HP Multi Jet Fusion: เทคโนโลยีเครื่องพิมพ์ 3 มิติแห่งอนาคต

เทคโนโลยี Multi Jet Fusion ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อก้าวข้ามขีดจำกัดเดิมๆของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ในด้านคุณภาพ ความเร็ว และต้นทุน เพื่อตอบโจทย์ความต้องการของอุตสาหกรรมผู้ผลิตชิ้นส่วน จำเป็นต้องพัฒนาแนวคิดและเทคโนโลยีขึ้นมาใหม่ ซึ่งแนวคิดดังกล่าวเริ่มต้นจากองค์ประกอบพื้นฐานส่วนที่เล็กที่สุด นั่นก็คือ HP Voxel (ว็อกเซล) ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของเทคโนโลยี Multi Jet Fusion

อะไรคือ HP Voxel ?

เครื่องพิมพ์ 2D และอุปกรณ์แสดงผลต่างๆมักมีการระบุความละเอียดด้วยจำนวนของ Pixel กล่าวคือ Pixel เป็นจุดๆหนึ่งที่ใช้ในการแสดงผล เช่นรูปถ่ายความละเอียดสูงอาจจะประกอบด้วย Pixel หลายล้านจุด ในลักษณะเดียวกัน ชิ้นงานพิมพ์ 3 มิติก็ประกอบด้วย Voxel (Volumetric Pixel) เป็นจำนวนมาก ซึ่ง Voxel ก็คือ Pixel ชนิด 3 มิตินั่นเอง ในการพิมพ์ 3 มิติ Voxel หลายชั้นจะถูกซ้อนกันเรื่อยๆจนได้เป็นชิ้นงานที่ต้องการ

เครื่องพิมพ์ HP Multi Jet Fusion ใช้หัวพิมพ์ Inkjet ซึ่งสามารถพิมพ์ชิ้นงานด้วยความละเอียดระดับ Voxel (1200 dpi) โดยการฉีดสาร Agent ลงไปที่วัสดุแต่ละจุดเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติของ Voxel นั้นๆ เหมือนกับการพิมพ์หมึกลงบนกระดาษ (ในกรณีของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ คือการกำหนดว่าจุดไหนจะถูกเชื่อมขึ้นรูปเป็นส่วนหนึ่งของชิ้นงาน) ทำให้สามารถสร้างชิ้นงานที่มีความละเอียดและความแม่นยำสูงที่สุด เนื่องจากเป็นการพิมพ์ที่สามารถกำหนดคุณสมบัติของวัสดุได้แบบจุดต่อจุด

HP Voxel คือองค์ประกอบพื้นฐานส่วนที่เล็กที่สุดของชิ้นงาน 3 มิติ

เครื่องพิมพ์ Multi Jet Fusion ในอนาคตจะสามารถควบคุมคุณสมบัติของชิ้นงานได้อย่างอิสระ โดยใช้สาร Agent ประเภทต่างๆที่สามารถกำหนดให้ชิ้นงานมีสีแบบ Full Color มีความแข็งและความนิ่มแตกต่างกัน รวมถึงการกำหนดความโปร่งแสง ความยืดหยุ่น หรือแม้กระทั่งการนำไฟฟ้าของชิ้นงาน ลองนึกภาพว่าในอนาคตเราจะสามารถพิมพ์ชิ้นงานที่มีโครงสร้างภายนอกแข็งแรง และมีบางจุดที่ยืดหยุ่นในส่วนที่ต้องรับแรงกระแทก ในขณะเดียวกันก็สามารถพิมพ์วงจรไฟฟ้าลงไปบนผิวชิ้นงานเพื่อเชื่อมต่อกับ IoT Sensor สำหรับ Monitor Load และ Vibration ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่าการพิมพ์งานที่ระดับ Voxel คือหัวใจสำคัญที่จะช่วยเติมเต็มศักยภาพของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ โดยการผลิตชิ้นส่วนจากวัสดุใหม่ๆที่มีความสามารถอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน

Multi Jet Fusion Technology ทำงานอย่างไร?

เทคโนโลยี Multi Jet Fusion ขึ้นรูปชิ้นงานจากวัสดุผง เช่น Nylon 12 โดยใช้สารเชื่อมพลาสติก (Agent) และความร้อนเพื่อพิมพ์ชิ้นงานขึ้นรูปทีละชั้น เป็นวิธีการขึ้นรูปที่แตกต่างจากเทคโนโลยีชนิดผงอื่นๆเช่น SLS หรือ Binder Jetting มีขั้นตอนการทำงานดังนี้

1. ผงวัสดุจะถูกเกลี่ยลงบนฐานพิมพ์ ผงหนึ่งชั้นมีความหนา 70-80 ไมครอน
2. เมื่อเกลี่ยผงเสร็จหนึ่งชั้น หัวพิมพ์จะทำการเคลื่อนที่ผ่านพื้นที่พิมพ์และฉีดสารเชื่อมพลาสติกหรือ Fusing Agent ในบริเวณหน้าตัดของชิ้นงานที่กำลังพิมพ์ ในขณะเดียวกันหัวพิมพ์จะฉีดสารอีกประเภทเรียกว่า Detailing Agent บริเวณขอบของชิ้นงาน
3. เมื่อฉีดสาร Agent ทั้งสองชนิดเรียบร้อย หัวพิมพ์จะฉายแสงอินฟราเรดเพื่อทำความร้อนให้วัสดุจนใกล้เคียงจุดหลอมละลาย โดยสาร Fusing Agent จะดูดซึมความร้อนทำให้บริเวณที่ฉีดสารนี้หลอมละลายจับตัวเป็นรูป ส่วน Detailing Agent จะทำหน้าที่ตรงกันข้าม คือป้องกันการนำพาความร้อน เพื่อให้ชิ้นงานมีขอบที่คมชัดและมีขนาดที่แม่นยำ
4. ฐานพิมพ์จะขยับลงหนึ่งชั้น และทำซ้ำขั้นตอนที่ 1-4 จนกระทั่งพิมพ์ชิ้นงานขึ้นรูปเสร็จสมบูรณ์

กระบวนการพิมพ์ของ HP Multi Jet Fusion Technology

Multi Jet Fusion: Design Parameters

เทคโนโลยี Multi Jet Fusion ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ปัญหา 3 อย่างของเครื่องพิมพ์ 3 มิติในปัจจุบัน: ความเร็ว คุณภาพ และต้นทุนต่อชิ้น

1. ความเร็ว: Speed

เครื่องพิมพ์ HP Multi Jet Fusion สามารถพิมพ์งานได้เร็วกว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติประเภทอื่นโดยเฉลี่ย 10 เท่า เนื่องจากมีลักษณะการพิมพ์แบบวิ่งผ่านเพียงครั้งเดียวต่อชั้นเลเยอร์ กล่าวคือหัวพิมพ์ของเครื่องจะฉีดสาร Agent พร้อมฉายความร้อนเชื่อมชิ้นงานในการกวาดผ่านพื้นที่พิมพ์ในครั้งเดียว ทำให้การพิมพ์ชิ้นงานหนึ่ง Layer มีเวลาพิมพ์ที่คงที่ ไม่ว่าจะพิมพ์งาน 1 ชิ้นหรือ 20 ชิ้น เมื่อเปรียบเทียบกัน เครื่องพิมพ์ 3 มิติประเภทอื่นมักใช้วิธีพิมพ์แบบจุดต่อจุด (Point-to-point) เช่น FDM ที่หัวพิมพ์ต้องฉีดพลาสติกออกมาทีละเส้น หรือ SLS ซึ่งใช้เลเซอร์วาดขึ้นรูปชิ้นงานทีละจุด

2. คุณภาพชิ้นงาน: Quality

HP Multi Jet Fusion สร้างชิ้นงานโดยใช้ไนลอน (Polyamide) เป็นวัสดุหลัก เช่น PA12, PA11, PA12 Glass bead ซึ่งไนลอนเป็นพลาสติกวิศวกรรมที่มีความแข็งแรงทนทานสูง ทนสารเคมีและทนความร้อนได้ดีเยี่ยม จึงเหมาะสำหรับทำชิ้นงานที่ใช้งานจริงในชีวิตประจำวัน ด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ของ HP ทำให้เนื้อวัสดุเชื่อมตัวกันได้อย่างสมบูรณ์แบบ ชิ้นงานมีความแข็งแรงเท่ากันทั้งในแนวระนาบและแนวตั้ง (ชิ้นงานพิมพ์ 3 มิติทั่วไปจะมีความแข็งแรงในแนวตั้งน้อยกว่า)

คลิปวิดีโอด้านล่างแสดงการทดสอบความแข็งแรงของชิ้นงานโดยการพิมพ์ห่วงโซ่น้ำหนักประมาณ 120 กรัม ซึ่งแข็งแรงพอที่จะยกรถได้ทั้งคัน

นอกจากคุณสมบัติทางวิศวกรรมที่เป็นเลิศ เทคโนโลยี Multi Jet Fusion ยังสามารถสร้างชิ้นงานที่มีความแม่นยำและความละเอียดสูงอีกด้วย การใช้เทคโนโลยี Inkjet ช่วยให้เครื่องพิมพ์ของ HP สามารถควบคุมตำแหน่งการพิมพ์ได้ละเอียดถึง 20 ไมครอนหรือระดับ Voxel ทำให้ได้ผลลัพธ์ที่มีขนาดแม่นยำ เก็บรายละเอียดได้คมชัด และสร้างชิ้นงานที่มีความซับซ้อนได้ทุกรูปแบบ เนื่องจากไม่จำเป็นต้องสร้างตัวรองรับชิ้นงาน (Support) เหมือนเครื่องพิมพ์ชนิด FDM หรือ SLA

ตัวอย่างชิ้นงานพิมพ์ความละเอียดสูงจาก HP (Source: Materialise)

3. ต้นทุนต่อชิ้น: Cost per Part

เพื่อให้การพิมพ์ 3 มิติสามารถแข่งขันกับเครื่องจักรประเภทอื่นได้ จำเป็นต้องลดต้นทุนในการทำชิ้นงานให้น้อยที่สุด ในปัจจุบันเครื่องพิมพ์ HP Multi Jet Fusion สามารถผลิตชิ้นงานที่มีต้นทุนต่อชิ้นต่ำกว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติชนิดอื่นกว่า 50%

เปรียบเทียบต้นทุนในการพิมพ์ชิ้นส่วนเฟือง ด้วยเทคโนโลยี MJF, SLS และ FDM