การพิมพ์ 3 มิติ

การพิมพ์ 3 มิติ (3D Printing) คือ กระบวนการสร้างวัตถุสามมิติซึ่งมีขั้นตอนในลักษณะเดียวกันกับการพิมพ์โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อใช้ในการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว (rapid prototype) และการผลิตแบบเรียงชั้น (additive manufacturing) วัสดุจะถูกขึ้นรูปหรือวางเชื่อมต่อกันภายใต้การควบคุมของคอมพิวเตอร์ วัตถุสามมิตินี้สร้างขึ้นจากข้อมูลดิจิทัลของแบบจำลองคอมพิวเตอร์ ทั้งในรูปแบบข้อมูล3มิติ (3D model) หรือ ในรูปแบบชุดข้อมูล2มิติที่เรียงซ้อนเป็นชั้นๆ (sequential layers) ซึ่งทำให้สามารถขึ้นรูปได้เกือบทุกรูปทรง 
ไฟล์:MakerBot ThingOMatic Bre Pettis.jpg|thumb|MakerBot เครื่องพิมพ์3มิติ 

**หลักการทำงานของการพิมพ์ 3 มิติ**
ก่อนที่จะพิมพ์งาน 3 มิติต้องมีการสร้างข้อมูล3 มิติในรูปแบบของดิจิทัล ที่สามารถนำไปใช้งานกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ จากการออกแบบร่วมกับการใช้ซอฟแวร์คอมพิวเตอร์ช่วยการออกแบบ (Computer Aided Design, CAD) นอกจากจะใช้คอมพิวเตอร์ช่วยในการออกแบบแล้ว ยังสามารถใช้ สแกนเนอร์ 3 มิติ ในการสร้างข้อมูลโดยการอ่านแบบวัตถุจริงที่นำมาทำสำเนา3 มิติได้ ไฟล์ดิจิทัลที่สามารถนำไปใช้งานกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติโดยทั่วไป คือ ไฟล์ STL
เมือได้แบบจำลองหรือชิ้นงาน3 มิติในรูปของไฟล์ดิจิทัลแล้ว ซอฟแวร์ของการพิมพ์ก็จะนำไฟล์นั้นไปทำการตัดออกมาให้เป็นชั้นในลักษณะแผ่นงาน 2 มิติ จำนวนชั้นหรือแผ่นงานขึ้นกับความละเอียดในการพิมพ์  เพื่อที่จะสั่งให้เครื่องพิมพ์พิมพ์ชุดแผ่นงานทับต่อกันเป็นชั้นๆ จนเกิดเป็นวัตถุ 3 มิติขึ้นมา หากยังนึกไม่ออกลองนึกถึง ก้อนขนมปังก้อนยาวๆ แล้วถูกหั่นเป็นแผ่นบางๆ ซึ่งถ้าเราเอาแผ่นบางๆ มาวางเรียงซ้อนกันแล้วทาแยม ลงระหว่างแผ่นขนมปัง ก็จะทำให้เกิดเป็นขนมปังก้อนยาว ก้อนเดียว ซึ่งตัวแยมนั้น ก็เปรียบเสมือนกาว ที่เอาไว้ยึดระว่างแผ่นขนมปัง
หลังการพิมพ์จะมีการตกแต่งผิวงาน ซึ่งหากการพิมพ์มีความละเอียดสูง และหรือ ลักษณะการนำงานพิมพ์ 3 มิติไปใช้อย่างเรียบง่าย อาจไม่มีความจำเป็นต้องตกแต่งผิวงาน แต่ทั้งนี้ในการพิมพ์ระบบฉีดเส้นวัสดุบางครั้งมีการใช้วัสดุรองรับ(support material) เพื่อรับน้ำหนักวัสดุพิมพ์ที่ยื่นออกมาในลักษณะนั่งร้าน ซึ่งจำเป็นต้องขจัดวัสดุรองรับออกก่อนการนำงานพิมพ์ไปใช้งาน
ซึ่งวัสดุรองรับนั้นส่วนใหญ่จะเป็นวัสดุเดียวกันกับวัสดุที่ใช้พิมพ์ แต่มีเครื่องพิมพ์ 3 มิติบางรุ่นที่ใช้วัสดุอื่นๆ เพื่อเพิ่มความสามารถในการพิมพ์ให้ได้รูปร่างหลากหลายและสมบูรณ์ยิ่งขึ้น
ไฟล์:Fantasitron photo booth at Madurodam can scan up to two people at a time IMG 3797 FRD.jpg|thumb|งานพิมพ์ 3 มิติที่มาจากสแกนเนอร์ 3มิติ เรียกว่า 3D Photo ณ มารูโดรัมพาร์ค
หลักการทำงานเครื่องพิมพ์ 3 มิติ (3D Printer) ในปัจจุบันมี 2 รูปแบบคือ 

**การพิมพ์2มิติเรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ**
ใช้หลักการเดียวกับการพิมพ์ 2มิติในแนวนอน แล้วนำมาต่อซ้อนกันเป็นชั้นๆ แต่ละชั้นที่พิมพ์คือภาพตัดขวาง (cross section) ของวัตถุนั้น เมื่อพิมพ์เสร็จในสองมิติในชั้นแรกแล้วเครื่องพิมพ์จะเลื่อนแท่นรับงานพิมพ์ขึ้นหรือลงในแนวตั้ง เพื่อพิมพ์ชั้นถัดไป จากนั้นการพิมพ์ซ้อนและเลื่อนแท่นรับงานลงในแนวตั้งที่ละชั้นอย่างต่อเนื่องจนออกมาเป็นรูปร่าง 3 มิติ 

**การพิมพ์3มิติโดยตรง**
แบบเครื่องบินจากปากกา3มิติ
การพิมพ์ที่ไม่อาศัยการพิมพ์ซ้อนกันชั้นๆ อาจเป็นลักษณะการวาดขึ้นรูปวัสดุสามมิติด้วยมืออย่างอิสระ (3D pen)

**ประเภทของการพิมพ์ 3มิติ**
ปัจจุบันประเภทของการพิมพ์ 3มิติ แบ่งตามวัสดุและเทคโนโลยีการขึ้นรูปได้เป็น


**ระบบฉีดเส้นวัสดุ**
ระบบฉีดเส้นวัสดุ (extrusion deposition) ได้แก่ FDM (Fused Deposit Modeling) หรือ FFF (Fused Filament Fabrication) เป็นรูปแบบการพิมพ์ 3มิติ ที่นิยมใช้กันมากที่สุดในปัจจุบันเนื่องจากการใช้งานที่ง่าย มีหลักการทำงานคือ การหลอมเส้นวัสดุให้กลายเป็นของเหลวแล้วฉีดออกมาเป็นเส้นผ่านหัวฉีด (Nozzle) (ในลักษณะเดียวกับปืนกาวที่ใช้กันทั่วไป) หัวฉีดของเครื่องพิมพ์จะวาดเส้นพลาสติกที่ถูกฉีดออกมาเป็นรูปร่างในระนาบแนวนอน เมื่อเสร็จชั้นหนึ่งๆก็จะพิมพ์ในชั้นต่อๆไป (layers) จำนวนชั้นเป็นไปตามความสูงของแบบ และ ความละเอียดในการพิมพ์  
ไฟล์:Schematic representation of Fused Filament Fabrication 01.png|thumb|ภาพแสดงหลักการทำงานในระบบฉีดเส้นวัสดุ; a) เส้นวัสดุ ถูกป้อนไปยัง b) ชุดหัวพิมพ์ที่เคลื่อนที่ในแนวนอน จากนั้นจะถูกหลอมด้วยความร้อน ฉีดออกมาเป็นเส้นผ่านหัวฉีดและวาดเส้นตามรูปทรง c) ที่กำหนดเป็นชั้นๆ โดยอาศัยการเคลื่อนที่ขึ้นหรือลงของ e) แท่นรับ, การพิมพ์ในระบบนี้อาจจำเป็นต้องใช้ d) วัสดุรองรับเพื่อรับน้ำหนักวัสดุพิมพ์ที่ยื่นออกมาในลักษณะนั่งร้าน
พลาสติกเป็นวัสดุที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการพิมพ์ระบบนี้ ได้แก่ โพลีเอทิลีนอะครีโลไนไตรล์ (ABS), โพลีคาร์บอเนต (PC), โพลีคลอรีน (PLA), โพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูง (HDPE), PC / ABS polyphenylsulfone (PPSU) และโพลิสไตรีนรับแรงกระแทกสูง (HIPS) ทั้งนี้วัสดุรองรับต้องมีส่วนผสมที่ทำให้ละลายน้ำได้หรือสามารถแกะออกจากวัสดุพิมพ์ได้ง่าย

**ระบบเรซิ่น**
ระบบเรซิ่น หรือ ระบบถาดเรซิ่น ได้แก่ SLA (Stereolithography) หรือ DLP (Digital Light Processing) เป็นระบบที่ใช้การฉายแสงไปที่ตัววัสดุพอลิเมอร์ไวแสง (Photo Resin, Photopolymer)บรรจุในถาดที่เคลื่อนที่ขึ้นลงได้ เมื่อเรซิ่นถูกแสงจะแข็งตัวเฉพาะจุดที่โดนแสง จึงใช้หลักการแข็งตัวของเรซิ่นนี้ในการทำชิ้นงานให้เกิดรูปร่างขึ้นมา เมื่อทำให้เกิดรูปร่างขึ้นในชั้นหนึ่งๆแล้วเครื่องก็จะเริ่มทำให้แข็งเป็นรูปร่างในชั้นต่อๆไปโดยการเคลื่อนถาดลงไปทีละชั้น จนเกินเป็นชิ้นงานวัตถุที่จับต้องได้ 
ไฟล์:Schematic_representation_of_Stereolithography.png|thumb|ภาพแสดงหลักการทำงานในระบบเรซิ่น; a) เครื่องฉายแสงอาจเป็นได้ทั้งเลเซอร์หรือลำแสงUV จะฉายแสงไปตัววัสดุผ่านถาดที่โปร่งแสงที่บรรจุเรซิ่นเหลว b) จากนั้นเรซิ่นเหลวจะแข็งตัวเฉพาะจุดที่โดนแสงที่กำหนดไว้ c) จากนั้นอาศัยการเลื่อนขึ้นของแท่นจับงาน e) ยกส่วนที่แข็งตัวแล้ว d) สำหรับการพิมพ์ทีละชั้นถัดไป


**ระบบผงวัสดุ**
ระบบผงวัสดุ มีการพิมพ์ 2 รูปแบบคือ การพิมพ์ตัวยึดจับ (Binder) หรือ กาว ลงไปรวมผงวัสดุ เพื่อผสานยึดตัวเข้าด้วยกันเป็นรูปร่าง เมื่อสร้างเสร็จในชั้นหนึ่ง เครื่องพิมพ์จะเกลี่ยผงวัสดุมาทับเป็นชั้นบางๆในชั้นต่อไป ได้แก่ 3DP (Powder Bed and Inkjet Printer) เป็นระบบที่ใช้ผงยิปซั่ม+สี Ink Jet (Powder 3D Printer หรือ ColorJet Printing) เป็นระบบใช้ผงยิปซั่ม/ผงพลาสติก เป็นตัวกลางในการขึ้นชิ้นงาน โดยจะพิมพ์สีลงไปเป็นตัวยึดจับ

การพิมพ์ด้วยการหลอมผงวัสดุ SLS (Selective Laser Sintering) หรือ SLM (Selective Laser Melting) วัสดุที่ใช้ได้แก่ ผงเทอร์โมพลาสติก, ผงโลหะ, ผงเซรามิก เป็นรูปแบบการพิมพ์ที่มีหลักการทำงานคล้ายระบบ SLA ต่างกันตรงแทนที่จะทำให้เรซิ่นแข็งตัวโดยการฉายแสง SLS จะใช้ความร้อนจากการฉายแสงเพื่อหลอมละลายทำให้ผงวัสดุหลอมละลายเป็นเนื้อเดียวกัน   
ภาพแสดงหลักการทำงานในระบบผงวัสดุ; a) ชุดหัวพิมพ์เคลื่อนที่ในแนวนอน ไปยังจุดที่กำหนดในแท่นจับงานที่บรรจุผงวัสดุ e) เพื่อฉีดตัวยึดจับให้ผงวัสดุยึดตัว หรือ ฉายแสงเลเซอร์เพื่อหลอมผงวัสดุให้ยึดตัว d) วัสดุที่ยึดตัวกันเป็นรูปร่างจะถูกเลื่อนลงทีละชั้นไปตามแท่นจับงาน f) จากนั้นจะมีการเติม b) ผงวัสดุใหม่ลงไปอย่างต่อเนื่องจาก c) ถาดเก็บผงวัสดุ 

**ระบบอัดลามิเนต**
ระบบอัดลามิเนตไม่เป็นที่แพร่หลาย มีหลักการคือ ใช้การตัดรูปกระดาษเคลือบพลาสติก, แผ่นฟิล์มโลหะ หรือแผ่นฟิล์มพลาสติก ด้วยมีดหรือเครื่องตัดด้วยเลเซอร์และติดกาวต่อกันเป็นชั้นๆ วัตถุที่พิมพ์ด้วยเทคนิคนี้อาจได้รับการแก้ไขเพิ่มเติมโดยการตัดเฉือนหรือการเจาะหลังจากการพิมพ์
ภาพแสดงหลักการทำงานในระบบอัดลามิเนต; 1) ม้วนวัสดุแผ่นฟิล์ม, 2) ลูกกลิ้งความร้อน, 3) แสงเลเซอร์, 4) หัวฉายแสงเลเซอร์, 5) เครื่องปฏิกรณ์, 6) ชั้นงานที่ยึดตัวแล้ว, 7) แท่นจับงานเคลื่อนที่ในแนวตั้ง, 8) ม้วนวัสดุใช้แล้ว

**อ้างอิง**
หมวดหมู่:สิ่งประดิษฐ์ของสหรัฐ
หมวดหมู่:การออกแบบเชิงอุตสาหกรรม
หมวดหมู่:ผลิตภัณฑ์ที่ออกในปี พ.ศ. 2527
หมวดหมู่:การผลิตเป็นจำนวนมาก