้นฐานให้น้อง ๆ ได้อย่างแม่นยำ และพาน้อง ๆ ขึ้น 3D Model ของจริง เรียนจบแล้วมี Final Project ของตนเอง ตลอดช่วงปิดเทอมและเปิดเทอม
หากสนใจพัฒนาทักษะทางด้าน 3D Printing ให้กับน้อง ๆ สามารถสมัครทดลองเรียนฟรี หรือนัดปรึกษาคุณครูผู้เชี่ยวชาญได้ที่ Line@ : @codegenius ฟรี ไม่มีค่าใช้จ่ายได้เลยทันที
สรุป
เครื่องพิมพ์ 3 มิติ (3D Printer) เป็นนวัตกรรมใหม่ที่เปิดโลกให้นักประดิษฐ์และนักคิด สามารถสร้างสรรค์ผลงานและสร้างตัวต้นแบบได้ง่ายมากขึ้นผ่านการปั้นโมเดลในรูปแบบไฟล์ดิจิตอลและขึ้นรูปให้เป็นวัตถุที่สามารถจับต้องได้ผ่าน 3D Printer ซึ่งการใช้งานเครื่องพิมพ์ 3 มิติแต่ละประเภทนั้นควรเลือกให้เหมาะสมกับชิ้นงาน เนื่องจากการใช้เครื่องปริ้น 3 มิติแต่ละประเภทก็มีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไป