เครื่องพิมพ์ 3มิติ คืออะไร

 

 


3D Printer


                         เรื่องราวของเครื่องมือที่ช่วยให้ฝันของนักประดิษฐ์เป็นจริง ไม่ว่าจะเป็นการสร้างชิ้นส่วนเฉพาะ ชิ้นส่วนต้นแบบ หรือชิ้นส่วนอะไหล่ที่

          เสียหายแล้วหาซื้อไม่ได้

 

                         เครื่องพิมพ์ 3มิติ หรือ 3D printer เป็นเครื่องมือที่ได้รับการกล่าวถึงในแวดวงนักประดิษฐ์ทั่วโลก เพราะมันคือ เครื่องมือในฝันของ

          ใครหลายคน มันช่วยให้นักประดิษฐ์สามารถสร้างชิ้นงานหรือชิ้นส่วนที่ไม่สามารถทำได้ด้วยขั้นตอนการสร้างแบบปกติ ภายใต้งบประมาณที่รับได้ 

          โดยไม่ต้องพึ่งการใช้เครื่องมือหรือวิธีการที่ใช้ในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ทำชิ้นงานได้เร็วพอสมควร แถมตัวชิ้นงานหรือชิ้นส่วนยังมีความแข็งแรง

          ในระดับหนึ่ง เครื่องพิมพ์ 3มิติจึงเหมาะอย่างยิ่งกับการทำชิ้นงานต้นแบบหรือชิ้นส่วนเฉพาะในจำนวนที่ไม่มาก

 

                         บทความเรื่องนี้ จะรวบรวมข้อมูลเบื้องต้นที่ควรทราบ เพื่อสร้างความเข้าใจ และเป็นข้อมูลสำหรับการเลือกซื้อเครื่องพิมพ์ 3มิติมา 

          ใช้งาน มาติดตามไปพร้อมๆ กัน

 

เครื่องพิมพ์ 3มิติ คือ ญาติของ CNC

 

                         การทำชิ้นงานพลาสติกหรือโลหะต้นแบบหรืองานเฉพาะที่มีจำนวนไม่มาก วิธีการและเครื่องมือที่นิยมใช้กันคือใช้เครื่อง CNC 

          (Computer Numerical Control) กัดวัสดุทำเป็นแม่แบบขึ้นมา ซึ่งต้องใช้บุคลากรที่มีความชำนาญ รวมถึงใช้งบประมาณค่อนข้างสูงกว่า 

          ที่จะได้ต้นแบบมาใช้งาน เมื่อมีการพัฒนาเครื่องพิมพ์ 3มิติขึ้นมา กระบวนการแบบเดิมๆ ก็เริ่มเปลี่ยน หากจะมองในเชิงเปรียบเทียบเครื่องพิมพ์

          3มิติ ก็คือเครื่อง CNC แต่มีการเพิ่มเติมและปรับเปลี่ยนอุปกรณ์ โดยมีการเปลี่ยนจากหัวกัดเป็นหัวฉีดพลาสติก (ในกรณีที่เป็นเครื่องพิมพ์ 3มิติ

          สำหรับงานพลาสติก) ด้านการทำงานจะต่างกัน โดยเครื่อง CNC ใช้หัวสว่านติดกับดอกสว่านแบบต่างๆ ในการแกะสลัก ตัด เจาะ วัตถุดิบให้เป็น

          รูปร่างต่างๆ ตามต้องการ มีระบบมอเตอร์เคลื่อนที่ไปในทิศทาง 3มิติ (แกน X, Y และ Z) ในขณะที่เครื่องพิมพ์ 3มิติ ก็ใช้การเคลื่อนที่ของมอเตอร์

          เหมือนกับเครื่อง CNC แต่ที่ต่างกันคือ มีหัวฉีดที่จะฉีดหรือโรยพลาสติกเป็นชั้นๆ เรียงตัวขึ้นไป สร้างเป็นรูปทรงต่างๆ ในแต่ละชั้นมีความละเอียด

          ในระดับมิลลิเมตร นอกจากนั้นยังมีการพัฒนาเทคนิคอื่นๆ ทำให้เครื่องพิมพ์ 3มิติสร้างสรรค์งานได้จากหลากหลายวัสดุ และมีความละเอียดเพิ่มขึ้น 

          ซึ่งก็ต้องแลกด้วยราคาที่แพงขึ้นด้วย ในการสร้างชิ้นงานด้วยเครื่องพิมพ์ 3มิติ เริ่มจากสร้างแบบ 3มิติ แล้วส่งข้อมูลให้เครื่องพิมพ์ 3มิติฉีดหรือ

          โรยพลาสติกออกมาเป็นรูปร่างตามที่เขียนแบบไว้ได้เลย จึงถือได้ว่า เครื่องพิมพ์ 3มิติ เป็นเครื่องมือที่เปลี่ยนแปลงการประดิษฐ์ชิ้นส่วนของ

          นักประดิษฐ์ไปตลอดกาล



เทคนิคการสร้างชิ้นงานของเครื่องพิมพ์ 3มิติ


                         ในปี ค.ศ. 2011 เริ่มมีการเปิดตัวจำหน่ายเครื่องพิมพ์ 3มิติที่ใช้เทคนิคการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว (Rapid Prototype) ออกมา 

          นับเป็นการสร้างปรากฏการณ์ใหม่แก่วงการสร้างโมเดลต้นแบบจากนั้นมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง มีเครื่องพิมพ์ 3มิติออกมาจำหน่ายหลายรุ่น 

          หลายราคา ส่วนเทคนิคการสร้างชิ้นงานของเครื่องพิมพ์ 3มิติสรุปได้ 3 วิธีดังนี้

 

                         1. การใช้โพลีเมอร์ชนิดไวแสงในการขึ้นรูปชิ้นงาน หรือ Photo polymerization 


                         เป็นเทคนิคที่ใช้แสงเพื่อขึ้นรูปจากวัสดุของเหลวให้กลายเป็นของแข็ง โดยใช้เทคนิคการขึ้นรูปชิ้นงานแบบ Stereo lithography 

          Apparatus (SLA) ที่คิดค้นโดย Chuck Hull จาก 3D Systems หลักการคือ ใช้วัสดุประเภทโพลีเมอร์เหลวที่สามารถแข็งตัวได้ เมื่อถูกกระตุ้น

          จากการฉายแสงอัลตร้าไวโอเล็ตหรือ UV (Ultra Violet) จาก UV เลเซอร์ โดยมีกระบะใส่เรซินเหลวและมีระบบควบคุมให้ยกขึ้นและเคลื่อนที่

          ในแนวดิ่ง เพื่อสร้างชิ้นงานทีละชั้นจากล่างขึ้นบน แล้วสแกนยิงแสง UV เลเซอร์ในแนวราบ เพื่อเปลี่ยนให้โพลีเมอร์เหลวชนิดไวต่อแสงเป็น

          ของแข็งตามตำแหน่งที่ต้องการ โดยชิ้นงานที่มีส่วนโค้งเว้า หรือมีรูปทรงที่แปลกๆ หรือมีความละเอียดซับซ้อนมาก อาจจะต้องสร้างส่วนที่ใช้

          ค้ำยันและรองรับเรียกว่า ซัพพอร์ต (support) ขึ้นมาพร้อมๆ กับชิ้นงาน เมื่อขึ้นรูปชิ้นงานเสร็จ ก็ตัดส่วนซัพพอร์ตนี้ออกไป ความแข็งแรงของ

          วัสดุที่ขึ้นรูปด้วยเทคนิคนี้จะมีในระดับหนึ่งพอๆ กับพลาสติกทั่วไป ตัวชิ้นงานที่ได้มีความละเอียดเรียบในระดับหนึ่ง ตรงตามที่ได้ออกแบบไว้

          ในโปรแกรมวาดแบบ 3มิติ และยังสามารถสร้างชิ้นส่วนกลไกต่างๆ เพื่อทดสอบการทำงานของเครื่องต้นแบบได้ หรือใช้เป็นวัสดุชิ้นส่วนจริง

          ในเครื่องมือต่างๆ ได้เลย

 



รูปที่ 1 กระบวนการขึ้นรูปชิ้นงานด้วนเทคนิค Stereo lithography Apparatus (SLA)

 

 

 รูปที่ 2 เครื่องพิมพ์ 3มิติที่ใช้เทคนิค Stereo lithography Apparatus (SLA) ขึ้นรูปชิ้นงาน

 

 

  

 รูปที่ 3 กระบวนการขึ้นรูปชิ้นงานด้วนเทคนิค Poly Jet

 

 

                         จากเทคนิค SLA มีผู้พัฒนาต่อไปเป็นเทคนิค Micro stereo lithography เป็นเทคนิคที่เหมาะสำหรับการสร้างต้นแบบที่มีขนาด

          เล็กมาก ซึ่งเรียกว่า วิธีการขึ้นรูปวัสดุแบบ Poly Jet เป็นการใช้หัวฉีดขนาดเล็กหลายๆ หัวฉีดเรซินเหลวลงไปบนแท่นวางชิ้นงาน พร้อมๆ กับ

          การฉายแสง UV เพื่อทำให้เรซินเหลวนี้แข็งตัวทันที ด้วยเทคนิคนี้ทำให้ไม่ต้องมีกระบะโพลีเมอร์เหลวขนาดใหญ่ ทำให้มีความสะดวกมากยิ่งขึ้น

 

  

รูปที่ 4 ชิ้นงานตัวอย่างที่ได้จากเครื่องพิมพ์ 3มิติที่ใช้เทคนิค Poly Jet

 

                         2. การใช้เลเซอร์หรือกาวในการเชื่อมผงวัสดุให้เป็นชิ้นงาน หรือ granular materials binding


                         เป็นเทคนิคที่ใช้วัสดุที่เป็นผงเล็กๆ เมื่อได้รับความร้อนแล้วแข็งตัว จะเรียกเทคนิคนี้ว่า Selective Laser Sintering (SLS) โดยส่วน

          มากใช้วัสดุที่เป็นผงพลาสติก เนื่องจากมีจุดหลอมเหลวต่ำ ขึ้นรูปได้ง่าย ใช้ความร้อนจากเลเซอร์ที่ฉายไปยังตำแหน่งที่เป็นส่วนหน้าตัดขวางของ

          ชิ้นงาน ทำให้ผงพลาสติกเล็กๆ รอบบริเวณที่ถูกฉายแสงเลเซอร์นี้หลอมละลายและยึดเกาะกัน โดยยึดเกาะกับชั้นที่อยู่ก่อนหน้านี้ด้วย เพื่อให้เกิด

          เป็นโครงร่างรูปทรง 3มิติขึ้นมาจากการเลื่อนแท่นใส่ผงพลาสติกลงเล็กน้อยในแนวดิ่ง จากนั้นจะกวาดผงพลาสติกมาคลุมทับส่วนที่ให้ความร้อน

          ไปแล้ว ทำการฉายแสงเลเซอร์ใหม่ จะวนทำกระบวนการนี้ไปเรื่อยๆ จนครบทั้งรูปทรงที่ได้เขียนแบบไว้ จากนั้น ผงพลาสติกส่วนอื่นที่ไม่โดนความ

          ร้อนจากเลเซอร์จะถูกลมเป่าออกไป เหลือเพียงชิ้นงานที่หลอมละลายแล้วแข็งตัว เป็นรูปทรงที่สมบูรณ์ เทคนิคนี้ใช้เวลามากในการขึ้นรูปชิ้นงาน 

          ผิววัสดุจะหยาบและความแข็งแรงจะน้อยกว่าวัสดุที่ขึ้นรูปด้วยวิธี Stereo lithography

 

 


รูปที่ 5 แสดงกระบวนการขึ้นรูปชิ้นงานด้วยเทคนิค Selective Laser Sintering (SLS)

 

 

 

รูปที่ 6 ชิ้นงานตัวอย่างที่ได้จากเครื่องพิมพ์ 3มิติ ที่ใช้เทคนิค Selective Laser Sintering (SLS)

ในการขึ้นรูป หลังจากเสร็จแล้วต้องใช้ลมเป่าผงพลาสติกส่วนอื่นออก

 

 


รูปที่ 7 ชิ้นงานตัวอย่างที่ได้จากเครื่องพิมพ์ 3มิติ ที่ใช้เทคนิค

Selective Laser Sintering (SLS) โดยใช้ผงโลหะเป็นวัตถุดิบ

 

                         นอกจากการใช้ความร้อนจากเลเซอร์หลอมละลายให้ผงพลาสติกให้เชื่อมติดกันแล้ว อาจใช้ผงโลหะแทนผงพลาสติก แล้วใช้แหล่ง

          กำเนิดความร้อนที่ให้อุณหภูมิสูงขึ้นตามจุดหลอมเหลวของผงโลหะนั้นๆ วิธีการนี้จะทำให้ได้ชิ้นงานที่เป็นโลหะ ซึ่งมีความแข็งแรงเพิ่มมากขึ้น 

          ยังมีอีกเทคนิคหนึ่งคือ การพ่นกาวลงไปยังผงพลาสติกให้ติดกันเป็นโครงสร้างตามที่ได้ออกแบบไว้ วิธีการแบบนี้เรียกว่า Three Dimensional 

          Printing หรือ 3DP โดยหลักการทำงานของเทคนิคนี้คือ พ่นกาวด้วยหัวฉีดลงไปบนกระบะที่มีผงแป้งที่เกลี่ยหน้าให้เรียบไว้แล้ว ผงพลาสติก

          บริเวณที่โดนกาวก็จะติดแข็งตัว วิธีนี้สามารถเลือกให้ชิ้นงานมีสีต่างๆ แตกต่างกันได้ โดยผสมสีลงไปในกาวที่ใช้ ซึ่งก็เหมือนกับการพิมพ์หมึก

          ลงไปบนกระดาษของเครื่องพิมพ์แบบอิงค์เจ็ตนั่นเอง ทำให้รูปทรง 3มิติที่สร้างขึ้นมีความแข็งตัวและมีสีสันที่แตกต่างกันไปด้วย แต่วัสดุที่ขึ้นรูป

          ด้วยวิธีนี้ จะมีความเปราะบางมากกว่าวิธีการขึ้นรูปแบบชิ้นงานอื่น จึงเหมาะกับการทำชิ้นงานต้นแบบมากกว่านำไปใช้งานจริง

 

 

รูปที่ 8 แสดงกระบวนการขึ้นรูปชิ้นงานด้วยเทคนิค

Three Dimensional Printing หรือ 3DP

 

 

 

รูปที่ 9 ตัวอย่างชิ้นงานที่ใช้เทคนิค Three Dimensional Printing หรือ 3DP
จะเห็นได้ว่ามีสีสันที่หลากหลาย

 

 

 

                         3. การใช้พลาสติกร้อนเรียงตัวขึ้นเป็นชิ้นงาน หรือ Extrusion Processes


                         เป็นวิธีที่นิยมและมีการพัฒนากันมากที่สุด เนื่องจากวัสดุที่ใช้ในการขึ้นรูปมีลากหลาย ราคาไม่แพง มีการพัฒนาชุดควบคุมและ

          ซอฟต์แวร์ในแบบโอเพ่นซอร์ส เทคนิคนี้ใช้เส้นพลาสติกมาผ่านหัวที่ให้ความร้อน จนพลาสติกละลายเป็นของเหลวแล้วฉีดหรือโรยเรียงเป็นชั้นๆ 

          เรียกเทคนิคการขึ้นรูปแบบนี้ว่า Fused Deposition Modeling หรือ FDM โดยมีการฉีดส่วนรองรับสำหรับรูปทรงที่โค้งงอ หรือมีความซับซ้อน 

          เพื่อเพิ่มความแข็งแรงไม่ให้ล้มระหว่างการขึ้นรูปชิ้นงาน เมื่อขึ้นรูปเสร็จแล้วก็จะตัดออกได้ในภายหลัง ชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยเทคนิคนี้จะมีผิวชิ้นงานที่

          ไม่เรียบ มีลักษณะเป็นชั้นๆ เนื่องจากขึ้นรูปด้วยการเรียงตัวเชื่อมติดกันของเส้นพลาสติกขนาดเล็กมากๆ ความแข็งแรงของชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยวิธีนี้

          ขึ้นอยู่กับวัสดุของเส้นพลาสติกที่นำมาใช้ ซึ่งก็คือ ABS และ PLA โดย ABS มีความแข็งแรงมากกว่า PLA แต่ PLA ปลอดภัย ไม่ไวไฟ และไม่มี

          กลิ่นฉุนในขณะขึ้นรูปชิ้นงาน เนื่องจาก PLA ทำมาจากวัสดุธรรมชาติ ไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม

 

 


รูปที่ 10 กระบวนการขึ้นรูปชิ้นงานด้วยเทคนิค Fused Deposition Modeling หรือ FDM

 

  

 

 

รูปที่ 11 ตัวอย่างชิ้นงานของเครื่องพิมพ์ 3มิติที่ใช้เทคนิค Fused Deposition Modeling หรือ FDM

โดยใช้เส้นพลาสติกหลากหลายสี ทำให้ขึ้นรูปชิ้นงานที่มีสีสันได้

 

 

 


ส่วนประกอบของเครื่องพิมพ์ 3มิติ แบบ FDM

 

                         เครื่องพิมพ์ 3มิติที่นิยมผลิตและใช้งานมากที่สุดคือ เครื่องพิมพ์ที่ใช้เทคนิค FDM เนื่องจากกลไกของตัวเครื่องพิมพ์มีความซับซ้อน

          น้อย ใช้งบประมาณต่ำสุด เมื่อเทียบกับเครื่องพิมพ์ที่ใช้เทคนิคอื่น ในบทความนี้จึงขอเลือกเจาะลึกถึงส่วนประกอบและการทำงานของเครื่องพิมพ์ 

          3มิติแบบนี้เป็นหลัก


                         เครื่องพิมพ์ 3มิติแบบ FDM แบ่งการทำงานเป็น 2 ส่วนหลักคือระบบไมโครคอนโทรลเลอร์ ที่ทำงานร่วมกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ที่ใช้

          ควบคุมการฉีดกับระบบควบคุมตำแหน่งที่ฐานวางชิ้นงาน และระบบเชิงกลที่ช่วยในการเคลื่อนที่ของฐานวางชิ้นงาน

 

 

 

 

ระบบไมโครคอนโทรลเลอร์และวงจรควบคุมการทำงาน

 

 

รูปที่ 12 แผนภาพของระบบไมโครคอนโทรลเลอร์และวงจรควบคุมการทำงานทั้งหมดในเครื่องพิมพ์ 3มิติ

แบบ Fused Deposition Modeling หรือ FDM



                         จากรูปที่ 12 แสดงให้เห็นถึงระบบและวงจรควบคุมการทำงานทั้งหมดของเครื่องพิมพ์ 3มิติแบบ FDM บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์

          เป็นตัวประมวลผลและควบคุมหลัก โดยเชื่อมต่อกับส่วนอื่นผ่านวงจรขับหลักที่ได้พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟตรงกระแสไฟฟ้าสูง เพื่อจ่ายให้

          กับสเต็ปเปอร์มอเตอร์ผ่านบอร์ดขับมอเตอร์ เพื่อควบคุมให้ สเต็ปเปอร์มอเตอร์หมุนตามสเต็ปที่ต้องการซึ่งสัมพันธ์กับตำแหน่งของฐานวางชิ้นงาน 

          มีสเต็ปเปอร์มอเตอร์อีกตัวหนึ่งทำงานเพื่อรีดให้เส้นพลาสติกผ่านเข้าไปยังหัวฉีด (Hot End) ภายใต้การควบคุมให้มีความร้อนที่เหมาะสมกับชนิด

          ของเส้นพลาสติก โดยมีการตรวจสอบอุณหภูมิที่หัวฉีดด้วย และมีวงจรควบคุมให้ฐานวางชิ้นงาน (Print Bed) มีอุณหภูมิที่อุ่นพอให้พลาสติกที่ถูก

          ฉีดลงไปบนฐานวางชิ้นงานนี้อ่อนตัวระดับหนึ่งไม่หลุดออกระหว่างกำลังขึ้นรูปชิ้นงาน โดยมีการตรวจสอบและควบคุมอุณหภูมิที่ฐานวางชิ้นงานให้

          เหมาะสมด้วย

 

 

 

ระบบควบคุมตำแหน่งของเครื่องพิมพ์ 3มิติแบบ FDM

 

                         สรุปได้ 3 แบบหลัก ดังนี้


                         1. Gantry เป็นระบบที่กำหนดให้หัวฉีด (Extruder) เคลื่อนที่ไปในแนวแกน X และ Y ในขณะที่ฐานวางชิ้นงานจะเคลื่อนที่ขึ้นลง

          ในแนวแกน Z เท่านั้น การขึ้นรูปชิ้นงานจะมีความเร็วสูง เป็นเทคนิคที่ใช้ในเครื่องพิมพ์ 3มิติรุ่น Colido

 


รูปที่ 13 เครื่องพิมพ์ 3มิติที่ใช้ระบบควบคุมตำแหน่งแบบ Gantry

 

 

                         2. Moving Bed เป็นเทคนิคที่เลื่อนฐานวางชิ้นงานในแนวแกน Y เท่านั้น ส่วนหัวฉีดจะติดกับลิเนียร์สไลด์หรือตัวเลื่อนความแม่นยำสูง 

          เพื่อเลื่อนในแนวแกน X พร้อมกับฉีดเส้นพลาสติกลงบนฐานวางชิ้นงาน และเลื่อนขึ้นในแนวแกน Zทุกครั้งเมื่อขึ้นแบบชิ้นงานในแต่ละชั้นเสร็จแล้ว 

          การเลื่อนในแนวแกน X และ Y จะใช้ลิเนียร์สไลด์ช่วยในการเคลื่อนที่ ทำให้การขึ้นรูปชิ้นงานมีความเร็วไม่มากนัก โครงสร้างของเครื่องที่ง่าย

          ไม่ซับซ้อน เป็นเทคนิคที่ใช้ในเครื่องพิมพ์ 3มิติรุ่น Printrbot

 

 


รูปที่ 14 เครื่องพิมพ์ 3มิติที่ใช้ระบบควบคุมต่ำเหน่งแบบ Moving Bed

 

 

                         3. Deltabot เป็นการใช้เทคนิคของแขนกลหุ่นยนต์ในโรงงาน โดยมี 3 แขนที่เคลื่อนที่อย่างอิสระของระบบหัวฉีดในแนวแกน X, Y 

          และ Z ฐานวางชิ้นงานจะอยู่กับการขึ้นรูปชิ้นงานผ่านระบบควบคุมตำแหน่งด้วย วิธีนี้จะมีความเร็วสูงความแม่นยำขึ้นอยู่กับระบบควบคุมการ

          เคลื่อนที่ของหัวฉีด เครื่องพิมพ์ 3มิติ ที่ใช้เทคนิคนี้คือ Rostock

 

 

รูปที่ 15 เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ใช้ระบบควบคุมต่ำเหน่งแบบ Deltabot

 

 

 


ระบบเชิงกลของเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM

 

                         ระบบเชิงกลเป็นส่วนช่วยในการบรรจุเส้นพลาสติกไปยังหัวฉีดที่มีความร้อนสูงพอที่จะทำให้เส้นพลาสติกหลอมละลาย และถูกฉีด

          ลงไปยังฐานรองชิ้นงาน ประกอบด้วย

 

                         ฐานรองชิ้นงาน หรือ Print Bed


                         เป็นส่วนที่รองรับเส้นพลาสติกที่ถูกฉีดออกมาจากหัวฉีด แบ่งออกเป็น 2 แบบคือ

 

                         1. ฐานวางชิ้นงานแบบธรรมดา ทำจากแผ่นอะคริลิกหรือกระจก ติดเทปกาวสีฟ้า เพื่อให้พลาสติกที่ถูกฉีดออกมาติดกับฐานวางชิ้นงาน 

          ดังแสดงในรูปที่ 16 ติดตั้งกับระบบเคลื่อนที่เชิงกลของเครื่องพิมพ์แบบ FDM เหมาะสำหรับเส้นพลาสติกแบบ PLA

 

 

 

รูปที่ 16 ฐานวางชิ้นงานที่ติดด้วยเทปกาวสีฟ้า เพื่อรองรับเส้นพลาสติกเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

 

 

 

                         2. ฐานวางชิ้นงานแบบร้อน (Heat Bed) ทำจากกระจกหรือวัสดุที่มีการถ่ายเทความร้อนได้ดี ดังแสดงในรูปที่ 17ความร้อนนี้มาจาก

          แผ่นขดลวดความร้อนที่ติดอยู่ด้านหลังของฐานวางชิ้นงาน มีอุณหภูมิอยู่ที่ 40 ถึง 110 องศาเซลเซียส มีตัวตรวจจับอุณหภูมิติดตั้งอยู่เพื่อวัด

          อุณหภูมิของฐานวางชิ้นงาน ณ ขณะนั้น เมื่อเส้นพลาสติกฉีดลงมาถึงฐานวาง เส้นพลาสติกจะอุ่นและติดอยู่กับฐานวางชิ้นงานโดยไม่หลุดออกไป 

          เครื่องพิมพ์ที่ใช้ฐานวางแบบนี้จะใช้งานได้กับเส้นพลาสติกทั้งแบบ ABS และ PLA

 

 

 

 

รูปที่ 17 ฐานวางชิ้นงานแบบร้อนที่ใช้ในเครื่องพิมพ์ 3 มิติรุ่น Printrbot

 

 


                         ส่วนควบคุมการป้อนเส้นพลาสติกสู่หัวฉีดหรือ Extruder


                         ในส่วนนี้ใช้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ควบคุมกลไกเพื่อป้อนเส้นพลาสติกเข้าสู่หัวฉีดร้อน ความเร็วของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่หมุนไปมีผล

          ต่อปริมาณการฉีดพลาสติกออกมาจากหัวฉีด ติดตั้งอยู่บนแท่นเลื่อนในแนวแกน X และ Y หรือจะอยู่ด้านข้างของเครื่องขึ้นอยู่กับเทคนิคของ

          เครื่องพิมพ์แต่ละรุ่น ดังรูปที่ 18 อาจมีหลายชุดสำหรับเครื่องพิมพ์แบบหลายหัวฉีด ทำให้สามารถฉีดเส้นพลาสติกได้ 2 สีขึ้นไป

 

 

 

รูปที่ 18 ชุด Extruder หรือส่วนควบคุมการป้อนเส้นพลาสติกสู่หัวฉีด

 

                         หัวฉีดร้อน


                         หัวฉีดร้อน หรือ นอซซิล (nozzle) หรือบางครั้งเรียกว่า Hot End เป็นส่วนที่ให้ความร้อนกับเส้นพลาสติกที่ป้อนเข้ามาจากส่วน

          ควบคุมการป้อนเส้นพลาสติกหรือ Extruder โดยอุณหภูมิที่หัวฉีดนี้จะอยู่ในช่วงที่ทำให้เส้นพลาสติกหลอม ซึ่งมีค่าประมาณ 190 ถึง 250 

          องศาเซลเซียส (ขึ้นอยู่กับชนิดของเส้นพลาสติก) มีตัวตรวจจับและวัดอุณหภูมิเป็นตัวตรวจสอบและส่งสัญญาณไปยังส่วนควบคุมอุณหภูมิ 

          หัวฉีดร้อนนี้ทำมาจากโลหะ บรรจุในบล็อกอะลูมิเนียม และมีแผ่นระบายความร้อนติดอยู่ที่ตัวถังด้วย โดยรูของหัวฉีดมีขนาดอยู่ที่ 0.2 - 0.8 

          มิลิเมตร รูที่มีขนาดเล็กจะทำให้ฉีดพลาสติกออกมาได้ละเอียด ทำให้ได้ชิ้นงานที่เรียบเนียนยิ่งขึ้น

 

 


รูปที่ 19 ภาพของหัวฉีดร้อนที่ติดตั้งอยู่ในเครื่องพิมพ์ 3 มิติและโครงสร้างภายใน

 

 

                          วัสดุที่ใช้ขึ้นรูปชิ้นงาน

 

                         ในเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM วัตถุดิบที่สำคัญคือ เส้นพลาสติกหรือ Filament มีด้วยกันหลายวัสดุและหลายสี เช่น

                         เส้นพลาสติกแบบ ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene)
                          

                         เป็นเส้นพลาสติกที่ได้รับความนิยมชนิดหนึ่งในงานพิมพ์ชิ้นงาน 3มิติ โดยใช้อุณหภูมิที่หัวฉีดร้อนอยู่ที่ 215 - 250 องศาเซลเซียส 

          แต่มีข้อเสียคือ เมื่อหลอมแล้ว จะเกิดไอระเหยออกมาที่เป็นอันตรายต่อคนและสัตว์เลี้ยง เส้นพลาสติก ABS นี้มีส่วนผสมของอะซิโทน 

          (Acetone) ทำให้พื้นผิวของชิ้นงานที่ขึ้นรูปเสร็จแล้ว มีความเรียบเนียน เงางาม

 

 

                         เส้นพลาสติกแบบ PLA (Polylactic Acid หรือ Polylactide)


                         เป็นเส้นพลาสติกที่มีส่วนผสมจากวัตถุดิบชีวภาพ เช่น ข้าวโพดหรือมันฝรั่ง ใช้อุณหภูมิที่หัวฉีดพลาสติกอยู่ที่ 160 - 220 องศา

          เซลเซียส เมื่อเส้นพลาสติก PLA หลอมจะมีกลิ่นคล้ายๆ กับข้าวโพดคั่ว ซึ่งไม่เป็นอันตราย และไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม นอกจากนั้น เมื่อใช้ 

          PLA ในการพิมพ์ชิ้นงานก็ไม่จำเป็นที่จะต้องใช้ฐานวางชิ้นงานแบบร้อน แต่ถ้าใช้ ก็จะทำให้ฐานของชิ้นงานเรียบเนียนขึ้น

 

 

                         เส้นพลาสติกแบบ PVA (Polyvinyl Alcohol)


                         เป็นเส้นพลาสติกชนิดพิเศษที่มีการผสมผสานกันหลายสี ใช้อุณหภูมิที่หัวฉีดพลาสติกอยู่ที่ 190 องศาเซลเซียส วัสดุแบบนี้ละลายน้ำได้ 

          ชิ้นงานที่ขึ้นรูปด้วยเส้นพลาสติกชนิดนี้อาจจะต้องระวังเรื่องความชื้น เพราะอาจส่งผลใช้ชิ้นงานสลายไปได้

 

 

  

รูปที่ 20 ตัวอย่างของเส้นพลาสติกที่ใช้ในเครื่องพิมพ์ 3มิติแบบ FDM

 

 

                         นอกเหนือจากการใช้เส้นพลาสติกดังที่ได้กล่าวมาแล้ว ยังคงมีผู้พัฒนาให้เครื่องพิมพ์ 3มิติขึ้นรูปชิ้นงานจากวัสดุอื่นได้ด้วย แต่ต้องมี

          การดัดแปลงในส่วนของส่วนควบคุมการป้อนวัสดุและหัวฉีดร้อน โดยเปลี่ยนเป็นกระบอกฉีดที่เชื่อมต่อกับส่วนควบคุมการป้อนวัสดุหรือ Extruder 

          ที่ทำมาเฉพาะ เพื่อที่จะฉีดวัสดุพวกซิลิโคน เซรามิก หรือแม้กระทั่งช็อกโกแลต น้ำตาล แป้งขนม อาจเปลี่ยนฐานวางชิ้นงานเป็นกระทะไฟฟ้า 

          เมื่อฉีดแป้งแพนเค้กลงมา จะได้เป็นแพนเค้กแสนอร่อยที่มีรูปร่างหน้าตาเป็นตัวการ์ตูนหรือดอกไม้

 

 

 

รูปที่ 21 เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ขึ้นรูปชิ้นงานจากเซรามิกเหลว

 

 

 

  

รูปที่ 22 เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ขึ้นรูปชิ้นงานจากช็อกโกแลต

 

 


รูปที่ 23 เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่มีการปรับปรุงและเพิ่มกระทะไฟฟ้าเพื่อพิมพ์แพนเค้ก

 

 

 


ซอฟต์แวร์ควบคุมเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

 

                         หลักจากได้กล่าวถึงฮาร์ดแวร์ของเครื่องพิมพ์ 3มิติไปแล้ว ลำดับต่อไปเป็นเรื่องของซอฟต์แวร์ที่ใช้ควบคุมเครื่องพิมพ์ 3มิติ ซึ่งมี

          ทั้งในส่วนของไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ใช้ควบคุมการหมุนของสเต็ปเปอร์มอเตอร์, ระบบ PID ของการควบคุมความร้อนของหัวฉีดร้อน หรือฐาน

          วางชิ้นงานแบบร้อน เครื่องพิมพ์ 3มิติแต่ละยี่ห้อจะมีการควบคุมเป็นของตนเอง ในส่วนของซอฟต์แวร์ในคอมพิวเตอร์ที่เชื่อมต่อกับเครื่องพิมพ์ 

          3มิติ มีด้วยกัน 2 ตัวหลักๆ คือ ซอฟต์แวร์สร้างแบบ 3มิติ และซอฟต์แวร์แปลงแบบ 3มิติเป็นไฟล์ G-code

 


                         ซอฟต์แวร์สร้างแบบ 3 มิติ


                         แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทคือ

 

                         1. แบบเชิงพาณิชย์


                         มีให้เลือกหลายตัว เช่น Solid work, AutoCAD, Autodesk หรือ Sketch up ซึ่งผู้ใช้งานจะต้องจัดซื้อเพื่อให้ได้ซอฟต์แวร์เหล่านี้

          มาใช้งานอย่างถูกต้อง บางตัวอาจมีให้ทดลองใช้งานฟรีในระยะเวลาจำกัด

 

                         2. แบบฟรีแวร์


                         ถ้าถามว่า ผู้ใช้งานสามารถออกแบบสร้างชิ้นงาน 3 มิติ โดยไม่ใช้ซอฟต์แวร์เชิงพาณิชย์ได้หรือไม่ คำตอบคือ ได้ โดยใช้ซอฟต์แวร์

          ในกลุ่มฟรีแวร์ หรือแบบโอเพ่นซอร์ส หากแต่ฟังก์ชั่นการใช้งานอาจมีไม่ครบถ้วนเท่า แต่ก็ใช้สร้างชิ้นงาน 3มิติได้ในระดับหนึ่ง มีผู้พัฒนาหลาก

          หลาย ตัวที่สะดวกมากที่สุดตอนนี้คือ ซอฟต์แวร์วาดชิ้นงาน 3มิติ ผ่านเครือข่ายอินเทอร์เน็ต เก็บข้อมูลไว้ในระบบ Cloud ทำให้เข้าถึงการใช้งาน

          ได้ทุกที่ที่มีคอมพิวเตอร์ แท็บเล็ต หรือสมาร์ตโฟน และเครือข่ายอินเทอร์เน็ต ในที่นี้ขอยกตัวอย่าง 2 โปรแกรมคือ

 

                         2.1. AUTODESK 123D DESIGN


                         ทาง Autodesk ได้พัฒนาขึ้นมาให้ใช้งานสะดวก อีกทั้งยังใช้งานได้ทุกแพลตฟอร์ม ด้วย จะต้องทำการสมัครลงทะเบียนก่อน จึงใช้

          งานได้ มี User เอาไว้จัดการไฟล์ของตัวเอง เผยแพร่ไฟล์เป็นสาธารณะได้ มีฟังก์ชั่นให้ใช้สร้างชิ้นงาน 3มิติได้ในระดับหนึ่ง โดยความละเอียดของ

          ชิ้นงานจะอยู่ในระดับ 0.1 เซนติเมตร

 

 

รูปที่ 24 ซอฟต์แวร์ AUTODESK 123D DESIGN

 

 


                         2.2. TINKERCAD


                         เป็นซอฟต์แวร์ที่พัฒนามาจาก Autodesk มีฟังก์ชั่นการใช้งานที่หลากหลาย เช่น สร้างแบบชิ้นงาน 3มิติจากรูปแบบที่ได้กำหนดมาแล้ว 

          หรือจะเป็นสคริปต์ไฟล์ รองรับการนำไฟล์ชิ้นงาน 3มิติที่สร้างจากซอฟต์แวร์อื่นมาปรับปรุงแก้ไข ต้องสมัครลงทะเบียนก่อนจึงใช้งานได้ มี User 

          เอาไว้จัดการไฟล์ของตัวเองเผยแพร่ไฟล์งานผ่านเว็บไซต์ของThingiverse (http://www.thingiverse.com) ได้ ซึ่งว่ากันว่า เป็นแหล่งรวมไฟล์

          ชิ้นงาน 3มิติที่ใหญ่มาก และมีการแบ่งปันไฟล์กันมากที่สุดในโลก

 

 


รูปที่ 25 หน้าต่างการใช้งานของซอฟต์แวร์ TINKERCAD

 

 

 

รูปที่ 26 Thingiverse เว็บไซต์เผยแพร่และแลกเปลี่ยนไฟล์ชิ้นงาน 3มิติ

 

 

                         ไม่ว่าจะใช้ซอฟต์แวร์ใดในการออกแบบชิ้นงาน 3มิติ เมื่อเสร็จแล้วจะต้องทำให้ได้ไฟล์ .STL ออกมา เพื่อนำเข้าไปสู่กระบวนการแปลง

          เป็นไฟล์ G-code ต่อไป

 


                         ซอฟต์แวร์แปลงแบบ 3มิติเป็นไฟล์ G-code


                         ผู้พัฒนาเครื่องพิมพ์ 3มิติหลายแห่งได้พัฒนาซอฟต์แวร์สำหรับแปลงไฟล์ชิ้นงาน 3มิติให้กลายเป็นไฟล์ G-code เพื่อนำไปควบคุม

          เครื่องพิมพ์ 3มิติ ให้สร้างชิ้นงานออกมาตามที่ออกแบบไว้ บางตัวสามารถแปลงไฟล์ .STL เป็น G-code อย่างเดียว บางตัวอาจรวมไปถึงการควบ

          คุมการทำงานทั้งหมดของเครื่องพิมพ์ผ่านพอร์ต USB หรือนำไฟล์ G-code ใส่ลงใน SD การ์ด แล้วนำไปเสียบที่เครื่องพิมพ์ 3มิติ แล้วให้เครื่องอ่าน

          ไฟล์ G-code เพื่อทำงานเองก็ได้ ตัวอย่างซอฟต์แวร์ที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลาย มีดังนี้

 

 

                         1. Repetier Host


                         เป็นซอฟต์แวร์ที่แปลงไฟล์ .STL เป็นไฟล์ .gco (ไฟล์ G-code ใช้ควบคุมการทำงานของเครื่องพิมพ์ของตัวเอง) สามารถปรับ

          เปลี่ยนตำแหน่ง, แนวการวางชิ้นงาน และขนาดได้ แล้วทำการส่งไฟล์เอาต์พุตหรือ export ออกไป ข้อมูลของไฟล์ใช้ควบคุมความละเอียด 

          ความหนาแน่นของพื้นผิวตัน (Infill) ปรับอุณหภูมิของหัวฉีดให้เหมาะกับวัสดุที่ใช้ สร้างส่วนรองรับชิ้นงาน ตลอดจนกำหนดความเร็วในการฉีด 

          ไฟล์เอาต์พุตจะถูกคัดลอกลงใน SD การ์ด แล้วนำไปเสียบยังเครื่องพิมพ์ 3มิติ เพื่ออ่านไฟล์ แล้วพิมพ์ชิ้นงาน 3มิติต่อไป

 

 


รูปที่ 27 ซอฟต์แวร์ Maker Ware ที่ใช้งานกับเครื่องพิมพ์ Repetier Hast 3มิติ

 

 

                         2. Pronterface

 
                         เป็นอีกหนึ่งซอฟต์แวร์ที่พัฒนาให้มีความยืดหยุ่นในการทำงานสูง ปรับแต่ง ตั้งค่าได้อย่างอิสระ จึงเหมาะกับเครื่องพิมพ์ 3มิติแบบ

          โอเพ่นซอร์ส เช่น RepRap หรือรุ่นอื่นๆ เพียงตั้งค่าให้เหมาะสมกับเครื่องพิมพ์ที่ทำการพัฒนาขึ้นเท่านั้น ตัวซอฟต์แวร์มีความสามารถในการ

          ปรับเปลี่ยนตำแหน่ง แนวการวางชิ้นงาน ขนาดของชิ้นงาน แปลงไฟล์ .STL เป็น G-code ควบคุมตำแหน่งของระบบเคลื่อนที่ในระนาบต่างๆ 

          ของเครื่องพิมพ์ ควบคุมการให้ความร้อนและอุณหภูมิของหัวฉีดร้อนและฐานวางชิ้นงานแบบร้อนผ่าน GUI ของซอฟต์แวร์ได้ และมีกราฟแสดงค่า

          อุณหภูมิตลอดการทำงาน เชื่อมต่อกับเครื่องพิมพ์ผ่านพอร์ต USB หรือนำไฟล์เอาต์พุตคัดลอกลงใน SD การ์ด เพื่อนำไปเสียบที่เครื่องพิมพ์ 3มิติ 

          แล้วพิมพ์ชิ้นงานต่อไป

 

 

 


รูปที่ 28 หน้าตาของซอฟต์แวร์ Pronterface ที่ใช้กับเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบโอเพ่นเซอร์สได้

 


                         3. Cura


                         เป็นซอฟต์แวร์ที่พัฒนาขึ้นมาให้ใช้งานกับเครื่องพิมพ์ของ Ultimaker และใช้งานกับเครื่องพิมพ์แบบโอเพ่นซอร์สได้ด้วย มีการตั้งค่า

                         ที่เหมาะสมกับแต่ละเครื่องพิมพ์ มีความสามารถเหมือนกับ Pronterface

 

 


รูปที่ 29 หน้าต่างหลักของซอฟต์แวร์ Cura ที่ใช้งานกับเครื่องพิมพ์รุ่น Ultimaker
และระบบโอเพ่นเซอร์สได้

 

 

 

 

เครื่องพิมพ์ 3มิติสร้างชิ้นงานอะไรได้บ้าง

 

                         ถ้าถามว่า เครื่องพิมพ์ 3มิติสามารถสร้างสรรค์ชิ้นงานอะไรได้บ้าง คงต้องตอบว่า ได้เกือบทุกอย่างที่เขียนมาจากแบบ 3มิติ 

          เพียงแต่ต้องเลือกเครื่องพิมพ์ให้เหมาะสมกับชิ้นงาน สำหรับเครื่องพิมพ์ 3มิติแบบ FDM ที่นำมาแนะนำเป็นหลักนี้สามารถสร้างงานที่ดีออกมาได้ 

          แต่ต้องมีการตกแต่งหลังจากพิมพ์ชิ้นงานเสร็จแล้วบ้าง

 


ตัวอย่างผลงานของเครื่องพิมพ์แบบ FDM รวบรวมมาให้ดูในรูปที่ 30

 


 

                                             1. ชุดระบบเกียร์ที่เปลี่ยนรูปทรงได้                                   2. ระบบเฟืองและสายพานโซ่


                                             3. สกรูขนาด M10                                                        4. แบบจำลองของกระดูกฟันและกรามของสัตว์


                                             5. ผลึกคริสตอลหลากสี                                                 6. โมเดลมือ

   
                                             7. โมเดลเครื่องยนต์ต้นแบบ                                           8. เคสโทรศัพท์ IPhone แบบไม่เหมือนใคร

 
                                             9. โมเดลบ้านจำลอง                                                     10. เทียนไข LED

  
                                             11. ลูกกุญแจและแม่กุญแจที่ออกแบบเอง                          12. โครงสร้างแขนกล

 

 

                         จัดมาให้อ่านกันแบบจุใจสำหรับเรื่องราวของเครื่องมือที่นักประดิษฐ์ยุคใหม่ควรมีไว้ในครอบครอง เครื่องพิมพ์ 3 มิติจะช่วยยก

          ระดับงานประดิษฐ์ของมือสมัครเล่น นัก DIY และมืออาชีพให้ก้าวไปอีกขึ้นหนึ่ง ทลายข้อจำกัดในการสร้างสรรค์ชิ้นงานต้นแบบหรือชิ้นงานเฉพาะ 

          ภายใต้งบประมาณที่ประหยัดและเป็นไปได้ รวมถึงยังช่วยในคืนชีพชิ้นส่วนที่เสียหรือหายไปให้กลับมาได้ ขอเพียงสร้างแบบเป็น 3 มิติได้เท่านั้น 

          ได้เวลาของเครื่องพิมพ์ 3 มิติแล้ว!

 

 

Visitors: 33,535