ปฏิวัติอุตสาหกรรมการพิมพ์สามมิติ (3D Printing)

กระบวนการผลิตแบบ Additive Manufacturing (AM) หรือการขึ้นรูปชิ้นงานด้วยการเติมเนื้อวัสดุเข้าไป กำลังเติบโตขึ้นอย่างรวดเร็วอย่างฉุดไม่อยู่  ทำให้เราไม่สามารถให้ภาพรวมที่สะท้อนสถานการณ์จริงของอุตสาหรรมนี้ได้อย่างถูกต้อง เพราะประเภทของวัสดุ กระบวนการ และวิธีการนำกระบวนการ AM ไปใช้มีอยู่หลากหลายจนนับไม่ถ้วน จึงเป็นเรื่องยากในการจัดกลุ่มรวมเป็นอุตสาหกรรมเดียวกัน

 

เครดิตภายถ่ายจาก Node

ไม่ว่าจะเป็นอาหาร อวัยวะมนุษย์ อวัยวะเทียม บ้าน รถยนต์ อาวุธ เสื้อผ้า หรือของเล่น ไม่มีกระบวนการผลิตอุตสาหกรรมไหนที่สามารถผลิตสิ่งของออกมาได้ครอบคลุมแทบทุกภาคส่วนของธุรกิจเช่นนี้ และยังไม่มีนวัตกรรมใหม่ๆ อื่นใดที่สามารถแซงหน้ากระบวนการผลิตแบบเดิมได้เหมือนกระบวนการ AM ซึ่งต่างจากเทคโนโลยี “การปฎิวัติวงการ” อื่นๆ เช่น นาโนเทคหรือไบโอเทค ตรงที่เราสามารถเข้าถึง AM ได้ง่าย ด้วยราคาต้นทุนที่เหมาะสม อีกทั้งความรู้ด้านเทคนิคและทรัพยากรวัสดุก็มีพร้อมในตลาดแล้ว ประจวบเหมาะกับเทรนด์เมคเกอร์ (Maker) ที่กำลังมาแรงในปัจจุบัน ส่งผลให้เกิดวิวัฒนาการของเครื่องจักรและความรู้มากขึ้นทวีคูณได้รวดเร็วกว่าอุตสาหกรรมอื่น อุตสาหกรรมนี้ยังเติบโตขึ้นอย่างต่อเนื่องและเราคงจะได้เห็นนวัตกรรมใหม่ๆ ที่น่าตื่นเต้นอีกมากมายภายในสองสามปีข้างหน้า

นิตยสาร Forbes ประมาณการว่า “อุตสาหกรรมการพิมพ์สามมิติ (3D Printing) ทั่วโลกจะมีมูลค่าสูงถึง 3.1 พันล้านดอลลาร์สหรัฐภายในปี 2016”  เราคงได้แต่จินตนาการว่าเทคโนโลยีมหัศจรรย์นี้จะนำมาซึ่งคำตอบในด้านใดบ้าง

จุดสำคัญของวิวัฒนาการ AM สำหรับการผลิตชิ้นส่วน (ทั้งผลิตภัณฑ์สำเร็จและผลิตภัณฑ์ต้นแบบ) คือ วันหมดอายุของสิทธิบัตร สิทธิบัตรเทคโนโลยี Fused-Deposition Modeling (FDM) ของบริษัท Stratasys ได้หมดอายุในช่วงกลางทศวรรษ 2000 ส่งผลให้เกิดการพัฒนา MakerBot ซึ่งเป็นเหมือนพระเอกสำหรับการพิมพ์สามมิติ และเครื่องพิมพ์แบบตั้งโต๊ะอื่นๆ ที่ใช้กระบวนการคล้ายกัน

อีกทั้ง เทคโนโลยี Selective Laser Sintering (SLS) ที่จดสิทธิบัตรโดย 3D Systems ก็ได้หมดอายุลงแล้วในช่วงต้นปี 2015 เท่ากับเปิดโอกาสให้ผู้ประกอบการรายอื่นเข้ามาร่วมแข่งขัน ซึ่งอาจทำให้ตลาดด้านนี้โตขึ้นอีกมหาศาล

ถึงแม้ว่าสิทธิบัตรความเป็นเจ้าของจะหมดอายุลง แต่บริษัท Stratasys และ 3D Systems ก็ยังคงเป็นผู้ประกอบการรายใหญ่ของตลาด และมีแนวโน้มที่จะครองตลาดส่วนใหญ่อย่างต่อเนื่อง เพราะบริษัททั้งสองใช้นโยบายเชิงรุกในการซื้อกิจการบริษัทอื่น บริษัท 3D Systems โต้ตอบการเสียสิทธิบัตร SLS ด้วยการกวาดซื้อทั้งเทคโนโลยี ซัพพลายเออร์วัสดุ และผู้ผลิตซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้องรวมกันมากกว่า 40 บริษัทในช่วงสามปีที่ผ่านมา

บริษัท Stratasys ขาย FDM เครื่องแรกในปี 1991 และในปัจจุบันก็เป็นผู้ผลิตเครื่อง AM รายใหญ่ที่สุด (75,818 เครื่อง ณ วันที่ 31 ธันวาคม 2013) ในปี 2012 บริษัทได้ควบรวมกิจการกับ Objet บริษัทผลิต AM สัญชาติอิสราเอลที่เป็นผู้ผลิตเครื่อง Polyjet (กระตุ้นการเกิดโพลิเมอร์ด้วยแสง) และเครื่องพิมพ์ Connex500 ที่สามารถพิมพ์วัสดุได้หลายชนิดออกมาเป็นเครื่องแรกในปี 2007 และในเดือนมิถุนายน 2013 บริษัทซื้อกิจการของ MakerBot ส่งผลให้บริษัทครองตลาด FDM ที่กำลังผลิบานได้อย่างเต็มภาคภูมิ

เทคโนโลยีนี้แตกต่างจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมอื่นๆ ตรงที่สามารถใช้ได้ทั้งสำหรับงานส่วนตัว ที่บ้าน ในเวิร์คช็อป หรือกระทั่งในห้องแล็บ จึงมี “เมคเกอร์” (Maker) หลายแสนคนที่ผ่านการทดลองผลิตแบบล้มลุกคลุกคลานมานักต่อนัก ที่ช่วยให้ขยายขอบเขตของรูปแบบการพิมพ์ของเครื่อง

ถึงแม้ว่าเครื่องพิมพ์ AM จะสามารถผลิตชิ้นส่วนที่สามารถนำมาประกอบกันทีหลังได้ แต่หนึ่งในข้อจำกัดสำคัญของเครื่องพิมพ์ก็คือ ขนาดที่ไม่สามารถเกินกล่องของเครื่องพิมพ์ ซึ่งในปัจจุบันเราได้เริ่มเห็นจุดเริ่มต้นของการใช้หุ่นยนต์ (ทั้งเคลื่อนไหวได้และไม่ได้) เพื่อขยายขนาดของวัตถุที่พิมพ์ออกมาโดยไม่ต้องใช้ “กล่อง” อีกต่อไป

เทคนิคการพิมพ์นอก “กล่อง” นี้ได้มอบอิสรภาพในการพิมพ์รูปร่างต่างๆ ที่เครื่องพิมพ์สามมิติ (3D Printing) แบบเดิมทำไม่ได้ แต่การใช้หุ่นยนต์ในการพิมพ์ก็ยังมีข้อจำกัดเช่นเดียวกับเทคนิคการพิมพ์ AM อื่นๆ ในเรื่องของความเร็วและความละเอียด อย่างไรก็ตาม นวัตกรรมใหม่นี้ก็แสดงให้เห็นว่าอย่างน้อยข้อจำกัดในเรื่องขนาดก็ไม่เป็นปัญหาอีกต่อไป

สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดสำหรับ AM ที่นอกเหนือไปจากวิวัฒนาการอันรวดเร็ว ก็คือการที่อุตสาหกรรมอื่นก็หันมาใช้ AM เพื่อแก้ปัญหาต่างๆ การใช้ประโยชน์จาก AM ในวงการแพทย์เป็นนวัตกรรมใหม่ที่น่าตื่นเต้นมาก นักวิจัยจาก University of Rochester, Alfred University และ University of California, San Diego ในสหรัฐอเมริกา ได้ร่วมกันพัฒนาวิธีพิมพ์โดยใช้แคลเซียมฟอสเฟตเพื่อรักษากระดูกหัก บริษัทการพิมพ์สามมิติ Organovo ในสหรัฐอเมริกาสร้างเนื้อเยื่อตับของมนุษย์โดยใช้การพิมพ์และเลี้ยงเซลล์ได้เป็นผลสำเร็จ ช่วยให้สามารถทดลองใช้ยาได้อย่างปลอดภัยโดยไม่ต้องให้มนุษย์เข้าร่วมการวิจัยเชิงทดลองทางคลินิก

ในด้านการป้องกันและรักษาสุขภาพ บริษัท Natural Machines กำลังนำร่องเครื่องพิมพ์อาหาร “Foodini” ที่อาจปฏิวัติวิธีการทำอาหารที่เราใช้อยู่ในปัจจุบันอย่างสิ้นเชิง โดยหันมา “พิมพ์” ส่วนผสมจากธรรมชาติเพื่อทำพิซซ่า ลาซานญ่า เบอร์เกอร์ ขนมอบ ขนมหวาน และอาหารจานเด็ดอื่นๆ อีกมากมาย

ตัวอย่างที่แสดงให้เห็นถึงการเติบโตที่แท้จริงของ AM คือการนำไปใช้ในวิศวกรรมหนัก เพื่อสร้างชิ้นส่วนโลหะสมรรถนะสูง บริษัทวิศวกรรมระดับสากล Arup ผู้เชี่ยวชาญทั้งสถาปัตยกรรมและการก่อสร้าง ได้ผลิตชิ้นส่วนด้วยกระบวนการ AM โดยใช้เหล็กเป็นวัสดุ เพื่อนำไปใช้เป็นข้อที่รับแรงดึงหลักของโครงสร้างแบบ Tensegrity ชิ้นส่วนเหล่านี้ผลิตด้วยกระบวนการ Direct Metal Laser Sintering (DMLS) ทำให้มีความแข็งแรงกว่าโลหะที่ผลิตโดยการเชื่อม และมีรูปลักษณ์ที่สวยงามกว่า นอกจากนี้ ยังมีการใช้กระบวนการเดียวกันนี้เพื่อผลิตอาวุธปืนที่ใช้งานได้อย่างสมบูรณ์จากเหล็กและโลหะอื่นๆ  

ในช่วงแรกๆ AM ถูกวิจารณ์ด้านความช้าในการผลิตเมื่อเทียบกับกระบวนการอื่นๆ เช่น การฉีดขึ้นรูป ถึงแม้ว่ากระบวนการ AM ไม่อาจผลิตชิ้นส่วนได้หลายชิ้นภายในหนึ่งนาที เมื่อเทียบกับแม่พิมพ์ที่ขึ้นรูปในขั้นตอนเดียว แต่ความเร็วในการพิมพ์โดยเฉลี่ยกำลังเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และมีเครื่องพิมพ์รุ่นถัดไปที่ใช้ความเร็วเป็นจุดขายบ้างแล้ว

ความเร็ว ขนาด ต้นทุน และสมรรถภาพทางวิศวกรรมล้วนเป็นความกังวลที่เกิดขึ้นในช่วงเริ่มแรกของการผลิตแบบ AM ซึ่งเห็นได้ชัดว่ามีการแก้ไขปัญหาเหล่านี้ด้วยนวัตกรรมใหม่ๆ นอกจากนี้ หลายภาคธุรกิจก็ใช้ AM เพื่อสร้างนวัตกรรม เราจึงเห็นได้ว่าการพิมพ์สามมิติไม่ได้ใช้เฉพาะภาคอุตสาหกรรมอย่างเดียว แต่เป็นการปฏิวัติรูปแบบการผลิตสิ่งของทุกอย่างก็ว่าได้