1. ภาพรวมของอุปกรณ์คอมโพสิตการพิมพ์ 3 มิติ
เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติเป็นวิธีการผลิตแบบเติมเนื้อที่ปฏิวัติวงการ กำลังมีความสำคัญมากขึ้นในอุตสาหกรรมการผลิต ด้วยการซ้อนวัสดุทีละชั้น ทำให้สามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำที่ซับซ้อนได้อย่างรวดเร็วโดยไม่ต้องใช้แม่พิมพ์แบบดั้งเดิม ลดวงจรการผลิตให้สั้นลง ปรับปรุงการใช้วัสดุ ลดต้นทุน และทำลายข้อจำกัดของเทคโนโลยีการผลิตแบบดั้งเดิมในการเตรียมชิ้นส่วนที่ซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อนในปริมาณน้อยและการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการแข่งขันในตลาดที่แข็งแกร่ง และกลายเป็นกำลังสำคัญในการส่งเสริมนวัตกรรมการผลิต
วัสดุคอมโพสิตยังมีบทบาทสำคัญในการผลิตสมัยใหม่ ซึ่งโดยปกติจะประกอบด้วยวัสดุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปที่มีคุณสมบัติต่างกัน และด้วยการปรับอัตราส่วนและโครงสร้างให้เหมาะสม ทำให้ได้ประสิทธิภาพและการเพิ่มประสิทธิภาพที่เสริมกัน มีความแข็งแรงสูง ความหนาแน่นต่ำ ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่ออุณหภูมิสูง ฯลฯ มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ การผลิตยานยนต์ อุปกรณ์การแพทย์ และสาขาอื่นๆ ช่วยลดน้ำหนัก ปรับปรุงประสิทธิภาพ และเพิ่มความแข็งแรงและประสิทธิภาพของโครงสร้าง
ด้วยความต้องการชิ้นส่วนประสิทธิภาพสูง-ที่มีความแม่นยำสูง-เพิ่มมากขึ้น การผสมผสานระหว่างเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติและวัสดุคอมโพสิตจึงกลายเป็นเทรนด์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้. 3อุปกรณ์คอมโพสิตการพิมพ์ D สามารถผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิตได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ และส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงและการยกระดับของอุตสาหกรรมการผลิต เทคโนโลยีนี้ไม่เพียงแต่ตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อนในสาขาระดับสูง- แต่ยังนำโอกาสทางนวัตกรรมมาสู่สาขาอื่นๆ เช่น การวิจัยและการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ เครื่องใช้ไฟฟ้า และความคิดสร้างสรรค์ทางวัฒนธรรม
ในปัจจุบัน เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติหลายประเภทได้รับการพัฒนา เช่น การพิมพ์หินสามมิติ (SLA), การเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรร (SLS) และการขึ้นรูปแบบหลอมละลาย (FDM) เทคโนโลยี FDM ได้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในตลาด เนื่องจากมีข้อดีคือ มีต้นทุนต่ำ ขั้นตอนการเตรียมการที่เรียบง่าย และการบังคับใช้กับวัสดุหลากหลายประเภท กระบวนการพิมพ์โพลีเมอร์ 3 มิติกำลังมุ่งสู่ต้นทุนการพิมพ์ต่ำ การใช้พลังงานต่ำ ขนาดใหญ่ และอัตราการพิมพ์สูง ค่อยๆ ตระหนักถึงการผลิตจำนวนมากและแข่งขันกับกระบวนการผลิตพลาสติกแบบดั้งเดิม กระบวนการแบบผงเบดถูกนำไปใช้กับการผลิตชิ้นส่วนพลาสติกจำนวนมาก ในขณะที่เทคโนโลยีโฟโตพอลิเมอร์ไรเซชันที่รวดเร็ว เช่น DLP และ CLIP ช่วยให้สามารถพิมพ์โฟโตพอลิเมอร์ไรเซชันแบบ 3 มิติสำหรับการผลิตในปริมาณน้อย โดยมุ่งเน้นไปที่กระบวนการที่ใช้พลังงานต่ำและประสิทธิภาพของชิ้นส่วนสูง กระบวนการพิมพ์ 3 มิติด้วยการอัดขึ้นรูปวัสดุกำลังก้าวไปสู่ความสมบูรณ์ มีการใช้อุปกรณ์-ความเร็วสูงและขนาดใหญ่-ในการพัฒนา
2. ภาพรวมการพัฒนาอุตสาหกรรม
2.1 3D ประวัติการพัฒนาอุปกรณ์วัสดุคอมโพสิตการพิมพ์
ประวัติศาสตร์การพัฒนาของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในประเทศเปรียบเสมือนมหากาพย์อันยิ่งใหญ่ของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ซึ่งบันทึกภูมิปัญญาและความกล้าหาญของผู้บุกเบิกจำนวนนับไม่ถ้วน และเป็นพยานถึงการก้าวกระโดดครั้งใหญ่ของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของจีนจากการติดตามไปสู่ความเหนือกว่า. 1980 สิทธิบัตรการพิมพ์ 3 มิติครั้งแรกของโลกถือกำเนิดในญี่ปุ่น ซึ่งเหมือนกับจุดประกายของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ที่จุดประกายไฟสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติระดับโลก ในประเทศจีน ศาสตราจารย์ Yan Yongnian ได้ก่อตั้งศูนย์ Laser Rapid Prototyping Center ที่มหาวิทยาลัย Tsinghua ในปี 1988 ซึ่งกลายเป็นผู้ก่อตั้งเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วของจีน และวางรากฐานที่มั่นคงสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติของจีน นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา การพัฒนาเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในจีนก็ค่อยๆ เร่งขึ้น. 1993 บริษัทการพิมพ์ 3 มิติแห่งแรกของจีนได้ก่อตั้งขึ้น ถือเป็นการเปิดตัวอย่างเป็นทางการของอุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติของจีน. 1994 ศาสตราจารย์ Lu Bingheng แห่งมหาวิทยาลัย Xi'an Jiaotong เริ่มอุทิศตนเพื่อการวิจัยและพัฒนาเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ซึ่งผลการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ได้อัดฉีดแรงผลักดันอันแข็งแกร่งสำหรับนวัตกรรมอิสระของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติของจีน
ในศตวรรษที่ 21 เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติของจีนนำไปสู่การพัฒนาที่รวดเร็วยิ่งขึ้น. 2010 ทีมศาสตราจารย์ Shi Yusheng จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Huazhong ประสบความสำเร็จในการพัฒนาอุปกรณ์การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุเกรดอุตสาหกรรม-ขนาด 1.2 ม. x 1.2 ม. ซึ่งเป็นพื้นที่ทำงานที่ใหญ่ที่สุดในโลกในขณะนั้น โดยเน้นให้เห็นถึงความแข็งแกร่งที่โดดเด่นของจีนในด้าน-การผลิตอุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติขนาดใหญ่. 2011 ศาสตราจารย์ Shi Yusheng ทีมงานด้วยความยอดเยี่ยมในปี 2011 ทีมงานของ Prof. Shi Yusheng อาศัยเทคโนโลยีอันประณีตในการผลิตแม่พิมพ์หล่อขี้ผึ้งของชิ้นส่วนโลหะผสมไทเทเนียมขนาดใหญ่และซับซ้อนสำหรับเครื่องบิน ดาวเทียม และเครื่องยนต์อากาศยานสำหรับแอร์บัสและ European Space Agency โดยใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติของจีนใน-สาขาการบินและอวกาศระดับสูงระดับนานาชาติและได้รับการยกย่องจากนานาชาติ. 2013 China 3D Printing Alliance ก่อตั้งขึ้นอย่างเป็นทางการ เพื่อเป็นเครื่องหมายว่าอุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติของจีนได้เริ่มก้าวไปสู่ขั้นใหม่ของการพัฒนาร่วมกันและนวัตกรรมการทำงานร่วมกัน และสร้างแพลตฟอร์มใหม่สำหรับการแลกเปลี่ยนทางเทคโนโลยี การบูรณาการทรัพยากรและการขยายตลาด การบูรณาการทรัพยากร และการขยายตลาด ในปี 2017 ซีอาน Zhimong ได้เปิดตัวระบบการพิมพ์ 3 มิติ e-beam metal แรกของจีนในชื่อ ZcompleX3 ซึ่งเติมเต็มช่องว่างทางเทคโนโลยีใน e-beam metal ของจีน ฟิลด์การพิมพ์ 3 มิติช่วยให้จีนก้าวไปสู่อีกระดับหนึ่งในเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติโลหะขั้นสูง- ในปี 2018 ศูนย์การผลิตแบบเติมเนื้อของมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีคุนหมิงประสบความสำเร็จในการนำร่องการผลิตเครื่องพิมพ์ 3 มิติเดี่ยวที่ใหญ่ที่สุดในขณะนั้นโดยใช้ในปี 2018 ศูนย์การผลิตแบบเติมเนื้อของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีคุนหมิงประสบความสำเร็จในการทดสอบ-ผลิตชิ้นส่วนโลหะผสมไทเทเนียมเดี่ยวที่ซับซ้อนที่ใหญ่ที่สุดซึ่งเกิดจากกระบวนการ SLM ในเวลานั้น ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างเต็มที่ งานฝีมืออันประณีตและความสามารถด้านนวัตกรรมอันแข็งแกร่งของจีนในเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติโลหะผสมไททาเนียม. 2020 ทำให้ China Academy of Space Technology (CAST) ประสบความสำเร็จในการทดลอง "การพิมพ์ 3 มิติในอวกาศ" ครั้งแรก ซึ่งถือเป็นการทดลองการพิมพ์ 3 มิติครั้งแรกของโลกที่ใช้วัสดุคอมโพสิตเสริมเส้นใยต่อเนื่อง- ซึ่งถือเป็นการทดลองการพิมพ์ 3 มิติครั้งแรกในสาขาเทคโนโลยีการบินและอวกาศ ในปี 2020 China Academy of Space Technology ประสบความสำเร็จในการทดลอง "การพิมพ์ 3 มิติในอวกาศ" ครั้งแรก ซึ่งเป็นการพิมพ์ 3 มิติครั้งแรกของวัสดุคอมโพสิตเสริมเส้นใยต่อเนื่อง- ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในการใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในสาขาการบินและอวกาศ และจัดหาวิธีการทางเทคโนโลยีใหม่สำหรับการสำรวจและพัฒนาอวกาศในอนาคต
2.2 สถานะการพัฒนาอุปกรณ์วัสดุคอมโพสิต
กล่าวกันว่าการประยุกต์ใช้วัสดุคอมโพสิตในสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในปัจจุบันนั้นกว้างขวางและเจาะลึก- และข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่เป็นเอกลักษณ์ทำให้เป็นวัสดุหลักที่ขาดไม่ได้ในหลายอุตสาหกรรม ในด้านการบินและอวกาศ วัสดุคอมโพสิตมีประสบการณ์การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่จากโครงสร้างแบริ่งที่ไม่-รับน้ำหนัก-ในช่วงแรกๆ มาเป็นโครงสร้างรับน้ำหนักหลัก-ในปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น ในการผลิตปีกและลำตัว การใช้วัสดุคอมโพสิตไม่เพียงช่วยลดน้ำหนักของเครื่องบินได้อย่างมาก แต่ยังช่วยปรับปรุงความแข็งแรงและความทนทานของโครงสร้างอย่างมีนัยสำคัญอีกด้วย ในอุตสาหกรรมการป้องกันประเทศ คอมโพสิตก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน ยานพาหนะหุ้มเกราะเบา เครื่องบินล่องหน ขีปนาวุธและจรวด และอุปกรณ์อื่น ๆ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในวัสดุคอมโพสิต เนื่องจากมีความแข็งแรงสูง ความหนาแน่นต่ำ ประสิทธิภาพการลักลอบที่ดีและลักษณะอื่น ๆ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการต่อสู้และความอยู่รอดของอุปกรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในยานยนต์พลังงานใหม่ การจัดเก็บพลังงาน พลังงานแสงอาทิตย์ และสาขาเกิดใหม่อื่นๆ วัสดุคอมโพสิตยังแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ดีเยี่ยมในการนำไปประยุกต์ใช้ ในการผลิตรถยนต์พลังงานใหม่ วัสดุคอมโพสิตสามารถนำมาใช้ในร่างกาย เปลือกแบตเตอรี่ และส่วนอื่นๆ ของการผลิต ซึ่งช่วยลดน้ำหนักของยานพาหนะ ปรับปรุงระยะทาง ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความปลอดภัยและความสะดวกสบายของยานพาหนะ ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของสาขาเหล่านี้ ความต้องการของตลาดสำหรับวัสดุคอมโพสิตจะยังคงเติบโตต่อไป โดยเป็นพื้นที่กว้างสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์คอมโพสิตการพิมพ์ 3 มิติ
3. 3D พาโนรามาห่วงโซ่อุตสาหกรรมอุปกรณ์การพิมพ์คอมโพสิต
3.1 ขนาดของตลาด
3.1.1 การวิเคราะห์ขนาดตลาดการพิมพ์ 3D ทั่วโลก
ตามข้อมูลของรายงาน "Metal AM" ที่เผยแพร่โดย VoxelMatters บริษัทอังกฤษที่มุ่งเน้นการวิจัยอุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติทั่วโลก ขนาดของตลาดการพิมพ์ 3 มิติโลหะทั่วโลกในปี 2022 อยู่ที่ประมาณ 2.861 พันล้านดอลลาร์ ซึ่งในจำนวนนี้ตลาดฮาร์ดแวร์ วัสดุ และบริการอยู่ที่ 1.476 พันล้านดอลลาร์ 398 ล้านดอลลาร์ และ 987 ล้านดอลลาร์ ตามลำดับ ซึ่งคิดเป็น-จาก-การเติบโตของปีของ 26%. ตลาดการพิมพ์โลหะ 3D ทั่วโลกคาดว่าจะเกิน 40 พันล้านดอลลาร์ภายในปี 2575 โดยเติบโตที่ CAGR ที่ 30.3% จากปี 2565-2575 รายงานยังระบุบริษัทชั้นนำ 10 แห่งในพื้นที่การพิมพ์โลหะ 3 มิติทั่วโลก ได้แก่ EOS, SLM Solutions, 3D Systems, Desktop Metal, GE Additive, BLT, Velo3D, DMG Mori, TRUMPF และ HBD ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการขับเคลื่อนการพัฒนาและการขยายตลาดของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติโลหะทั่วโลก และการขยายตลาด
3.1.2 การวิเคราะห์ขนาดตลาดการพิมพ์ 3D ของจีน
ในประเทศจีน ตลาดการพิมพ์ 3 มิติแสดงให้เห็นถึงความมีชีวิตชีวา โดยบริษัทชั้นนำ 5 แห่งในแง่ของส่วนแบ่งการตลาด ได้แก่ Luen Thai, Stratasys, EOS, GE และ 3D Systems ตามลำดับส่วนแบ่งตลาด ซึ่งไม่มีบริษัทใดเกิน 20% ซึ่งสะท้อนถึงการกระจุกตัวในอุตสาหกรรมที่ค่อนข้างต่ำและการแข่งขันที่รุนแรงในตลาด และในขณะเดียวกันก็ส่งสัญญาณถึงศักยภาพมหาศาลสำหรับการพัฒนาของอุตสาหกรรม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา องค์กรการผลิตของจีนได้นำเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติมาใช้อย่างแข็งขันเพื่อทดแทนหรือเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิตเดิม ซึ่งจะช่วยเพิ่มความชาญฉลาดในการผลิต และตอบสนองความต้องการเร่งด่วนของรัฐบาลในการเปลี่ยนแปลงและอัปเกรดผลิตภัณฑ์การผลิตของจีน ในแง่ของขนาดตลาด ขนาดของอุตสาหกรรมการพิมพ์ 3 มิติของจีนมีแนวโน้มการเติบโตอย่างต่อเนื่องทุกปี และอัตราการเติบโตก็เร็วกว่าอัตราการเติบโตทั่วโลกโดยรวมเล็กน้อย ซึ่งทำให้อุตสาหกรรม 3 มิติของจีนคิดเป็นสัดส่วนของโลกยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง
ปัจจุบัน ขนาดของอุตสาหกรรมเครื่องพิมพ์ 3 มิติของจีนเพิ่มขึ้นทุกปี และอัตราการเพิ่มขึ้นนั้นเร็วกว่าอัตราการเติบโตทั่วโลกโดยรวมเล็กน้อย ดังนั้นสัดส่วนของอุตสาหกรรม 3 มิติของจีนในโลกจึงเพิ่มขึ้น เมื่อมองไปข้างหน้า ภายใต้การพัฒนาอย่างรวดเร็วของการบิน ยานยนต์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และอุตสาหกรรมอื่น ๆ ความต้องการของตลาดเครื่องพิมพ์ 3D นั้นมีมาก และขนาดของตลาดจะแสดงแนวโน้มการขยายตัวอย่างรวดเร็ว
3.2 3อุปกรณ์การพิมพ์ D
3.2.1 FDM/FFF
เทคโนโลยี FDM (Fused Deposition Molding) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้กันอย่างแพร่หลายนั้นมีพื้นฐานอยู่บนหลักการที่ว่าวัสดุเส้นใยจะถูกให้ความร้อนและละลาย จากนั้นจึงอัดขึ้นรูปและซ้อนกันเป็นชั้นๆ ทีละชั้นโดยใช้หัวฉีดตาม-เส้นทางที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ เทคโนโลยีนี้ได้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในตลาดในขั้นตอนนี้ โดยมีข้อได้เปรียบด้านอุปกรณ์และวัสดุการพิมพ์ที่มีต้นทุนต่ำ กระบวนการเตรียมการที่เรียบง่าย และความเหมาะสมสำหรับการพิมพ์บนวัสดุหลากหลายประเภท และได้แสดงให้เห็นถึงคุณค่าการใช้งานที่ยอดเยี่ยมในหลายสาขา
เครื่องพิมพ์คอมโพสิต Stratasys F370®CR FDM® เป็นเครื่องพิมพ์ 3 มิติประสิทธิภาพสูง-อันโดดเด่น รองรับการพิมพ์วัสดุเกรด-คอมโพสิตที่มีความแข็งแรงสูงและวิศวกรรม-ที่หลากหลาย เช่น ABS-CF10 และ FDM Nylon-CF10 ซึ่งใช้ในการผลิตชิ้นส่วนที่มีความแข็งแกร่งและความทนทานเป็นเลิศ เครื่องพิมพ์มีฟังก์ชันความหนาแน่นของชิ้นส่วนแบบแปรผัน ซึ่งสามารถปรับความหนาแน่นของโครงสร้างภายในชิ้นส่วนได้อย่างยืดหยุ่นตามความต้องการการใช้งานที่แตกต่างกันของชิ้นส่วน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้วัสดุและลดการสูญเสียวัสดุภายใต้สมมติฐานของการรับประกันประสิทธิภาพของชิ้นส่วน พื้นที่สร้างขนาดใหญ่ (355 มม. x 254 มม. x 355 มม.) ทำให้สามารถพิมพ์ชิ้นส่วนขนาดใหญ่สำหรับการผลิตอุปกรณ์จับยึด อุปกรณ์จับยึด และเครื่องมือการผลิตที่มีความแข็งแรงสูง นอกจากนี้ เครื่องจักรยังมีความสามารถในการเชื่อมต่อกับระบบการดำเนินการผลิตเพื่อจัดการและตรวจสอบกระบวนการผลิตแบบดิจิทัล ปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตและความแม่นยำในการจัดการ
เครื่องพิมพ์ Mark Two และ FX20 ของ Markforged ได้รับการออกแบบมาสำหรับโพลีเมอร์เสริมเส้นใยคาร์บอนต่อเนื่อง- ซึ่งเป็นคุณลักษณะการออกแบบที่ให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านที่ความแข็งแรงของชิ้นส่วนและการมีน้ำหนักเบาเป็นสิ่งสำคัญ เครื่องพิมพ์สามารถพิมพ์บนวัสดุได้หลากหลาย รวมถึงเทอร์โมพลาสติก ไนลอน และเส้นใยคาร์บอนต่อเนื่อง และด้วยการพิมพ์บนวัสดุเหล่านี้ร่วมกัน ทำให้สามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติของวัสดุต่างๆ ได้อย่างเต็มที่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของชิ้นส่วน ตัวอย่างเช่น ในด้านการบินและอวกาศของการผลิตชิ้นส่วนบางส่วน การใช้เครื่องพิมพ์สามารถรับประกันความแข็งแรงของโครงสร้างของชิ้นส่วนในเวลาเดียวกัน ลดน้ำหนักได้อย่างมาก ปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและประสิทธิภาพของเครื่องบิน ในด้านหุ่นยนต์บริการ เครื่องพิมพ์เหล่านี้ยังมีการใช้งานที่หลากหลาย และสามารถผลิตส่วนประกอบโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูง-สำหรับหุ่นยนต์ ลดน้ำหนักโดยรวมของหุ่นยนต์ ปรับปรุงประสิทธิภาพการเคลื่อนไหวและประสิทธิภาพการใช้พลังงาน เพื่อบรรลุเป้าหมายสองประการในการลดต้นทุนและการเพิ่มประสิทธิภาพ ซีรีส์ Markforged: รวมถึงรุ่น Mark2 และ X7 โดยใช้เส้นใยคาร์บอนตัดสั้น-ผสมกับกระบวนการเผาด้วยเลเซอร์เจือผงไนลอน เหมาะสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ กระบวนการเผาผนึกด้วยเลเซอร์ เหมาะสำหรับการบินและอวกาศ ยานยนต์ การแพทย์ และสาขาอื่นๆ
ระบบหุ่นยนต์จาก Arevo Labs และ 9T Labs นำเสนอการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี FDM เชิงนวัตกรรมสำหรับการผลิตรูปทรงที่ซับซ้อน ระบบเหล่านี้ใช้หุ่นยนต์หก-แกนเพื่อพิมพ์คอมโพสิตไฟเบอร์สั้น-และคอมโพสิต CF/PA12 และผลิตรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนบนพื้นผิวโค้ง ตัวอย่างเช่น ระบบหุ่นยนต์ที่พัฒนาโดย Arevo Labs สำหรับการพิมพ์คอมโพสิต PEEK/CF ใช้ประโยชน์จากความคล่องตัวและการควบคุมการเคลื่อนไหวที่มีความแม่นยำสูง-ของหุ่นยนต์หก-แกน เพื่อวางวัสดุพิมพ์ในพื้นที่สามมิติที่ซับซ้อน-อย่างแม่นยำ เพื่อให้สามารถประดิษฐ์ชิ้นส่วนที่มีพื้นผิวโค้งและโครงสร้างภายในที่ซับซ้อนได้ เทคโนโลยีนี้ทลายข้อจำกัดของอุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติแบบดั้งเดิมในการผลิตรูปทรงเรขาคณิต โดยมอบโซลูชันใหม่สำหรับการผลิตชิ้นส่วนพิเศษบางอย่างในการบินและอวกาศ การผลิตยานยนต์ และสาขาอื่นๆ. 9T Labs แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการวางวัสดุคอมโพสิต CF/PA12 บนพื้นผิวโค้ง และยังให้การสนับสนุนด้านเทคนิคสำหรับการผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างโค้งที่มีความต้องการประสิทธิภาพสูง- เช่น ในการผลิตใบพัดเครื่องยนต์ทางอากาศ- ยานยนต์ ดุมล้อและส่วนประกอบอื่นๆ
กระบวนการ CF3D™ ของวัสดุคอมโพสิตต่อเนื่องเป็นการปฏิวัติเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบต่อเนื่องด้วยไฟเบอร์ กระบวนการที่เป็นเอกลักษณ์นี้ไม่จำเป็นต้องใช้แม่พิมพ์หรือเตาอบที่มีราคาแพง ซึ่งช่วยลดต้นทุนการผลิตและความซับซ้อนของอุปกรณ์ได้อย่างมากโดยการใช้หุ่นยนต์อุตสาหกรรมในการพิมพ์บนเส้นใยแห้งและชุบเรซินในแหล่งกำเนิด- เทคโนโลยีนี้สามารถใช้ได้กับการผลิตเส้นใยต่อเนื่องประสิทธิภาพสูง- เช่น เส้นใยคาร์บอนเกรดการบินและอวกาศ- ใยแก้ว หรือเส้นใยโพลีเอไมด์อะโรมาติก ซึ่งสามารถให้ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพเชิงกลของเส้นใยประสิทธิภาพสูง-ได้อย่างเต็มที่ และผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิตที่มีความแข็งแรงสูงและความแข็งสูง ตัวอย่างเช่น ในการผลิตส่วนประกอบโครงสร้างในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ กระบวนการ CF3D™ สามารถใช้ในการผลิตส่วนประกอบน้ำหนักเบา{10}}ความแข็งแรงสูง เช่น ปีกและโครงลำตัว ซึ่งสามารถตอบสนองข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับส่วนประกอบประสิทธิภาพสูงและน้ำหนักเบาในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
นอกเหนือจากอุปกรณ์ข้างต้นแล้ว ยังมีอุปกรณ์เทคโนโลยี FDM อื่นๆ อีกมากมายที่มีบทบาทสำคัญในสาขาของตน ตัวอย่างเช่น เครื่องพิมพ์ Ultimaker+ 3D สามารถพิมพ์ด้วยวัสดุคอมโพสิตที่มีอนุภาคซิลิคอนไนไตรด์ ซึ่งมีความแข็งและทนต่อการสึกหรอสูง และสามารถใช้ในการผลิตชิ้นส่วนที่มีข้อกำหนดด้านความต้านทานการสึกหรอสูง เช่น ชิ้นส่วนที่ทนทานต่อการสึกหรอ-ในเครื่องจักรอุตสาหกรรม แม่พิมพ์ เป็นต้น เครื่องพิมพ์ Zmorph 2.0 3D พิมพ์ด้วยเซรามิกเพสต์ ซึ่งสามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีคุณสมบัติเซรามิกพิเศษ เช่น ชิ้นส่วนที่ทนความร้อน- ในทางกลับกัน เครื่องพิมพ์ Zmorph 2.0 3D ใช้เพสต์เซรามิกเพื่อพิมพ์ชิ้นส่วนที่มีคุณสมบัติเซรามิกพิเศษ เช่น ชิ้นส่วนเซรามิกที่ทนต่ออุณหภูมิสูง-และการกัดกร่อน- ซึ่งมีศักยภาพการใช้งานในอุตสาหกรรมเคมีและอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์เหล่านี้มักจะใช้ร่วมกับซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์ส- (เช่น Blender และ Ultimaker Cura) เพื่อออกแบบและพิมพ์โมเดล การประยุกต์ใช้ซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์ส-ช่วยให้ผู้ใช้มีความยืดหยุ่นมากขึ้นในการตั้งค่าพารามิเตอร์การพิมพ์และการออกแบบแบบจำลอง ซึ่งช่วยลดเกณฑ์การใช้งานและส่งเสริมการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางและการพัฒนานวัตกรรมของเทคโนโลยี FDM
3.2.2 SLA
เทคโนโลยีการขึ้นรูปด้วยแสง (SLA) - เป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่มีความแม่นยำสูง - โดยมีหลักการคือการผสมโมโนเมอร์โพลีเมอร์ที่ไวต่อแสงเข้ากับอนุภาคหรือเส้นใยเสริมแรง และภายใต้การฉายรังสีของความยาวคลื่นเฉพาะของแสงอัลตราไวโอเลต ตัวสร้างภาพจะกระตุ้นให้โมโนเมอร์โพลีเมอร์เกิดปฏิกิริยาการเกิดปฏิกิริยาโพลีเมอไรเซชันของภาพถ่าย-อย่างรวดเร็ว ซึ่งเปลี่ยนพวกมันจากสถานะของเหลวเป็นสถานะของแข็งอย่างรวดเร็ว จากนั้น โดยจะเรียงซ้อนกันบนชั้นอื่นๆ ทีละชั้นตามเส้นทางที่วางแผนไว้ และสุดท้ายก็กลายเป็นผลิตภัณฑ์สามมิติที่ต้องการ-
เทคโนโลยี SLA มีความแม่นยำสูงมาก และสามารถผลิตชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำด้านขนาดและคุณภาพพื้นผิวที่เรียบสูงมาก และมีการใช้งานที่หลากหลายในสาขาที่ต้องการความแม่นยำสูงมาก เช่น เครื่องประดับ แม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ ในการผลิตเครื่องประดับ เทคโนโลยี SLA สามารถพิมพ์แบบจำลองเครื่องประดับที่ซับซ้อนและสวยงามได้อย่างแม่นยำ สำหรับการหล่อหรือการประมวลผลในภายหลัง เพื่อให้ได้ตัวอย่างที่แม่นยำ ซึ่งสามารถลดระยะเวลาการออกแบบเครื่องประดับและการผลิตลงได้มาก ขณะเดียวกันก็ปรับปรุงคุณภาพผลิตภัณฑ์และอิสระในการออกแบบ ในแง่ของการผลิตแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำ เทคโนโลยี SLA สามารถผลิตแกนและโพรงแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำสูง-เพื่อให้มั่นใจถึงความถูกต้องของมิติและคุณภาพพื้นผิวของแม่พิมพ์ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณภาพและความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์ที่ฉีดขึ้นรูป สำหรับการผลิตอุปกรณ์ทางการแพทย์ เช่น ทันตกรรมประดิษฐ์ เปลือกเครื่องช่วยฟัง และอุปกรณ์ทางการแพทย์ขนาดเล็กอื่นๆ เทคโนโลยี SLA สามารถผลิตผลิตภัณฑ์ที่เหมาะสมกับโครงสร้างทางสรีรวิทยาของมนุษย์ด้วยความแม่นยำสูง ช่วยปรับปรุงการใช้อุปกรณ์ทางการแพทย์และความสะดวกสบาย
อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยี SLA ก็มีข้อจำกัดบางประการเช่นกัน ปัจจุบัน ประเภทของเมทริกซ์เรซินโพลีเมอร์ที่เหมาะสำหรับการบ่มด้วยแสงค่อนข้างจำกัด ซึ่งทำให้การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้ในด้านข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของวัสดุที่แตกต่างกันในระดับหนึ่ง เนื่องจากข้อจำกัดของประเภทของเรซินเมทริกซ์ อาจไม่สามารถตอบสนองความต้องการของชิ้นส่วนพิเศษบางอย่างในด้านคุณสมบัติทางกลของวัสดุ ความต้านทานความร้อน ความเสถียรทางเคมี และด้านอื่น ๆ นอกจากนี้ เมื่อมีการเสริมเส้นใยสั้นในระหว่างกระบวนการพิมพ์ ปัญหาการเกาะตัวของเส้นใยมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้น ซึ่งอาจนำไปสู่โครงสร้างภายในที่ไม่สม่ำเสมอของวัสดุคอมโพสิต ส่งผลต่อความสม่ำเสมอของประสิทธิภาพและความเสถียรของคุณภาพของชิ้นส่วนที่พิมพ์ เพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ นักวิจัยกำลังสำรวจวัสดุเรซินที่ไวต่อแสงและเทคโนโลยีการเสริมแรงด้วยเส้นใยใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง เพื่อขยายขอบเขตการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี SLA และปรับปรุงคุณภาพการพิมพ์
3.2.3 LDM/DIW
เทคโนโลยีการเขียนด้วยหมึกโดยตรง (DIW): นี่คือเทคโนโลยีการอัดขึ้นรูปที่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติจากเซรามิก โลหะ และวัสดุชั้นดีอื่นๆ อุปกรณ์ DIW มีราคาไม่แพงและเหมาะสำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วโดยนักออกแบบ เทคโนโลยี Direct Ink Writing (DIW) หรือที่เรียกว่า Liquid Deposition Molding (LDM) เป็นเทคโนโลยีการอัดขึ้นรูปที่มีเอกลักษณ์เฉพาะสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ
วัตถุดิบที่ใช้ในเทคโนโลยี LDM/DIW เป็นวัสดุคอมโพสิตในรูปแบบของสารละลาย เพสต์ หรือไฮโดรเจลที่มีระดับของเหลวในระดับหนึ่ง ซึ่งได้รับการบ่มและขึ้นรูปโดยการให้ความร้อนหลัง- การบ่มด้วยแสงอัลตราไวโอเลต (UV) หรือการเติมส่วนผสมออกฤทธิ์
ข้อได้เปรียบที่สำคัญของกระบวนการนี้คือความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนที่มีการไล่ระดับเชิงฟังก์ชันและเชิงองค์ประกอบ ในสถานการณ์การใช้งานพิเศษบางสถานการณ์ เช่น การผลิตข้อต่อเทียมในสาขาชีวการแพทย์และการผลิตอุปกรณ์วัสดุไล่ระดับเชิงฟังก์ชันในสาขาอิเล็กทรอนิกส์ ชิ้นส่วนที่มีองค์ประกอบของวัสดุที่แตกต่างกันหรือการไล่ระดับประสิทธิภาพจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการทำงานของชิ้นส่วนต่างๆ เทคโนโลยี LDM/DIW สามารถควบคุมปริมาณการอัดขึ้นรูปและอัตราส่วนการผสมของหมึกวัสดุที่แตกต่างกันได้อย่างแม่นยำในระหว่างกระบวนการพิมพ์ อย่างไรก็ตาม ไม่ควรเพิ่มเส้นใยที่มีอัตราส่วนกว้างยาวและมีเนื้อหาสูงเพื่อหลีกเลี่ยงการอุดตันหัวพิมพ์ในระหว่างกระบวนการพิมพ์
3.2.4 SLS/SLM
Selective Laser Sintering (SLS) เป็นวิธีการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้ความร้อนที่เกิดจากเลเซอร์เพื่อคัดเลือกผงหลอม การใช้ส่วนผสมของเมทริกซ์โพลีเมอร์และเส้นใยเสริมแรงของผง เพื่อให้เลเซอร์ตามแบบจำลอง 3 มิติของรูปร่างหน้าตัด-ของผงในพื้นที่เฉพาะของการให้ความร้อน จุดหลอมเหลวของการหลอมผงโพลีเมอร์ที่ค่อนข้างต่ำ เมทริกซ์และการยึดเกาะเสริมเพื่อให้ได้ส่วนประกอบของคอมโพสิต ความแม่นยำของพื้นผิวที่สูงขึ้น การถอดโครงสร้างรองรับออกได้ง่าย และการรีไซเคิลวัสดุเป็นข้อดีของการขึ้นรูป SLS อย่างไรก็ตาม ปัญหาของวิธีนี้คือความหนาแน่นของวัสดุทั้งสองในผงผสมมักจะแตกต่างกัน ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดปรากฏการณ์การตกตะกอนและทำให้องค์ประกอบของผลิตภัณฑ์ไม่สม่ำเสมอ นอกจากนี้ SLS ยังมีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับขนาดอนุภาคของวัตถุดิบ ดังนั้นการใช้งานทั่วไปของเส้นใยสั้นที่มีความยาว 20-250 μm และคุณสมบัติทางกลของวัสดุคอมโพสิตจึงมีการปรับปรุงที่จำกัด
4 การพัฒนาในอนาคต
การพัฒนาทางเทคโนโลยีกำลังขับเคลื่อนอุตสาหกรรมคอมโพสิตเพื่อนำเสนอโอกาสใหม่ ๆ ในตลาดการขนส่งทางอากาศ บริการห้องโดยสารทางอากาศระหว่าง-ในเมือง (ตลาด AAM) ที่ใช้-เครื่องบิน eVTOL ไฟฟ้าทั้งหมดที่มีระยะทางประมาณ 150 กม. ต้องใช้ชิ้นส่วนคอมโพสิตประสิทธิภาพสูง- ซึ่งเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติจะมีบทบาทสำคัญ แม้ว่าปัจจุบันมีเพียงไม่กี่บริษัทที่ได้รับเงินทุนสนับสนุนอย่างดี- แต่ศักยภาพทางการตลาดก็มีมหาศาล โดยคาดว่าจะมีห้องโดยสารปรับอากาศหลายพันแห่งภายในปี 2573 ซึ่งจะสร้างพื้นที่ทางการตลาดสำหรับอุปกรณ์คอมโพสิตที่พิมพ์แบบ 3 มิติ
คอมโพสิตยังมีบทบาทสำคัญในการผลิตเครื่องบินขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น เครื่องบิน C919 ใช้วัสดุคอมโพสิตหลากหลายชนิดอย่างกว้างขวาง รวมถึงอีพอกซีเรซินที่มีความแข็งสูง-คอมโพสิต T800- เกรดสูง-ที่มีความแข็งแรงสูง คอมโพสิตไฟเบอร์กลาส วัสดุอะรามิดรังผึ้ง ใบพัดลมคอมโพสิตไฟเบอร์คาร์บอน- และส่วนประกอบกังหันคอมโพสิตที่ทำจากเซรามิก- การใช้งานเหล่านี้ได้ปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องบินและแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของวัสดุคอมโพสิตในการผลิตเครื่องบินขนาดใหญ่ ในขณะที่เทคโนโลยีพัฒนาและความต้องการด้านประสิทธิภาพ ความแม่นยำ และความน่าเชื่อถือของชิ้นส่วนคอมโพสิตเพิ่มขึ้น เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติมอบโซลูชันที่มีประสิทธิภาพและมีคุณภาพสูง
ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติได้ส่งเสริมการประยุกต์ใช้ในด้านวัสดุคอมโพสิต การวิจัยและพัฒนาวัสดุใหม่ได้เพิ่มคุณค่าให้กับประเภทของวัสดุคอมโพสิตที่พิมพ์แบบ 3 มิติ และปรับปรุงประสิทธิภาพ การปรับปรุงกระบวนการพิมพ์ เช่น การพิมพ์ด้วยความร้อนด้วยไมโครเวฟและการพิมพ์ 3 มิติโดยใช้คลื่นอัลตราโซนิก- ได้ปรับปรุงความเร็วและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ และนวัตกรรมของเทคโนโลยีหัวฉีด เช่น หัวฉีดหลาย-และหัวฉีดที่มีความแม่นยำสูง- ได้ปรับปรุงความแม่นยำและความซับซ้อนของผลิตภัณฑ์ ความสมบูรณ์ของเทคโนโลยีและการขยายขนาดของตลาดทำให้ต้นทุนของอุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติลดลง และองค์กรและสถาบันการวิจัยจำนวนมากขึ้นสามารถจ่ายต้นทุนของอุปกรณ์คอมโพสิตการพิมพ์ 3 มิติได้ ซึ่งส่งเสริมการใช้งานในวงกว้าง
อุปกรณ์คอมโพสิตการพิมพ์ 3 มิติแสดงให้เห็นถึงเสน่ห์และคุณค่าอันทรงพลังและมีเอกลักษณ์ในบริบทของการพัฒนาเทคโนโลยีที่รวดเร็ว ห่วงโซ่อุตสาหกรรมครอบคลุมตั้งแต่การคัดเลือกและการจัดหาวัตถุดิบอย่างระมัดระวังในต้นน้ำ ไปจนถึงการผลิตและการเพิ่มประสิทธิภาพของฮาร์ดแวร์หลัก อุปกรณ์การทำงานเสริม และอุปกรณ์การพิมพ์ 3 มิติประเภทต่างๆ ในขั้นตอนกลาง ไปจนถึงการใช้งานที่กว้างขวางในหลายสาขา เช่น การบินและอวกาศ ยานยนต์ การแพทย์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคในปลายน้ำ ซึ่งก่อให้เกิดระบบนิเวศอุตสาหกรรมที่สมบูรณ์และใกล้ชิด
ในด้านการใช้งาน อุปกรณ์คอมโพสิตการพิมพ์ 3 มิติมีบทบาทที่ไม่อาจทดแทนได้ในสาขาการผลิตระดับสูง-หลายแห่ง ในด้านการบินและอวกาศ ช่วยให้เครื่องบินมีน้ำหนักเบาและมีประสิทธิภาพสูง ในด้านการผลิตรถยนต์ ส่งเสริมการพัฒนารถยนต์ในทิศทางของความเป็นส่วนตัวและความชาญฉลาด ในด้านการรักษาพยาบาล ให้การสนับสนุนการรักษาพยาบาลเฉพาะบุคคลและแม่นยำ
อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์คอมโพสิตการพิมพ์ 3 มิติในระดับเทคนิคยังคงเผชิญกับความท้าทาย เช่น การปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุ ประสิทธิภาพการพิมพ์ และการปรับปรุงมาตรฐานคุณภาพ ต้นทุนที่สูงยังจำกัดความนิยมอีกด้วย นอกจากนี้การขาดแคลนผู้เชี่ยวชาญแบบสหวิทยาการยังจำกัดการพัฒนาของอุตสาหกรรมอีกด้วย ในอนาคต นวัตกรรมด้านวัสดุ การบูรณาการเทคโนโลยี และการขยายแอปพลิเคชันจะเป็นทิศทางการพัฒนาหลัก การวิจัยและพัฒนาวัสดุคอมโพสิตใหม่จะขยายขอบเขตการใช้งาน และเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติจะรวมเข้ากับปัญญาประดิษฐ์ ข้อมูลขนาดใหญ่ Internet of Things และเทคโนโลยีอื่น ๆ เพื่อปรับปรุงคุณภาพและประสิทธิภาพการพิมพ์ ในเวลาเดียวกัน การพิมพ์ 3 มิติจะขยายการใช้งานในด้านการก่อสร้าง พลังงาน วัฒนธรรม และความคิดสร้างสรรค์ และส่งเสริมนวัตกรรมและการพัฒนาของอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง
ที่มา: "สมาคมอุตสาหกรรมคอมโพสิตจีน"