เครื่องพิมพ์จำลองตัวเองสร้างวัตถุจากภาพวาดคอมพิวเตอร์? ไม่ใช่นิยายวิทยาศาสตร์ แต่เป็นเรื่องจริงที่จะปฏิวัติการผลิต
แม้ว่าคุณจะคิดไม่ถึง แต่ปี 1986 เป็นปีที่สำคัญ การยกเลิกกฎระเบียบของตลาดหลักทรัพย์ลอนดอนเปลี่ยนวิธีที่เราคิดเกี่ยวกับเงิน เชอร์โนบิลเปลี่ยนวิธีที่เราคิดเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์ Top Gun เปลี่ยนวิธีที่เราคิดเกี่ยวกับเพลงประกอบภาพยนตร์ และสำหรับผู้ที่ให้ความสนใจเป็นพิเศษ สุภาพบุรุษชาวอเมริกันที่ชื่อ Chuck Hull ได้เปลี่ยนวิธีที่เราคิดเกี่ยวกับการผลิต
ในปีนั้นในวันที่ 11 มีนาคม (อาจประมาณหนึ่งล้านวันนับตั้งแต่การก่อตั้งกรุงโรมตามประเพณี) ฮัลล์ออกสิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาหมายเลข 4, 575, 330: 'เครื่องมือสำหรับการผลิตวัตถุสามมิติโดย Stereolithography' เครื่องพิมพ์ 3 มิติจึงถือกำเนิดขึ้น
‘Chuck Hull เป็นคนที่เริ่มต้นทุกอย่าง’ Phil Kilburn ผู้จัดการฝ่ายขายของบริษัทการพิมพ์ 3 มิติ 3T RPD กล่าว “ตอนนั้นเขาทำงานให้กับซีร็อกซ์ และเกิดแนวคิดในการวางหมึกทับกันเพื่อสร้างแบบจำลองสามมิติที่แข็งแกร่ง เขาใช้กระบวนการนี้และเริ่มก่อตั้งบริษัทการพิมพ์ 3 มิติแห่งแรก คือ 3D Systems’
ในตอนแรก
เครื่องพิมพ์ 3 มิติดั้งเดิมของฮัลล์ใช้แสงอัลตราไวโอเลตเพื่อวาดรูปสองมิติบนพื้นผิวของถังโฟโตโพลิเมอร์เหลว ซึ่งเป็นสารที่จะแข็งตัวเมื่อสัมผัสกับรังสีอัลตราไวโอเลต กระบวนการนี้เกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่า โดยสร้างเลเยอร์ 2 มิติเพื่อสร้างวัตถุ 3 มิติ แม้ว่ากระบวนการและวัสดุที่ใช้ในเครื่องพิมพ์ 3D จะมีมาไกลตั้งแต่นั้นมา แต่พื้นฐานก็ยังคงเหมือนเดิม
‘เครื่องจักรที่เราใช้ตอนนี้ใช้เลเซอร์’ Martyn Harris ผู้จัดการฝ่ายไอทีของ 3T RPD กล่าว 'กระบวนการนี้ฉลาดมาก แต่ในรูปแบบพื้นฐานนั้นง่ายมาก: นำผงแล้วละลายดังนั้นในเครื่องจักรของเรา คุณจะมีเตียงของวัสดุที่เป็นผง เช่น ไนลอน ซึ่งถูกทำให้ร้อนขึ้นในห้องของเครื่องพิมพ์จนต่ำกว่าจุดหลอมเหลว จากนั้นเลเซอร์จะติดตามส่วนตัดขวางแบบสองมิติของส่วนประกอบที่คุณต้องการสร้างเหนือผง โดยจะละลายชั้น 2D ในแต่ละครั้ง เมื่อตรวจสอบเลเยอร์แล้ว เตียงของเครื่องพิมพ์จะเลื่อนลงมา สมมติว่า 120 ไมครอน [0.12 มม.] จากนั้นแขนเคลือบซ้ำจะกระจายวัสดุผงอีกชั้นหนึ่งไปด้านบน และกระบวนการเริ่มต้นอีกครั้งด้วยการติดตามด้วยเลเซอร์ ออกจากเลเยอร์ถัดไป'
กระบวนการนี้ถูกกำหนดโดยวิธี 'การเผาผนึก' ซึ่งอะตอมในอนุภาคของผงจะกระจายตัวกันและกลายเป็นชิ้นแข็งที่อุณหภูมิสูง แต่ยังไม่เพียงพอที่จะเล็งเลเซอร์ไปที่พลาสติกและคาดหวังให้วัตถุที่มีประโยชน์ปรากฏขึ้น
‘สิ่งแรกที่คุณต้องทำคือสร้างโมเดล 3D CAD [การออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย] ของสิ่งที่คุณต้องการสร้าง’ Harris กล่าว'จากนั้นใช้ซอฟต์แวร์สั่งทำ คุณบรรจุโมเดลลงในพื้นที่ 3D เสมือนจริงที่สะท้อนขนาดของเตียงเครื่องพิมพ์ จากที่นั่น คุณจะบันทึกไฟล์ทั้งหมดของคุณใน STL – stereolithography หรือไฟล์ที่มีสามเหลี่ยม – และเมื่อคุณเตรียมไฟล์ให้พร้อมแล้ว คุณก็แบ่งมันออกเป็นความหนาเท่าๆ กันที่คุณกำลังสร้าง ไฟล์ที่หั่นเป็นชิ้นทั้งหมดจะถูกส่งไปยังคอมพิวเตอร์ที่ควบคุมเครื่องพิมพ์ จากนั้นเพียงแค่กดปุ่ม go และเครื่องพิมพ์ก็จะพิมพ์ออกมา ที่น่าแปลกก็คือ เครื่องพิมพ์หลายๆ ส่วนเหล่านี้ถูกพิมพ์บนเครื่องพิมพ์อื่นๆ ที่นี่ ดังนั้นจึงกลายเป็นการพิมพ์ซ้ำในตัวเอง’
แฮร์ริสมีส่วนเกี่ยวข้องกับ 3T RPD ในช่วง 13 ปีที่ผ่านมา และล่าสุดได้ก่อตั้ง Race Ware ซึ่งเป็นบริษัทผลิตชิ้นส่วนจักรยานที่ผลิตผลิตภัณฑ์ของตน ตั้งแต่ตัวยึด Garmin แบบพลาสติกไปจนถึงตัวจับโซ่ไทเทเนียม โดยใช้เครื่องพิมพ์ของ 3T RPD
‘ฉันเข้าใจเรื่องนี้เพราะฉันใช้ SRM และมีบาร์ Easton TT หนึ่งคู่” Harris กล่าว 'เมื่อฉันไปหาที่ยึดบาร์ สิ่งที่ฉันพบคือชุดอะแดปเตอร์ที่น่ากลัว ฉันคิดว่าฉันจะทำด้วยตัวเองฉันคิดว่าถ้าฉันสร้างมันขึ้นมา ฉันจะดูว่ามีใครต้องการอีกไหม ฉันก็เลยไปที่ฟอรัม TT และถามไปทั่ว ผู้ชายคนนี้ที่ชื่อ Jason Swann บอกว่าเขาอยากได้เครื่อง Garmin และเขาเป็นนักออกแบบ CAD เขาก็เลยออกแบบให้ฉัน เราใช้เวลาเพียงสามหรือสี่เดือนกว่าจะได้จากการทำซ้ำครั้งแรกจนถึงเวอร์ชันที่เราขายอยู่ในขณะนี้’
ตามที่ Harris ระบุไว้ ความก้าวหน้าที่สำคัญอย่างหนึ่งที่มาพร้อมกับการผลิต 3D คือความรวดเร็วและความสะดวกในการผลิตและปรับแต่งผลิตภัณฑ์ กระบวนการโดยรวมตั้งแต่กระดานวาดภาพไปจนถึงบทความที่ทำเสร็จแล้วนั้นรวดเร็วเป็นพิเศษเมื่อเทียบกับวิธีการแบบเดิมๆ แม้ว่าเวลาในการสร้างอาจใช้เวลาสองสามชั่วโมงไปจนถึงประมาณหนึ่งสัปดาห์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความซับซ้อนและจำนวนผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์
‘ไม่เหมือนกระบวนการผลิตอื่นๆ เช่น การฉีดขึ้นรูป เนื่องจากการพิมพ์ 3 มิติไม่มีเครื่องมือ’ Harris กล่าว ‘ทั้งหมดที่ฉันต้องทำคือสร้างโมเดล CAD ทำการทดสอบสองสามรอบ ปรับแต่งเล็กน้อย จากนั้นเมื่อฉันพอใจกับมันแล้ว ก็เริ่มพิมพ์ได้เลยผู้คนพบว่ามันยากที่จะเอาหัวไปรอบ ๆ พวกเขาถามว่าระยะเวลารอคอยคืออะไร และฉันก็ตอบได้ว่า “สองหรือสามสัปดาห์” ในขณะที่พวกเขาคุ้นเคยกับใครบางคนที่พูดว่า “จะพร้อมภายในไตรมาสที่สี่ของปีหน้า”’
สร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว
แน่นอนว่า 3T RPD และ Race Ware ไม่ได้มีแค่คนเดียว ปัจจุบันมีผู้ผลิตและอุตสาหกรรมอื่นๆ ที่ได้รับประโยชน์จากการพิมพ์ 3 มิติและต้องการผลักดันขอบเขตให้ไกลยิ่งขึ้น Audi ใช้หุ่นยนต์การพิมพ์ 3 มิติเพื่อสร้างรถแนวคิด RSQ ที่ปรากฏในภาพยนตร์เรื่อง I, Robot; ทีม Formula One เช่น Sauber ใช้ท่อเบรกที่พิมพ์ 3 มิติในรถยนต์ของพวกเขา และล่าสุด บริษัทสถาปนิกชาวดัตช์ Dus Architects ได้ประกาศแผนการที่จะพิมพ์ 3 มิติทั้งบ้าน ดังนั้น ถ้าทั้งหมดนี้เป็นไปได้ (บ้านจะถูกสร้างขึ้นในส่วนของเครื่องพิมพ์สูงหกเมตรชื่อ 'KarmerMaker') ความหมายของตัวจักรยานเองคืออะไร? ชายคนหนึ่งที่คิดว่าเขารู้จักคือหัวหน้าฝ่ายวิจัยและพัฒนาที่ Ridley bikes เดิร์ก แวน เดน เบิร์ก
‘เราได้พิมพ์ส่วนประกอบต้นแบบขนาดเล็กในช่วงสองหรือสามปีที่ผ่านมา เช่น เบรกสำหรับ Noah Fast fork” Van den Berk กล่าว 'แต่เป็นครั้งแรกในปีนี้ [2013] เราได้พิมพ์เฟรมทั้งหมดซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการพัฒนาจักรยานยนต์ Dean TT เวอร์ชันใหม่ของเรา มันไม่แข็งแรงพอที่จะขี่หรือทดสอบความเครียด แต่เหมาะสำหรับการทดสอบอากาศในอุโมงค์ลมและการทดสอบการประกอบ ซึ่งเราสามารถสร้างมันขึ้นมาด้วยส่วนประกอบจริงเพื่อดูว่าทุกอย่างลงตัว’
สำหรับ Race Ware การพิมพ์ 3 มิติประเภทนี้โดยเฉพาะ – เรียกว่าการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว – ช่วยให้ Ridley ทำการเปลี่ยนแปลงได้อย่างรวดเร็วและราคาถูก 'คณบดีเริ่มต้นด้วยรูปทรงท่อเพื่อทดสอบในอุโมงค์ จากนั้นเราก็สร้างเฟรมที่สมบูรณ์ เราทดสอบสิ่งเหล่านี้ ประเมิน จากนั้นย้อนกลับและทำการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย นั่นเป็นสิ่งที่ดีมาก การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยสามารถทำได้อย่างรวดเร็ว คุณเพียงแค่ต้องกดปุ่มและรอให้เครื่องพิมพ์หยุดพิมพ์
‘ก่อนหน้านี้ คุณจะใช้คอมพิวเตอร์และซอฟต์แวร์เพื่อสร้างเฟรม จนถึงจุดที่คุณให้ไฟเขียวและผู้ผลิตเฟรมเริ่มตัดแม่พิมพ์ แม้ว่าการพิมพ์ 3 มิติจะไม่ใช่เทคโนโลยีราคาถูก แต่ก็ถูกกว่าการเปิดแม่พิมพ์อย่างแน่นอน เห็นสิ่งผิดปกติกับเฟรมและต้องเริ่มใหม่’ Van de Berk กล่าวเสริม
ดังนั้น หากบริษัทเช่น 3T RPD สามารถพิมพ์ด้วยโลหะและผู้ผลิตเช่น Ridley ได้พิมพ์เฟรมจักรยานต้นแบบทั้งหมดแล้ว เหตุใดเราจึงไม่นำทั้งสองมารวมกันและเริ่มพิมพ์จักรยานที่ขี่ได้
‘สำหรับเฟรมที่สมบูรณ์ มันค่อนข้างยากเพราะวิธีการโหลดเฟรมระหว่างการขี่ ' Van den Berk อธิบาย 'มันเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนที่ต้องสามารถจัดการกับความเครียดและความเครียดได้ทุกประเภท ด้วยคาร์บอน วิธีที่คุณสร้างชั้นคือสิ่งที่ทำให้กรอบแข็งแรงหรือแข็งไปในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง การพิมพ์จะยากกว่ามากในการควบคุมคุณสมบัติของ
วัสดุและนั่นคือสิ่งที่ทำให้การผลิตเฟรมยาก อย่างไรก็ตาม สิ่งต่าง ๆ กำลังไปในทิศทางนั้นอย่างแน่นอน’
การประหยัดจากขนาด
ย้อนกลับไปที่ช่องในบริสตอล มีบริษัทแห่งหนึ่งที่ความเป็นจริงของภาพพิมพ์ 3 มิติกำลังใกล้เข้ามา – อย่างน้อยก็ในบางส่วน
Charge Bikes ได้ร่วมงานกับ EADS (European Aeronautic Defense and Space Company) เพื่อสร้างการหยุดพิมพ์ครั้งแรกสำหรับการผลิต ทำมาจากไททาเนียม Ti6Al4V ดรอปเอาต์จะถูกพิมพ์ที่โรงงานของ EADS ก่อนที่จะส่งไปยังไต้หวันเพื่อเชื่อมเข้ากับจักรยานข้ามช่องแช่แข็งของ Charge อย่างไรก็ตาม ในขณะที่การทดสอบ EN และแปดเดือนที่เหน็ดเหนื่อยภายใต้การควบคุมของ Chris Metcalfe นักแข่งมือโปรของ Charge ได้แสดงให้เห็นว่าการดรอปเอาท์นั้นประสบความสำเร็จทุก ๆ บิตเท่ากับลูกพี่ลูกน้องของ CNC พวกเขาและกระบวนการที่พวกเขาเป็นส่วนหนึ่งนั้นไม่มีข้อจำกัด
Neil Cousins จาก Charge กล่าวว่า 'ปัจจุบัน dropouts ที่พิมพ์ออกมาเพิ่มต้นทุนของเฟรม Freezer มาตรฐาน 20% ส่วนหนึ่งเป็นเพราะแต่ละรุ่นสามารถสร้าง dropout ได้สูงสุด 50 รายการเท่านั้นเนื่องจากขนาดของเครื่องพิมพ์เรายังถูกจำกัดด้วยจำนวนเครื่องพิมพ์ที่มีอยู่ – ขณะนี้มีเพียงสามบริษัทในสหราชอาณาจักรเท่านั้นที่มีเครื่องพิมพ์ – และความเชี่ยวชาญและทักษะที่จำเป็นในการใช้งาน’
ลูกพี่ลูกน้องชี้ให้เห็นว่าไม่มีเหตุผลใดในอนาคตที่ต้นทุนในการผลิตชิ้นส่วนดังกล่าวไม่สามารถลดลงได้เมื่อขนาดเครื่องจักรและจำนวนเพิ่มขึ้น แต่ในขณะนี้เขามีความสมจริงเกี่ยวกับทิศทางของเทคโนโลยี: 'เราอยู่ มักจะคิดแผนสำหรับชิ้นส่วนและเพิ่งจ้างนักออกแบบอุตสาหกรรมคนใหม่ที่นี่ สิ่งหนึ่งที่ต้องจำไว้คือชิ้นส่วนจำนวนมากจะมีราคาแพงจนเราต้องระมัดระวังที่จะไม่ทำอะไรที่จะนั่งบนชั้นวางผู้จัดจำหน่ายของเราเป็นเวลาหลายปี ที่กล่าวว่าผู้เล่นรายใหญ่จำนวนมากในอุตสาหกรรมจักรยานได้ติดต่อกับเราและ EADS เพื่อรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคโนโลยี และในระยะเวลาอันสั้น ฉันสามารถเห็นการพิมพ์ 3 มิติได้อย่างง่ายดายสำหรับการผลิตส่วนประกอบต่างๆ เช่น ดุม เครื่องจักร และตลับ.'
Martyn Harris จาก Race Ware อาจก้าวล้ำไปอีกขั้นด้วยการร่วมมือกับ Simon Smart ผู้เชี่ยวชาญด้านอากาศพลศาสตร์เพื่อสร้างก้านไทเทเนียมแม้จะยังห่างไกลจากการผลิตที่เสร็จสมบูรณ์แต่สามารถขายได้ (แฮร์ริสประเมินว่าเวอร์ชันปัจจุบันมีราคา 5,000 ปอนด์ ดังนั้นการเปลี่ยนอันใดอันหนึ่งอาจยากหน่อย) เป็นเพียงการพิสูจน์ว่าการพิมพ์ 3 มิติระดับใดในปัจจุบัน และอะไร จะต้องไปถึงที่ที่บริษัทอย่าง Race Ware และ Charge อยากไป
‘กุญแจสู่อนาคตของการพิมพ์ 3 มิติคือการทำความเข้าใจกระบวนการ’ ฟิล คิลเบิร์นจาก 3T RPD กล่าว “เราทำงานมิชชันนารีมากมายเพื่อให้ผู้คนเชื่อในเทคโนโลยี เพื่อให้ความรู้แก่ผู้คนเกี่ยวกับสิ่งที่ทำได้และทำไม่ได้ เมื่อคุณเข้าใจกระบวนการแล้ว คุณก็สามารถใช้ประโยชน์จากมันได้ มันยังไปไม่ถึงที่นั่น แต่เมื่อไปถึง การพิมพ์ 3 มิติจะระเบิด’
การพิมพ์แบบละเอียด: การพิมพ์ 3 มิติทำงานอย่างไร
- เช่นเดียวกับการสร้างจากพลาสติก 3T RPD มีชุดเครื่องจักรสำหรับพิมพ์ชิ้นส่วนโลหะ เช่น ตัวจับโซ่ไททาเนียมที่ Race Ware เป็นผู้ว่าจ้าง
- ห้องพิมพ์ถูกทำให้ร้อนถึง 70°C ก่อนที่ไฟเบอร์เลเซอร์ตัวเดียวจะทำงานที่ 1, 000°C+ เลเยอร์สองมิติบนเตียงของผงไทเทเนียม
- แสงสีขาวสว่างที่คุณเห็นไม่ใช่จุดเลเซอร์ แต่เป็นแสงที่เข้มข้นซึ่งปล่อยออกมาเมื่อไททาเนียมที่เป็นผงหลอมละลาย
- ตัวจับโซ่ถูกสร้างขึ้นในชั้น 20 ไมครอน – หลังจากที่แต่ละชั้นถูกตรวจสอบแล้ว เตียงของเครื่องพิมพ์จะลดลง 0.02 มม. ก่อนที่ชั้นผงใหม่จะกระจายออกไป
- แท่นพิมพ์โลหะมักจะเล็กกว่าแท่นพิมพ์พลาสติกมาก แต่เครื่องจักรล่าสุดของ 3T RPD นั้นสร้างได้สูงกว่ารุ่นก่อนถึง 50% แล้ว
- ปัญหาใหญ่ที่ทำให้เครื่องพิมพ์ใหญ่ขึ้นมาพร้อมกับเลเซอร์โฟกัส เครื่องพิมพ์โลหะขนาดเล็กใช้เลเซอร์ตัวเดียว ในขณะที่เครื่องพิมพ์พลาสติกพื้นที่ขนาดใหญ่ต้องใช้สองเครื่อง
- การพิมพ์ตัวจับโซ่สามตัวในไททาเนียมใช้เวลาประมาณสี่ชั่วโมง สามารถบีบอัดได้ถึง 50 เตียงในเครื่องพิมพ์ แต่เวลาในการสร้างจะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 12 ชั่วโมง
- เมื่อสร้างเสร็จแล้ว ชิ้นส่วนสามารถถอดออกได้เกือบเหมือนกับการดึงหินออกจากกองทราย ผงแป้งที่เหลือส่วนใหญ่ถูกนำกลับมาใช้ใหม่และใส่กลับเข้าไปในงานสร้างถัดไป