3 ผู้เล่นหน้าใหม่ในวงการ Metal 3D Printing

ปี 2017 ถือว่าเป็นปีที่ตลาด Metal 3D Printing (เครื่องพิมพ์ 3 มิติชนิดโลหะ) คึกคักมากทีเดียว มีผู้เล่นใหม่ๆกระโดดเข้ามาในตลาดหลายราย มีการศึกษาวิจัย การควบรวมกิจการ การลงทุนโดยบริษัทยักษ์ใหญ่ เพื่อผลักดันเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะให้มีราคาถูกลง เนื่องจากการผลิตชิ้นส่วนโลหะเป็นอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ทั่วโลก จึงเป็นโอกาสทางธุรกิจมหาศาลสำหรับบริษัทใดก็ตามที่สามารถพัฒนาเครื่องพิมพ์ 3D ที่สามารถสร้างชิ้นงานโลหะคุณภาพสูงในราคาที่เข้าถึงได้

โดยปกติเครื่องพิมพ์โลหะมักใช้เทคโนโลยี DMLS (Direct Metal Laser Sintering) หรือ SLM (Selective Laser Melting) ซึ่งใช้แสงเลเซอร์เชื่อมผงโลหะเพื่อขึ้นรูปชิ้นงาน ใช้ได้กับวัสดุโลหะหลายประเภทเช่นอลูมิเนียม ไทเทเนียมอัลลอย เหล็กสแตนเลส แต่ด้วยธรรมชาติของเครื่องพิมพ์ประเภทนี้ซึ่งใช้แสงเลเซอร์พลังสูง ทำให้เครื่องมีราคาแพง ตั้งแต่ 10-30 ล้านบาท (ตัวอย่างผู้ผลิตเช่น 3D Systems, EOS, SLM Solutions) ด้วยราคาอุปกรณ์และวัสดุพิมพ์ที่แพง เครื่องพิมพ์ประเภท DMLS / SLM จึงมักถูกใช้เพื่อผลิตชิ้นส่วนที่มีมูลค่าสูงเป็นหลัก เช่นชิ้นส่วนในอุตสาหกรรม Aerospace ยานยนต์ ทันตกรรม และเครื่องประดับ ยกตัวอย่างเช่นเครื่องพิมพ์ของ Arcam และ Concept Laser ซึ่งใช้ในการผลิตชิ้นส่วนเครื่องยนต์ไอพ่น (ทั้งสองบริษัทถูกบริษัท GE ซื้อกิจการไปเมื่อปลายปีที่แล้ว)

Trend ล่าสุดของวงการ Metal 3D Printing จึงโฟกัสที่การพัฒนาเทคโนโลยีการพิมพ์โลหะให้มีราคาถูกกว่าเดิม ในบทความนี้เราได้รวบรวมผู้ผลิตเครื่องพิมพ์ Metal 3D Printer หน้าใหม่ที่น่าสนใจที่สุดเพื่อสรุปภาพรวมของอุตสาหกรรม

1. Desktop Metal (USA)

Desktop Metal เป็นบริษัท Startup ผู้ผลิต Metal 3D Printer ที่มาแรงที่สุดในขณะนี้ ด้วยเม็ดเงินลงทุนมหาศาลกว่า 200 ล้านเหรียญสหรัฐจากบริษัทใหญ่เช่น Google, BMW, Stratasys บริษัท Desktop Metal ได้เปิดตัวเครื่องพิมพ์ Studio System สำหรับสร้างชิ้นงาน Prototype จากวัสดุโลหะ ซึ่งมีราคาต่ำกว่าเครื่องพิมพ์ชนิดเลเซอร์ถึง 10 เท่า โดยเครื่องพิมพ์ของ Desktop Metal ใช้เทคนิคการพิมพ์ที่เรียกว่า BMD (Bound Metal Deposition) ซึ่งคล้ายกับระบบ FDM คือการละลายและฉีดวัสดุโลหะออกมาทีละชั้น (วัตถุดิบที่ใช้กับเครื่องเป็นแท่งคล้ายดินสอ ประกอบด้วยผงโลหะผสมกับวัสดุพลาสติก Binder) เมื่อพิมพ์เสร็จแล้วชิ้นงานต้องผ่านกระบวนการเพิ่มเติมคือการละลายสาร Binder (Debinding) และเข้าเตาเผา (Sintering) โดยระหว่างการเผาวัสดุ Binder จะละลายออกจนหมด เหลือแต่ชิ้นงานที่เป็นโลหะ (ทาง Desktop Metal ได้ทำเครื่อง Debinder และเตาเผา Sintering Furnace เพื่อขายคู่กับเครื่องพิมพ์ เป็นโซลูชั่นแบบครบวงจร)

กระบวนการดังกล่าว (Debinding + Sintering) มีพื้นฐานมาจาก Metal Injection Molding (MIM) ซึ่งเป็นเทคนิคการขึ้นรูปชิ้นงานโลหะที่คล้ายกับการฉีดพลาสติก คือใช้แม่พิมพ์ในการฉีดขึ้นรูป แต่วัสดุที่ใช้เป็นผงโลหะที่ผสมกับวัสดุตัวเชื่อม (Binder) เมื่อฉีดขึ้นรูปแล้วจึงนำชิ้นงานไปเข้าเตาเผา การพิมพ์แบบ BMD มีต้นทุนต่ำกว่าการพิมพ์ด้วยระบบเลเซอร์ และมีความปลอดภัยมากกว่า เหมาะสำหรับใช้งานในออฟฟิศเพื่อทำชิ้นงานต้นแบบหรือ Spare part อย่างไรก็ตามยังมีข้อจำกัดคือความแม่นยำและคุณภาพงานพิมพ์ยังสู้เครื่องชนิดเลเซอร์ไม่ได้ เนื่องจากใช้วิธีการพิมพ์เหมือน FDM ตัวชิ้นงานจึงมีชั้น Layer ให้เห็นอยู่ (ต้องผ่านกระบวนการขัดแต่งหรือ Machining เพื่อให้ผิวงานดูเรียบเนียน)

นอกจาก Studio System ซึ่งเน้นทำงาน Prototype ทาง Desktop Metal ยังมีการพัฒนาเครื่องพิมพ์ชนิด Production System สำหรับการผลิตชิ้นงานจริง ใช้เทคนิคการพิมพ์แบบ Single-Pass Jetting (คล้าย Binder Jetting) ทำให้ "พิมพ์ได้เร็วกว่าเครื่องชนิดเลเซอร์ 100 เท่า และต้นทุนต่อชิ้นถูกกว่า 20 เท่า" โดยเครื่องระบบ Production System มีกำหนดเปิดตัวในปี 2018

2. Markforged (USA)

Markforged คือบริษัทผู้ผลิตเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่สร้างชิ้นงานจากวัสดุ Composite เช่น Carbon fiber, Fiberglass, Kevlar โดยแจ้งเกิดจากเครื่องพิมพ์ Mark One ซึ่งสามารถพิมพ์ชิ้นงานพลาสติกเสริม Carbon fiber มีจุดเด่นคือมีความแข็งแรงเทียบเท่าชิ้นงานอลูมิเนียม ในต้นปี 2017 Markforged ได้เปิดตัวเครื่องพิมพ์โลหะ Metal X ซึ่งใช้เทคนิคการพิมพ์ที่เรียกว่า ADAM (Atomic Diffusion Additive Manufacturing) มีกระบวนการทำงานคล้ายกับเครื่องของ Desktop Metal คือการพิมพ์ด้วยวิธีคล้าย FDM ด้วยวัสดุ MIM จากนั้นจึงนำชิ้นงานเข้าเตาเผา เน้นการทำชิ้นงานโลหะเพื่อทดแทนการหล่อหรือ CNC ที่น่าสนใจคือสามารถใช้พิมพ์โมลด์ฉีดพลาสติกได้ด้วย ช่วยลดเวลาและต้นทุนในการทำ Tooling ได้กว่า 90%

3. Digital Metal (Sweden)

เครื่องพิมพ์โลหะ Digital Metal ผลิตโดยบริษัท Höganäs ผู้ผลิตวัสดุผงโลหะสำหรับการพิมพ์ 3 มิติรายใหญ่จากสวีเดน โดยระบบของ Digital Metal มีกระบวนการทำงานแบบ MIM เหมือนกับ Desktop Metal และ Markforged แต่ขั้นตอนการพิมพ์ใช้เทคนิค Binder Jetting ฉีดสาร Binder ลงบนผงโลหะเพื่อขึ้นรูปชิ้นงาน แทนการใช้ความร้อนละลายและฉีดวัสดุ ทำให้ได้ชิ้นงานที่มีความละเอียดสูง เช่นตัวอย่างงานพิมพ์สกรูด้านล่าง (เครื่องพิมพ์ของ Digital Metal มีความละเอียดถึง 42 ไมครอนต่อ Layer)

Metal 3D Printing กำลังจะไปในทิศทางใด?

เครื่องพิมพ์โลหะชนิดเลเซอร์จำเป็นต้องทำหน้าที่หลายอย่างในการสร้างชิ้นงาน ทั้งการหลอมละลายและขึ้นรูปผงโลหะทีละชั้น จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิสูง การควบคุมลำแสงเลเซอร์อย่างแม่นยำ และควบคุมสภาพก๊าซในห้องพิมพ์ ในเครื่องจักรที่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่ตลอดเวลา ทั้งหมดนี้ทำให้เครื่องพิมพ์ประเภท DMLS / SLM เป็นอุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนและมีราคาสูงมาก เป็นการจำกัดกลุ่มผู้ใช้งานให้อยู่ในอุตสาหกรรมไฮเทคเป็นส่วนใหญ่

เป้าหมายของบริษัทเช่น Desktop Metal และ Markforged คือการทำให้ธุรกิจขนาดเล็กและขนาดกลางเข้าถึงการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะได้ง่ายขึ้น โดยแนวทางที่ใช้เหมือนกันทุกรายคือการแยกขั้นตอนการพิมพ์ขึ้นรูปชิ้นงาน (Printing) กับขั้นตอนการหลอมโลหะ (Sintering) ออกเป็นสองส่วน การแยกกระบวนการนี้ช่วยลดความซับซ้อนของเครื่องพิมพ์ได้อย่างมาก ทำให้ลดต้นทุนอุปกรณ์ได้หลายเท่าตัว นอกจากนี้วัสดุผง MIM มีตลาดการใช้งานที่ใหญ่กว่าวัสดุ DMLS ทำให้ต้นทุนต่อชิ้นถูกลงด้วย

อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีใหม่เช่น BMD และ ADAM ก็ยังมีข้อจำกัด ในด้านคุณภาพและความแม่นยำของชิ้นงาน และประเภทของวัสดุโลหะที่สามารถใช้ได้ เนื่องจากในขั้นตอนการเผาชิ้นงานจะมีการหดตัว ผู้ผลิตเครื่องจึงต้องค้นหาสเต็ปการเผาและอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับโลหะแต่ละประเภท เพื่อให้ชิ้นงานออกมามีขนาดที่แม่นยำ (ขั้นตอนนี้ต้องอาศัยการทดลองสักระยะ ในปัจจุบันเครื่อง Markforged Metal X ใช้ได้แค่วัสดุ Stainless Steel เท่านั้น) เมื่อใดก็ตามที่ผู้ผลิตสามารถแก้ปัญหาเรื่องวัสดุได้ บวกกับเทคโนโลยีที่พิมพ์งานได้เร็วเช่นระบบ Production System ของ Desktop Metal เมื่อนั้นเราน่าจะได้เห็นการพลิกโฉมของอุตสาหกรรมการผลิตชิ้นส่วนโลหะเลยทีเดียว

ในระยะสั้น โซลูชั่นเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ใช้กระบวนการแบบ MIM น่าจะยังไม่สามารถแทนที่เครื่องพิมพ์ชนิดเลเซอร์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมไฮเทคอย่าง Aerospace ได้ เนื่องจากยังไม่ตอบโจทย์ในด้านความแม่นยำ ความแข็งแรง และความซับซ้อนของชิ้นงาน แต่สำหรับวงการอื่นๆ เครื่องพิมพ์ชนิดเลเซอร์อาจเป็นเทคโนโลยีที่ "เกินความจำเป็น" ดังนั้นตลาดหลักของเครื่องพิมพ์ชนิด MIM น่าจะเป็นการผลิตชิ้นงานโลหะแบบ Mass production สำหรับอุตสาหกรรมทั่วไป