นักวิทยาศาสตร์จีนได้ทําความก้าวหน้าใหม่ ในการแก้ "ปัญหาอุตสาหกรรม" ของเทคโนโลยีพิมพ์ 3 มิติ!

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในปัจจุบัน เทคโนโลยีการพิมพ์ 3D ได้แพร่กระจายไปทั่วทุกวงการเหมือนกับแรงลมตะวันออกที่รุนแรง ตั้งแต่ชิ้นส่วนเครื่องกลที่ซับซ้อนและแม่นยำ ไปจนถึงแบบจำลองผลิตภัณฑ์ที่สมจริง ตั้งแต่ต้นแบบอาคารที่น่าตื่นตาตื่นใจ ไปจนถึงของใช้ในชีวิตประจำวันที่ปรับแต่งได้ เทคโนโลยีการพิมพ์ 3D ด้วยความสร้างสรรค์ที่ไม่มีขีดจำกัดและความยืดหยุ่นที่เพียงพอ ได้นำจินตนาการมาสู่ความเป็นจริง ทำให้ชีวิตของผู้คนสะดวกสบายมากขึ้น และยังมอบความประหลาดใจให้กับเรา

หลักการทำงานของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3D

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3D หรือที่เรียกว่าการผลิตโดยการเติมเนื้อหา เป็นวิธีการผลิตนวัตกรรมใหม่ที่สร้างวัตถุสามมิติโดยการวางวัสดุทีละชั้น หลักการทำงานของมันคล้ายกับการสร้างบ้านอิฐ สามารถสรุปได้อย่างง่ายว่า "การผลิตทีละชั้น การวางทีละชั้น"

กระบวนการพิมพ์ 3D ไม่ซับซ้อนนัก ก่อนอื่นจะสร้างหรือได้รับแบบจำลองดิจิทัลผ่านซอฟต์แวร์ออกแบบช่วยโดยคอมพิวเตอร์ จากนั้นแบบจำลองจะถูกตัดแบ่งเป็นชั้นขวางหลายชั้นที่บางมาก (เช่น สไลซ์) โดยความหนาของแต่ละสไลซ์มักอยู่ระหว่างระดับไมโครเมตรจนถึงร้อยไมโครเมตร จากนั้นตามข้อมูลสไลซ์เหล่านี้ เครื่องพิมพ์ 3D จะสร้างวัตถุปลายทางขึ้นทีละชั้นผ่านเทคโนโลยีและวัสดุเฉพาะ

กระบวนการพิมพ์ 3D ประกอบด้วยการสร้างแบบจำลองการตกตะกอนแบบหลอมรวม (FDM), การพิมพ์ 3D แบบโฟโตสเตอริโอลิธอกราฟี (SLA, DLP, LCD), การประสานเลเซอร์เลือกสรร (SLS), การหลอมเลเซอร์เลือกสรร (SLM), การพิมพ์หมึกสามมิติ (3DP) และการผลิตแบบชั้นต่อชั้น (LOM)

Fused deposition modeling (FDM) เป็นกระบวนการที่วัสดุโพลิเมอร์ชนิดเส้นจะถูกอุ่นและหลอมเหลวผ่านหัวฉีด จากนั้นจะถูกพิมพ์ทีละชั้นบนฐานรองและแข็งตัวเป็นวัตถุสามมิติ เทคโนโลยีนี้มักใช้วัสดุโพลิเมอร์ที่หลอมเหลวได้เป็นวัตถุดิบ เช่น โพลิเมอร์โคโพลิเมอร์อะคริโลไนทรีล-บูทาไดอีน-สไตรีน (ABS) โพลิแลคติกแอซิด (PLA) ฯลฯ มีข้อกำหนดของเครื่องมือไม่มากและใช้งานง่าย เหมาะสำหรับบุคคลและสตูดิโอขนาดเล็ก เครื่องเล่น "ดาบหัวแครอท" และ "ดาบปรับได้" ที่ได้รับความนิยมในตลาดของเล่นล่าสุดก็ผลิตด้วยวิธีนี้

การพิมพ์ 3D โดยเทคนิค Stereolithography (SLA, DLP, LCD) ใช้แสงในช่วงความยาวคลื่นและความเข้มเฉพาะในการฉายลงบนเรซินไวแสง เพื่อให้เรซินเกิดการแข็งตัวทีละชั้นจนกลายเป็นวัตถุในรูปทรงที่ต้องการ เทคโนโลยีนี้มีความแม่นยำสูงและผิวเรียบเนียน เหมาะสำหรับการทำแบบจำลองละเอียดและชิ้นส่วนขนาดเล็ก

การหลอมรวมเลเซอร์แบบคัดสรร (SLS) ใช้ลำแสงเลเซอร์ในการสแกนวัสดุผงเพื่อหลอมและประสานเข้าด้วยกันทีละชั้นจนกลายเป็นวัตถุสามมิติ เทคโนโลยีนี้ใช้ผงเป็นวัสดุตั้งต้น (เช่น ไนลอน, ผงโลหะ, ผงเซรามิก ฯลฯ) มีความแม่นยำในการสร้างรูปทรงสูง และเหมาะสำหรับการผลิตชิ้นส่วนที่มีโครงสร้างซับซ้อน

การหลอมเลเซอร์แบบคัดสรร (SLM) มีพลังงานเลเซอร์ที่สูงกว่า โดยคล้ายกับการหลอมรวมเลเซอร์แบบคัดสรร (SLS) สามารถหลอมผงโลหะให้กลายเป็นของแข็งได้อย่างสมบูรณ์เพื่อการสร้างตัวอย่างชิ้นส่วนโลหะอย่างรวดเร็ว เทคโนโลยีนี้มักใช้ผงโลหะ (เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม, อัลลอยไทเทเนียม ฯลฯ) เป็นวัสดุตั้งต้น สามารถพิมพ์ชิ้นส่วนโลหะที่มีความแข็งแรงและความแม่นยำสูง และถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในวงการอวกาศ การแพทย์ และสาขาอื่น ๆ

การพิมพ์อิงค์เจ็ทสเตอริโอ (3DP) ใช้วัสดุผง (โลหะหรือไม่ใช่โลหะ) และสารยึดเกาะเป็นวัตถุดิบ โดยใช้กลไกการยึดเกาะเพื่อพิมพ์แต่ละชั้นของชิ้นส่วน ตัวอย่างที่ได้จากการพิมพ์เทคโนโลยีนี้จะมีสีเหมือนผลิตภัณฑ์จริง และในปัจจุบันเป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3D สีที่พัฒนาไปไกลแล้ว

การผลิตวัตถุแบบชั้นซ้อน (LOM) ใช้วัสดุแผ่นบาง (เช่น กระดาษ เฟล็กซ์พลาสติก เป็นต้น) และกาวหลอมร้อนเป็นวัตถุดิบ โดยสะสมวัตถุที่ต้องการชั้นแล้วชั้นเล่าผ่านการตัดด้วยเลเซอร์และการประสานด้วยความร้อน เทคโนโลยีนี้มีความเร็วในการสร้างรูปทรงสูงและต้นทุนวัสดุต่ำ เหมาะสำหรับการทำโครงสร้างขนาดใหญ่และเปลือกหุ้ม

แม้ว่าผลิตภัณฑ์เทคโนโลยีการพิมพ์ 3D จะมีระดับการฟื้นฟูที่สูง แต่ก็ยังถูกจำกัดด้วยวัสดุสำหรับการพิมพ์ ผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ด้วย 3D มีความเปราะและแตกหักได้ง่ายเมื่อเจอแรงจากภายนอก เมื่อนำผลิตภัณฑ์เหล่านี้ไปใช้ในสถานการณ์ที่ต้องการสมรรถนะกลไกสูง ก็จะพบว่า "ไม่เพียงพอ" ดังนั้น เราจะปรับปรุง "ใจแก้ว" ของผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ด้วย 3D อย่างไร เพื่อให้มี "ผิว" ที่สวยงามและ "ความยืดหยุ่น" ที่ไม่แตกหักง่าย?

ในวันที่ 3 กรกฎาคม 2024 นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนได้เผยแพร่ผลการวิจัยเกี่ยวกับยางพลาสติกที่พิมพ์ด้วย 3D ในวารสาร Nature ยางที่เตรียมโดยใช้เทคโนโลยีนี้สามารถยืดออกได้ถึง 9 เท่าของความยาวเดิม และความแข็งแรงในการดึงสูงสุดสามารถถึง 94.6MPa ซึ่งเทียบเท่ากับการที่พื้นที่ 1 ตารางมิลลิเมตรสามารถรองรับน้ำหนักได้เกือบ 10 กิโลกรัม แสดงให้เห็นถึงความแข็งแกร่งและความเหนียวในระดับสูงมาก

การ "ปรองดอง" ระหว่างความเร็วในการหล่อและการทนทานของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป

ในกระบวนการพิมพ์ 3D แบบโฟโตคิวริง (SLA, DLP, LCD) การเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตต้องอาศัยความเร็วในการหล่อที่สูงขึ้น ซึ่งจะนำไปสู่การเพิ่มความหนาแน่นของการไขว้เชื่อมของวัสดุ และลดความเหนียวของวัสดุในระหว่างกระบวนการเซ็ตตัว โดยวิธีปกติ เมื่อความเหนียวของวัสดุเพิ่มขึ้น ความหนืดของวัสดุก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน ส่งผลให้การไหลของวัสดูลดลงและทำให้ความเร็วในการหล่อตกต่ำลง ความขัดแย้งระหว่างความเร็วในการหล่อของเครื่องพิมพ์ 3D กับความเหนียวของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปได้สร้างความกังวลให้แก่อุตสาหกรรมทั้งหมดมาโดยตลอด

นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนได้ "ปรับสมดุล" ความขัดแย้งทั้งสองนี้แล้ว นักวิจัยได้เสนอแนวทางสำหรับการพิมพ์แบบ staged และกระบวนการหลังการพิมพ์ โดยการวิเคราะห์เรซินโฟโตเซนซิทีฟซึ่งเป็นวัตถุดิบของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3D แบบ photocuring และแยกกระบวนการพิมพ์ออกเป็นขั้นตอน นักวิจัยได้ออกแบบสารตั้งต้น DLP (digital light processing) ชนิด dimethacrylate ซึ่งประกอบไปด้วยพันธะยูเรียแบบไดนามิกที่ถูกกีดขวางและกรุ๊ปคาร์บอกซิลสองกลุ่มบนสายโซ่หลัก ในระหว่างขั้นตอนการพิมพ์และการหล่อเหล็ก องค์ประกอบสำคัญเหล่านี้จะอยู่ในสถานะ "หยุดชะงัก" และทำหน้าที่เสริมความเหนียวในขั้นตอนการประมวลผลหลังการหล่อ

a. วัตถุที่พิมพ์ 3D และการเปลี่ยนแปลงทางมิติระหว่างกระบวนการหลังการพิมพ์; b. สมรรถนะในการต้านทานการเจาะของลูกโป่งที่พิมพ์ 3D; c. การจำลองแรงเจาะทางกล; d-e. การทดสอบยกน้ำหนักของชุดจับลมที่พิมพ์ 3D แหล่งที่มาของภาพ: อ้างอิง [1]

ในช่วงกระบวนการหลังการผลิตที่อุณหภูมิ 90°C พันธะยูเรียที่ถูกขัดขวางในผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ 3D จะแยกตัวเพื่อสร้างกลุ่มไอโซไซยาเนต ซึ่งจะเชื่อมต่อกับพันธะเอมิดกับกลุ่มคาร์บอกซิลในสายข้างเคียงในทางหนึ่ง และในทางตรงกันข้ามจะทำปฏิกิริยากับน้ำที่ดูดซึมโดยกรดคาร์บอกซิลิกเพื่อสร้างพันธะยูเรีย การเปลี่ยนแปลงของพันธะเคมีภายในโมเลกุลเชื่อมโครงสร้างเครือข่ายเดี่ยวในวัสดุเข้าด้วยกันเป็นโครงสร้างเครือข่ายซ้อนทับกันคล้ายกับ "มือจับมือ" ซึ่งเพิ่มพันธะไฮโดรเจนมากขึ้นและเสริมสร้างโครงสร้างภายในของวัสดุ อันเนื่องมาจากความเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างภายในของวัสดุ ผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ 3D มีพื้นที่สำรองในการดูดซับแรงมากขึ้นเมื่อเกิดการเสียรูปจากแรงภายนอก เปรียบเสมือนผลของการดูดซับพลังงานในกรณีที่รถชน ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานแรงกระแทกและความต้านทานการแตกหักให้กับผลิตภัณฑ์ และมีความเหนียวสูงขึ้น

ผลลัพธ์จากการทดลองแสดงให้เห็นว่าฟิล์มที่เตรียมโดยการพิมพ์ 3D ด้วยตัวทำละลาย DLP ซึ่งมีความหนาเพียง 0.8 มม. มีสมรรถนะในการต้านทานการเจาะที่แข็งแกร่งอย่างยิ่ง สามารถทนแรงได้ถึง 74.4 นิวตันโดยไม่แตก นอกจากนี้แม้ภายใต้เงื่อนไขของการอัดอากาศด้วยแรงดันสูง กริปเปอร์невumatic ที่พิมพ์ด้วย 3D ก็ยังสามารถจับลูกบอลทองแดงที่มีน้ำหนัก 70 กรัมและมีหนามแหลมบนผิวได้โดยไม่แตก ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเหนียวและโครงสร้างที่แข็งแรงมากของผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ด้วย 3D

การใช้งานที่หลากหลายของ elastomers ที่พิมพ์ด้วย 3D

ในด้านอุปกรณ์กีฬา เอลัสโตเมอร์ที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3D มอบอุปกรณ์ส่วนบุคคลที่มีประสิทธิภาพสูงให้กับนักกีฬา เช่น การใช้แผ่นรองเท้าและอุปกรณ์ป้องกันที่ปรับแต่งได้ โดยอาศัยคุณสมบัติในการซึมซับแรงกระแทกและการรองรับของเอลัสโตเมอร์ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเล่นกีฬาของนักกีฬาและปรับปรุงประสบการณ์การสวมใส่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกีฬาสุดขั้วและกีฬาที่มีแรงกระแทกสูง เอลัสโตเมอร์ที่พิมพ์ด้วย 3D สามารถลดแรงกระแทกขณะออกกำลังกายสำหรับนักกีฬาได้อย่างมีนัยสำคัญ และปกป้องข้อต่อและกล้ามเนื้อจากการบาดเจ็บ

ในวงการยานยนต์และการบิน เอลัสโตเมอร์ที่พิมพ์ด้วย 3D ถูกใช้งานสำหรับชิ้นส่วนสำคัญ เช่น ชิ้นส่วนซึมซับแรงกระแทกที่มีน้ำหนักเบาและซีล ชิ้นส่วนเหล่านี้สามารถลดน้ำหนักและรักษาประสิทธิภาพสูงผ่านการออกแบบโครงสร้างที่ซับซ้อน

ในวงการผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ สามารถพิมพ์วัสดุยืดหยุ่นลงบนผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น ลำโพงอัจฉริยะ สร้อยข้อมืออัจฉริยะ ฝาครอบโทรศัพท์มือถือ และอื่นๆ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ไม่เพียงแต่มีความนุ่มและความยืดหยุ่นที่ยอดเยี่ยม แต่ยังมีความทนทานต่อการสึกหรอและใช้งานได้ยาวนาน ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการหลายด้านของผู้บริโภคเกี่ยวกับลักษณะและการทำงานของผลิตภัณฑ์

ในวงการการผลิตอุตสาหกรรม เทคโนโลยีการพิมพ์ 3D ด้วยวัสดุยืดหยุ่นถูกนำมาใช้ในการผลิตแม่พิมพ์อุตสาหกรรมและสายพานถ่ายทอดกำลังต่างๆ ส่วนประกอบเหล่านี้จำเป็นต้องทนต่อแรงเครียดทางกลและแรงสั่นสะเทือนที่มากกว่า วัสดุยืดหยุ่นมีคุณสมบัติความยืดหยุ่นและความต้านทานต่อการเหนื่อยล้าที่ยอดเยี่ยม ทำให้เป็นทางเลือกที่เหมาะสม การผลิตส่วนประกอบเหล่านี้ผ่านเทคโนโลยีการพิมพ์ 3D สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและลดต้นทุนการผลิตได้

การมาถึงของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3D ด้วยวัสดุยืดหยุ่นได้ขยายขอบเขตการใช้งานของผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ 3D ให้กว้างขึ้น และมอบความเป็นไปได้ที่หลากหลายมากขึ้นให้กับชีวิตของเรา