นักวิทยาศาสตร์จีนได้สร้างความก้าวหน้าครั้งใหม่ในการแก้ปัญหา "ปัญหาอุตสาหกรรม" ของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ!

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในปัจจุบันเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติได้แพร่กระจายไปทั่วทุกสาขาอาชีพเหมือนลมตะวันออกที่พัดแรง ตั้งแต่ชิ้นส่วนกลไกที่ซับซ้อนและแม่นยําไปจนถึงโมเดลผลิตภัณฑ์ที่เหมือนจริงตั้งแต่ต้นแบบสถาปัตยกรรมที่ยอดเยี่ยมไปจนถึงสิ่งจําเป็นในชีวิตประจําวันส่วนบุคคลเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติด้วยความคิดสร้างสรรค์ที่ไม่มีที่สิ้นสุดและความยืดหยุ่นที่เพียงพอได้นําจินตนาการมาสู่ความเป็นจริงทําให้ชีวิตของผู้คนสะดวกยิ่งขึ้นในขณะเดียวกันก็นําความประหลาดใจมาสู่เรา

หลักการทํางานของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติหรือที่เรียกว่าเทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่งเป็นวิธีการผลิตที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่สร้างเอนทิตีสามมิติโดยการซ้อนวัสดุทีละชั้น หลักการของมันคล้ายกับการสร้างบ้านอิฐซึ่งสามารถสรุปได้ว่าเป็น "การผลิตแบบชั้นซ้อนกันทีละชั้น"

กระบวนการพิมพ์ 3 มิติไม่ซับซ้อน ขั้นแรก โมเดลดิจิทัลถูกสร้างขึ้นหรือได้รับผ่านซอฟต์แวร์ออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย จากนั้นโมเดลจะถูกตัดออกเป็นชุดของชั้นหน้าตัดที่บางมาก (เช่น ชิ้น) และความหนาของแต่ละชิ้นมักจะอยู่ระหว่างหลายสิบไมครอนถึงหลายร้อยไมครอน จากนั้นจากข้อมูลชิ้นเหล่านี้เครื่องพิมพ์ 3 มิติจะสร้างวัตถุขั้นสุดท้ายทีละชั้นผ่านเทคโนโลยีและวัสดุเฉพาะ

กระบวนการพิมพ์ 3 มิติ ได้แก่ การสร้างแบบจําลองการสะสมแบบหลอมรวม (FDM) การพิมพ์ 3 มิติด้วยภาพถ่ายสเตอริโอลิโธกราฟี (SLA, DLP, LCD) การเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือก (SLS) การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือก (SLM) การพิมพ์อิงค์เจ็ทสเตอริโอ (3DP) และการผลิตแบบเลเยอร์ทีละชั้น (LOM)

การสร้างแบบจําลองการสะสมแบบหลอมรวม (FDM) เป็นกระบวนการที่วัสดุเทอร์โมพลาสติกแบบเส้นใยถูกทําให้ร้อนและหลอมผ่านหัวฉีด สะสมทีละชั้นบนแท่น และในที่สุดก็แข็งตัวเป็นวัตถุสามมิติ เทคโนโลยีนี้มักใช้วัสดุเทอร์โมพลาสติกเป็นวัตถุดิบ เช่น อะคริโลไนไตรล์-บิวทาไดอีน-สไตรีนโคพอลิเมอร์ (ABS) กรดโพลีแลคติก (PLA) เป็นต้น มีความต้องการอุปกรณ์ต่ําและใช้งานง่ายเหมาะสําหรับบุคคลและสตูดิโอขนาดเล็ก "มีดหัวไชเท้า" และ "ดาบยืดไสลด์" ที่ได้รับความนิยมในตลาดของเล่นเมื่อเร็ว ๆ นี้ทําขึ้นด้วยวิธีนี้

การพิมพ์ 3 มิติ Stereolithography (SLA, DLP, LCD) ใช้แสงของแถบและรูปร่างเฉพาะเพื่อฉายรังสีเรซินไวแสง และเรซินไวแสงจะบ่มทีละชั้นเพื่อสร้างวัตถุที่มีรูปร่างที่ต้องการ เทคโนโลยีนี้มีความแม่นยําในการขึ้นรูปสูงและพื้นผิวเรียบและเหมาะสําหรับการสร้างแบบจําลองที่ดีและชิ้นส่วนขนาดเล็ก

การเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือก (SLS) ใช้ลําแสงเลเซอร์เพื่อสแกนวัสดุผงเพื่อหลอมและยึดติดเข้าด้วยกัน เทคโนโลยีนี้ใช้ผงเป็นวัตถุดิบ (เช่น ไนลอน ผงโลหะ ผงเซรามิก ฯลฯ) มีความแม่นยําในการขึ้นรูปสูง และเหมาะสําหรับการผลิตชิ้นส่วนที่ใช้งานได้ที่มีโครงสร้างที่ซับซ้อน

การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือก (SLM) มีพลังงานเลเซอร์ที่สูงขึ้น คล้ายกับการเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือก (SLS) และสามารถหลอมผงโลหะได้อย่างสมบูรณ์เพื่อให้ได้ต้นแบบชิ้นส่วนโลหะอย่างรวดเร็ว เทคโนโลยีนี้มักใช้ผงโลหะ (เช่น โลหะผสมไทเทเนียม สแตนเลส ฯลฯ) เป็นวัตถุดิบ สามารถพิมพ์ชิ้นส่วนโลหะที่มีความแข็งแรงสูงและมีความแม่นยําสูง และใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการบินและอวกาศ การแพทย์ และสาขาอื่นๆ

การพิมพ์อิงค์เจ็ทสเตอริโอ (3DP) ใช้วัสดุที่เป็นผง (โลหะหรืออโลหะ) และกาวเป็นวัตถุดิบและใช้กลไกการยึดติดเพื่อพิมพ์ส่วนประกอบแต่ละชั้นทีละชั้น ตัวอย่างที่ขึ้นรูปของเทคโนโลยีการพิมพ์นี้มีสีเดียวกับผลิตภัณฑ์จริง และปัจจุบันเป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติสีที่โตเต็มที่กว่า

การผลิตวัตถุลามิเนต (LOM) ใช้วัสดุแผ่นบาง (เช่น กระดาษ ฟิล์มพลาสติก ฯลฯ) และกาวร้อนละลายเป็นวัตถุดิบ และสะสมวัตถุที่ต้องการทีละชั้นผ่านการตัดด้วยเลเซอร์และการยึดติดด้วยความร้อน เทคโนโลยีนี้มีความเร็วในการขึ้นรูปที่รวดเร็วและต้นทุนวัสดุต่ํา และเหมาะสําหรับการสร้างโครงสร้างและเปลือกหอยขนาดใหญ่

แม้ว่าผลิตภัณฑ์เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติจะมีการฟื้นฟูในระดับสูง แต่ก็ถูกจํากัดด้วยวัตถุดิบการพิมพ์ ผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ 3 มิติมีความเปราะสูงและแตกหักได้ง่ายจากแรงภายนอก เมื่อใช้ผลิตภัณฑ์ดังกล่าวในสถานการณ์ที่มีความต้องการสมรรถนะเชิงกลสูงพวกเขาจะดูเหมือนจะค่อนข้าง "ไร้ความสามารถ" แล้วจะปรับปรุง "หัวใจแก้ว" ของผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ 3 มิติได้อย่างไร เพื่อให้มี "ผิว" และ "ความยืดหยุ่น" ที่ดูดีซึ่งไม่แตกหักง่าย?

เมื่อวันที่ 3 กรกฎาคม พ.ศ. 2024 นักวิทยาศาสตร์จีนได้เผยแพร่ผลการวิจัยเกี่ยวกับอีลาสโตเมอร์ที่พิมพ์ 3 มิติในวารสาร Nature แถบยางที่เตรียมโดยใช้เทคโนโลยีนี้สามารถยืดได้ถึง 9 เท่าของความยาวของตัวเอง และความต้านทานแรงดึงสูงสุดสามารถเข้าถึง 94.6MPa ซึ่งเทียบเท่ากับ 1 ตารางมิลลิเมตร สามารถทนต่อแรงโน้มถ่วงได้เกือบ 10 กิโลกรัม แสดงให้เห็นถึงความแข็งแรงและความเหนียวที่สูงเป็นพิเศษ

"การกระทบยอด" ระหว่างความเร็วในการขึ้นรูปและความเหนียวของผลิตภัณฑ์สําเร็จรูป

ในกระบวนการพิมพ์ 3 มิติด้วยโฟโตเคียวร์ (SLA, DLP, LCD) การปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตต้องใช้ความเร็วในการขึ้นรูปที่เร็วขึ้น ซึ่งนําไปสู่การเพิ่มความหนาแน่นของการเชื่อมขวางของวัสดุและความเหนียวของวัสดุลดลงในระหว่างกระบวนการบ่ม ภายใต้วิธีการทั่วไปในขณะที่ความเหนียวของวัสดุเพิ่มขึ้นความหนืดของวัสดุก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกันซึ่งจะนําไปสู่การลดความลื่นไหลและความเร็วในการขึ้นรูปลดลง ความขัดแย้งระหว่างความเร็วในการขึ้นรูปของการพิมพ์ 3 มิติและความเหนียวของผลิตภัณฑ์สําเร็จรูปสร้างปัญหาให้กับอุตสาหกรรมทั้งหมดมาโดยตลอด

นักวิทยาศาสตร์จีนได้"ประนีประนอม" ความขัดแย้งทั้งสองนี้ นักวิจัยได้เสนอกลยุทธ์สําหรับการพิมพ์แบบขั้นตอนและหลังการประมวลผลโดยการวิเคราะห์วัตถุดิบเรซินไวแสงของการพิมพ์ 3 มิติด้วยแสงและถอดประกอบกระบวนการพิมพ์ นักวิจัยได้ออกแบบสารตั้งต้น DLP (การประมวลผลแสงดิจิทัล) ของไดเมทาคริเลต ซึ่งมีพันธะยูเรียที่ถูกขัดขวางแบบไดนามิกและกลุ่มคาร์บอกซิลสองกลุ่มบนโซ่หลัก ในระหว่างขั้นตอนการพิมพ์และการขึ้นรูปส่วนประกอบหลักเหล่านี้จะอยู่ในสถานะ "พักตัว" และมีบทบาทในการเพิ่มความแข็งแกร่งในขั้นตอนการประมวลผลหลังการขึ้นรูป

a. 3D วัตถุที่พิมพ์และการเปลี่ยนแปลงมิติระหว่างการประมวลผลภายหลัง b. ประสิทธิภาพการป้องกันการเจาะของลูกโป่งที่พิมพ์ 3 มิติ ค. การสร้างแบบจําลองแรงเจาะเชิงกล ดีอี. การทดสอบการยกน้ําหนักกริปเปอร์แบบนิวเมติกพิมพ์ 3 มิติ แหล่งที่มาของภาพ: อ้างอิง [1]

ในระหว่างขั้นตอนหลังการประมวลผลที่ 90°C พันธะยูเรียที่ถูกขัดขวางในผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ 3 มิติจะแยกตัวออกเพื่อสร้างกลุ่มไอโซไซยาเนต ซึ่งในแง่หนึ่งสร้างพันธะเอไมด์กับกลุ่มคาร์บอกซิลโซ่ด้านข้าง และในทางกลับกันทําปฏิกิริยากับน้ําที่ดูดซับโดยกรดคาร์บอกซิลิกเพื่อสร้างพันธะยูเรีย การเปลี่ยนแปลงของพันธะเคมีภายในโมเลกุลเชื่อมต่อโครงสร้างเครือข่ายเดียวในวัสดุเข้ากับโครงสร้างเครือข่ายที่แทรกซึมซึ่งคล้ายกับ "จับมือกัน" ทําให้พันธะไฮโดรเจนมากขึ้นและเสริมสร้างโครงสร้างภายในของวัสดุ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างภายในของวัสดุที่ผลิตภัณฑ์พิมพ์ 3 มิติมีพื้นที่บัฟเฟอร์ที่ใหญ่ขึ้นเมื่อเสียรูปโดยแรงภายนอก คล้ายกับผลการดูดซับพลังงานจากการชนกันของยานพาหนะ ซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานแรงกระแทกและความต้านทานการแตกหักของผลิตภัณฑ์ และมีความทนทานสูงขึ้น

ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าฟิล์มที่เตรียมโดยการพิมพ์ 3 มิติโดยใช้สารตั้งต้น DLP ที่มีความหนาเพียง 0.8 มม. มีประสิทธิภาพในการป้องกันการเจาะที่แข็งแกร่งมาก แม้จะอยู่ภายใต้สภาวะการพองตัวด้วยแรงดันสูง กริปเปอร์นิวเมติกที่พิมพ์ 3 มิติยังคงสามารถจับลูกบอลทองแดงที่มีน้ําหนัก 70 กรัมที่มีหนามแหลมคมบนพื้นผิวได้โดยไม่แตกหัก ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเหนียวและความแข็งแรงของโครงสร้างที่สูงเป็นพิเศษของผลิตภัณฑ์ที่พิมพ์ 3 มิติ

การประยุกต์ใช้อีลาสโตเมอร์ที่พิมพ์ 3 มิติอย่างกว้างขวาง

ในด้านอุปกรณ์กีฬา อีลาสโตเมอร์ที่พิมพ์ 3 มิติช่วยให้นักกีฬามีอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงและเป็นส่วนตัว ตัวอย่างเช่น พื้นรองเท้าและอุปกรณ์ป้องกันแบบกําหนดเองใช้คุณสมบัติดูดซับแรงกระแทกและรองรับของอีลาสโตเมอร์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเล่นกีฬาของนักกีฬาและเพิ่มประสบการณ์การสวมใส่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกีฬาผาดโผนและกีฬาที่มีแรงกระแทกสูง วัสดุอีลาสโตเมอร์ที่พิมพ์ 3 มิติสามารถลดผลกระทบต่อนักกีฬาระหว่างการออกกําลังกายได้อย่างมาก และปกป้องข้อต่อและกล้ามเนื้อจากการบาดเจ็บ

ในด้านยานยนต์และการบินและอวกาศ อีลาสโตเมอร์ที่พิมพ์ 3 มิติใช้สําหรับส่วนประกอบหลัก เช่น ชิ้นส่วนและซีลดูดซับแรงกระแทกน้ําหนักเบา ชิ้นส่วนเหล่านี้สามารถลดน้ําหนักและรักษาประสิทธิภาพสูงผ่านการออกแบบโครงสร้างที่ซับซ้อน

ในด้านผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ลําโพงอัจฉริยะ สร้อยข้อมืออัจฉริยะ เคสโทรศัพท์มือถือ และผลิตภัณฑ์อื่นๆ สามารถพิมพ์ด้วยวัสดุอีลาสโตเมอร์ได้ ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ไม่เพียงแต่มีความนุ่มนวลและความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยม แต่ยังมีความทนทานต่อการสึกหรอและความทนทานสูง ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการหลายแง่มุมของผู้บริโภคสําหรับรูปลักษณ์และประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์

ในด้านการผลิตทางอุตสาหกรรมเทคโนโลยีอีลาสโตเมอร์การพิมพ์ 3 มิติถูกนํามาใช้ในการผลิตแม่พิมพ์อุตสาหกรรมและสายพานส่งกําลังและชิ้นส่วนอื่น ๆ ชิ้นส่วนเหล่านี้ต้องทนต่อความเครียดเชิงกลและการสั่นสะเทือนที่มากขึ้น และวัสดุอีลาสโตเมอร์เป็นตัวเลือกที่เหมาะสําหรับความยืดหยุ่นและความต้านทานความล้าที่ดีเยี่ยม การผลิตชิ้นส่วนเหล่านี้ผ่านเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติไม่เพียงแต่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิต แต่ยังช่วยลดต้นทุนการผลิตได้อีกด้วย

การถือกําเนิดของเทคโนโลยีอีลาสโตเมอร์การพิมพ์ 3 มิติได้ขยายสถานการณ์การใช้งานของผลิตภัณฑ์การพิมพ์ 3 มิติและนําความเป็นไปได้ที่มีสีสันมาสู่ชีวิตของเรา