เครื่องพิมพ์ 3 มิติจาก MIT สร้างมอเตอร์ขยับได้ใน 3 ชม. ช่วยลดการพึ่งพา Supply Chain ในอนาคต

ลองจินตนาการว่าสายการผลิตในโรงงานหยุดชะงักเพราะมอเตอร์ตัวเดียวพัง และต้องรอสั่งอะไหล่จากต่างประเทศนานเป็นสัปดาห์ นั่นคือปัญหาที่เกิดขึ้นจริงในอุตสาหกรรมการผลิตทั่วโลก แต่ทีมนักวิจัยจาก MIT กำลังจะเปลี่ยนสมการนี้ ด้วยเครื่องพิมพ์ 3D ที่สามารถผลิตมอเตอร์ไฟฟ้าได้ทั้งชิ้น ในที่เดียว ในเวลาเพียง 3 ชั่วโมง

วิศวกรรมที่ซ่อนอยู่ในเครื่องพิมพ์เดียว

สิ่งที่ทำให้งานวิจัยชิ้นนี้แตกต่างจาก 3D Printing ทั่วไปคือความสามารถในการใช้ วัสดุ 5 ชนิดพร้อมกัน ในกระบวนการพิมพ์ครั้งเดียว ได้แก่

• PLA ใช้เป็นโครงสร้างหลักและฉนวนไฟฟ้า
• Silver Conductive Ink ทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้า โดยมีค่าความต้านทานต่ำกว่าพลาสติกผสมทองแดงถึง 1,000 เท่า
• FeSiAl-doped Nylon (Pellet) สำหรับแกนแม่เหล็กอ่อน (Soft Magnetic Core)
• Strontium Ferrite-doped Nylon (Pellet) สำหรับแม่เหล็กถาวร (Hard Magnet)
• FiberFlex 40D TPU สำหรับสปริงยืดหยุ่น

ทีมวิจัยได้ดัดแปลงเครื่องพิมพ์เชิงพาณิชย์รุ่น E3D Motion System and ToolChanger โดยติดตั้งหัวฉีด 4 แบบ ได้แก่ Filament Extruder, Pellet Extruder, Ink Extruder ที่สร้างขึ้นเองจากศูนย์ และ Heater สำหรับอบหมึกนำไฟฟ้าให้แห้ง ต้นทุนรวมในการสร้างระบบทั้งหมดอยู่ที่ ต่ำกว่า 4,000 ดอลลาร์สหรัฐ

ผลลัพธ์ที่วัดได้จริง

มอเตอร์ที่พิมพ์ออกมาไม่ได้แค่ทำงานได้แต่มีตัวเลขที่น่าประทับใจอย่างมาก

• Solenoid ที่พิมพ์ด้วย Silver Ink สร้างสนามแม่เหล็กได้สูงถึง 2.03 mT ซึ่งสูงกว่า Solenoid จาก 3D Printing ที่รายงานก่อนหน้านี้เกือบ 4 เท่า
• มอเตอร์ทำงานที่ความถี่เรโซแนนซ์ 41.6 Hz และมีการเคลื่อนที่สูงสุดที่ 318 ไมโครเมตร
• ขั้นตอนหลังการพิมพ์มีเพียงแค่หนึ่งขั้นตอน คือการทำให้แม่เหล็กถาวรมีสนามแม่เหล็กโดยใช้อุปกรณ์ภายนอก

ต้นทุนวัสดุทั้งหมดอยู่ที่เพียง 50 เซนต์ หรือประมาณ 17 บาทต่อชิ้น

ความท้าทายที่ต้องฝ่าฟัน

กว่าจะถึงจุดนี้ ทีมวิจัยต้องแก้โจทย์วิศวกรรมที่ซับซ้อนหลายชั้น เพราะวัสดุแต่ละชนิดมีกระบวนการพิมพ์ที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง เช่น Silver Ink ต้องการการอบที่ 80°C ซึ่งหากร้อนเกินไปจะทำลายโครงสร้าง PLA ที่พิมพ์ไปก่อนหน้า ทีมวิจัยจึงต้องออกแบบ Heater Tool ที่ลอยอยู่สูงจากชิ้นงาน 1.5 มม. พร้อมควบคุมอุณหภูมิและความเร็วอย่างละเอียด

"ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่มากคือการนำวิธีการพิมพ์แบบ Extrusion ที่มีหลากหลายรูปแบบมาผสานเข้าด้วยกันอย่างไร้รอยต่อในระบบเดียว" Velásquez-García นักวิจัยอาวุโสและ Principal Research Scientist แห่ง MIT Microsystems Technology Laboratories กล่าว

นัยสำคัญต่ออนาคตการผลิต

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Virtual and Physical Prototyping โดยทีมตั้งเป้าหมายระยะถัดไปไว้ 3 ด้าน ได้แก่ การบูรณาการขั้นตอนการทำให้แม่เหล็กมีสนามแม่เหล็กเข้าไปในกระบวนการพิมพ์โดยตรง การสาธิตการพิมพ์มอเตอร์แบบหมุน (Rotary Motor) และการผลิตทุกชิ้นส่วนในขั้นตอนเดียวโดยไม่ต้องประกอบเพิ่ม

"เรามีโอกาสเปลี่ยนแปลงวิธีการผลิตสิ่งต่างๆ ได้อย่างพื้นฐาน ด้วยการผลิตฮาร์ดแวร์ในสถานที่จริงในขั้นตอนเดียว แทนที่จะต้องพึ่งพาห่วงโซ่อุปทานระดับโลก" Velásquez-García กล่าว

ในระยะยาว เทคโนโลยีนี้อาจเปิดทางให้ผู้ผลิตทุกขนาด ตั้งแต่โรงงานขนาดใหญ่ไปจนถึงนักพัฒนาหุ่นยนต์อิสระ สามารถสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กำหนดเองได้ทันทีที่ต้องการ โดยไม่ต้องรอหรือสต็อกอะไหล่ล่วงหน้า

ที่มา: Futurism, MIT