เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ เพื่อผลิตวัสดุพลังงานขั้นสูง

(ภาพจาก http://eyeopener.accutome.com/3d-printing-eliminates-human-donors-and-costly-middlemen/)

          เครื่องพิมพ์ 3 มิติ (3D printer) เป็นอุปกรณ์ที่สามารถพิมพ์ชิ้นงานออกมาได้โดยง่ายเป็นรูปร่าง 3 มิติ ตามการออกแบบในโปรแกรมคอมพิวเตอร์ โดยวัสดุตั้งต้นส่วนมากจะเป็นวัสดุประเภทโพลิเมอร์ (Polymeric materials) ที่ถูกทำให้เป็นลักษณะเส้น ซึ่งจะถูกป้อนอย่างต่อเนื่องเข้าไปในส่วนความร้อนของเครื่องพิมพ์ วัสดุโพลิเมอร์นี้จะละลายกลายเป็นของเหลวหนืดที่สามารถขึ้นรูปเป็นชิ้นงานได้โดยง่ายตามการขยับของหัวพิมพ์ อย่างไรก็ตามดังที่กล่าวว่าวัสดุขั้นต้นเป็นวัสดุโพลิเมอร์ เพราะฉะนั้นชิ้นงานที่ได้จึงเป็นวัสดุโพลิเมอร์ (หรือพลาสติก) เช่นกัน ประกอบกับต้นทุนการผลิตที่สูง และมีความละเอียดต่ำ การใช้งานในอดีตของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ จึงถูกจำกัดแค่ผลิตไว้เป็นชิ้นงานต้นแบบขนาดเล็กเท่านั้น 

โครงสร้างผลึกของกราฟีน ^[2] และผงกราฟีนที่มีขายตามท้องตลาด ^[3]

          กราฟีน (Graphene) เป็นรูปหนึ่งของผลึกคาร์บอน ที่มีการจัดเรียงตัวเป็นแบบหกเหลี่ยมรังผึ้งลักษณะ 2 มิติ เป็นวัสดุชนิดใหม่ที่มีความแข็งแรงมาก นำความร้อน และนำไฟฟ้าได้ดี กราฟีนจึงเป็นเป็นวัสดุพลังงานขั้นสูงที่นักวิจัยสนใจในการพัฒนาอย่างมาก ทั้งทางด้านการประยุกต์ใช้และการสังเคราะห์ ในปัจจุบันการสังเคราะห์วัสดุตั้งต้นกราฟีนคุณภาพสูง (ผงหรือสารละลาย) เป็นเรื่องไม่ยากเย็นนัก แต่การสังเคราะห์ให้กราฟีนมีรูปทรงเป็นก้อน 3 มิติตามที่ต้องการ โดยที่คุณสมบัติทางวัสดุไม่แย่ลง ยังเป็นเรื่องที่ค่อนยาก ด้วยเหตุนี้ ความพยายามในการพัฒนาเครื่องพิมพ์ 3 มิติให้มีความสามารถในการพิมพ์ชิ้นงานวัสดุพลังงานขั้นสูง (Advanced energy materials) จึงเป็นความท้าทายอย่างยิ่ง เนื่องจากจะเป็นการช่วยลดขั้นตอนการสังเคราะห์ที่ค่อนข้างยุ่งยาก ใช้เวลานาน และมีต้นทุนสูงในกระบวนทางวิทยาศาสตร์ได้ 


          ในปี ค.ศ. 2017 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) ประเทศสหรัฐอเมริกา ร่วมมือกับมหาวิทยาลัยเทียนจิน (Tianjin) ประเทศจีน ได้ประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์โฟมกราฟีน 3 มิติ (3D graphene foam) ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ที่โดยทั่วไปแล้วจำเป็นต้องใช้กระบวนสังเคราะห์ด้วยเทคนิคขั้นสูง และจะได้ชิ้นงานที่ปริมาณไม่เยอะมากนัก งานวิจัยนี้จึงเป็นจุดเริ่มต้นที่สำคัญสำหรับการประยุกต์ใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ สร้างชิ้นงานประเภทนี้   

กระบวนการสังเคราะห์โฟมกราฟีน 3 มิติ ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ^[4]

          ในกระบวนการสังเคราะห์โฟมกราฟีนนั้น แผ่นฟิล์มของชั้นนิกเกิลที่ผสมกับน้ำตาลได้ถูกเตรียมเป็นสารตั้งต้นบนแผ่นฐานพิมพ์ งานวิจัยนี้ได้เลือกใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติเป็นชนิดเลเซอร์ซินเตอริง (3D laser sintering, 3DLS) ซึ่งจะแตกต่างกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติทั่วไป ตรงที่เครื่องพิมพ์แบบ 3DLS ไม่จำเป็นต้องเตรียมสารตั้งต้นเป็นลักษณะเส้นและทำการละลายสารตั้งต้นที่หัวพิมพ์ โดยเครื่องพิมพ์แบบ 3DLS จะทำการยิงแสงเลเซอร์เข้าไปหาวัสดุบนฐานพิมพ์โดยตรง ในกระบวนการพิมพ์นั้น แสงเลเซอร์ได้ถูกยิงบนวัสดุเป็นจังหวะตามการควบคุมด้วยโปรแกรมคอมพิวเตอร์ หลังจากการยิงแสงเลเซอร์ น้ำตาลจะสลายตัวกลายเป็นคาร์บอน โดยที่นิกเกิลจะทำหน้าที่เป็นแม่แบบและตัวกระตุ้นของการเกิดปฏิกิริยา เมื่อเลเซอร์ได้ยิงแสงลงไปทั่วทั้งแผ่นฐานพิมพ์แล้ว ชั้นนิกเกิล/น้ำตาลจะกลายเป็นชั้นกราฟีน/นิกเกิล ในขั้นตอนนี้เพื่อให้กลายเป็นก้อนโฟมกราฟีน นักวิจัยได้ทำซ้ำกระบวนการสังเคราะห์ไปเรื่อย ๆ จนได้เป็นก้อนกราฟีน 3 มิติที่มีส่วนผสมของนิกเกิลอยู่ด้วย ในขั้นตอนสุดท้ายได้นำชิ้นงานไปล้างด้วยกรดเฟอริกคลอไรด์ (Ferric chloride, FeCl₃) เพื่อเป็นการกำจัดนิกเกิลออกไป ซึ่งหลังจากนั้นเราจะได้ก้อนกราฟีนที่มีลักษณะเป็นรูพรุน (ความพรุนถึง 99% ณ อุณหภูมิห้อง) หรือเรียกว่าโฟมกราฟีน นั่นเอง ทั้งนี้ทีมนักวิจัยได้แนะนำต่อว่าถ้าต้องการควบคุมความพรุนสามารถทำได้ง่ายโดยการปรับความกว้างของลำแสงของเลเซอร์ รวมถึงช่วงเวลาที่ทำการยิงแสงเลเซอร์ ทำให้ขั้นตอนการสร้างสามารถปรับเปลี่ยนได้อย่างอิสระ ซึ่งอนาคตนักวิจัยได้มีแผนพัฒนาเป็นเชิงอุตสาหกรรมอีกด้วย


          จากข้อดีของการประยุกต์ใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ เพื่อสังเคราะห์วัสดุพลังงาน เราจะพบว่าเทคโนโลยีนี้เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่น่าสนใจ ซึ่งไม่เพียงแต่พัฒนาเพื่อสร้างเป็นวัสดุพลังงานขั้นสูงที่มักจะนำไปใช้ผลิตนวัตกรรมทางวิทยาศาสตร์ชนิดใหม่ ยังสามารถประยุกต์ใช้สร้างวัสดุอื่น ๆ ดังเช่น เพื่อประยุกต์ใช้ทางด้านการแพทย์ หรือการทหาร อย่างไรก็ตามเทคโนโลยียังมีข้อจำกัดทางด้านการประยุกต์ใช้อยู่มากมาย จึงจำเป็นต้องมีการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ถ้ามีการพัฒนาให้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติมีความก้าวหน้ามากกว่านี้ ในอนาคตเราอาจจะเห็นเครื่องพิมพ์ 3 มิติขั้นสูงที่สามารถสร้างเครื่องมือต่าง ๆ ได้โดยง่ายตามจินตนาการของเราก็เป็นได้  


 

เรียบเรียงโดย

ดร.สายชล ศรีแป้น
อาจารย์คณะวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ (วิทยาเขตระยอง)

• [1] Example image obtained from http://eyeopener.accutome.com/3d-printing-eliminates-human-donors-and-costly-middlemen/(สืบค้นเมื่อ 20 เมษายน พ.ศ. 2562)
• [2] V. Choudhary, S. K. Dhawan, and P. Saini, Polymer based nanocomposites for electromagnetic interference (EMI) shielding, In book: EM Shielding – Theory and Development of New Materials, Research Signpost, 2012.
• [3] Example image obtained from https://www.i-graphenelab.com/products-1/graphene-powder/(สืบค้นเมื่อ 20 เมษายน พ.ศ. 2562)
• [4] J. Sha et al., Three-dimensional printed graphene foams, ACS Nano 11 (2017), 6860 – 6867.