มิติใหม่ “สร้างบ้าน” โดยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ

คอลัมน์ เปิดมุมมอง
ศ.ดร.วรศักดิ์ กนกนุกุลชัย 
ราชบัณฑิตที่ปรึกษาอาวุโส ทีมกรุ๊ป

ในหลายปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติได้รับความสนใจอย่างมาก เบื้องต้นเทคโนโลยีนี้ ได้ถูกพัฒนาขึ้นมาเพื่อวัตถุประสงค์ในการสร้างต้นแบบผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ โดยมีจุดเด่นที่มีความสามารถในการ “พิมพ์” ผลิตภัณฑ์ได้อย่างแม่นยำตามแบบดิจิทัล ที่มีรูปแบบ 3 มิติเชิงซับซ้อน

ปัจจุบันนี้ เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติได้ถูกนำมาใช้ในกระบวนการผลิตชิ้นส่วนจริงในหลายอุตสาหกรรมแล้ว เช่น การผลิตชิ้นส่วนอวัยวะเทียม การผลิตชิ้นส่วนสำหรับยานอวกาศ เป็นต้น

ระหว่าง 2-3 ปีนี้ เริ่มมีข่าวความพยายามใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติในภาคก่อสร้าง ที่ไม่ใช่เป็นเพียงวิธีการผลิตชิ้นส่วนในโรงงานแล้วนำไปประกอบหน้างาน แต่เป็นการ “พิมพ์” บ้านทั้ง
หลังที่หน้างานจนเสร็จ ถือเป็นการต่อยอดจากเทคโนโลยีการจำลองสารสนเทศอาคาร (building information modeling-BIM) ด้วย

ผู้เขียนในฐานะวิศวกรโครงสร้าง จึงมีความสนใจติดตามข้อดีข้อเสียเทคโนโลยีใหม่นี้ในภาคการก่อสร้าง โดยเฉพาะสำหรับประเทศไทย การพิมพ์ 3 มิติ เป็นขบวนการแปลงแบบผลิตภัณฑ์ทางดิจิทัลให้เป็นผลิตภัณฑ์ทางกายภาพโดยตรงไม่มีวัสดุส่วนเกินเหลือใช้ ไม่มีค่าใช้จ่ายในการขนส่ง

ทว่า รูปแบบโครงสร้างรับน้ำหนักจะไม่เป็นระบบโครงเสาและคาน (beam-column frames) เดิมที่คุ้นเคย แต่จะเป็นโครงสร้างรับน้ำหนักแบบผนังรับแรงกด (load bearing walls)

ความท้าทายอีกประการหนึ่ง คือ วัสดุที่ใช้ในการพิมพ์โครงสร้างจะไม่ใช่คอนกรีตเสริมเหล็กที่คุ้นเคยอีกด้วย แต่จะเป็นวัสดุของเหลวที่สามารถฉีดผ่านหัวฉีดของเครื่องพิมพ์ที่มีความร้อนสูง เมื่อผ่านหัวฉีดออกมาแล้วจะแข็งตัวในเวลาสั้น โดยวัสดุที่แข็งตัวแล้ว จะต้องมีคุณสมบัติต่าง ๆ ตามความจำเป็นในการใช้งาน

เครื่องพิมพ์ 3 มิติทำงานอย่างไร

การทำงานของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ มีลักษณะเดียวกับเครื่องพิมพ์ 3D ที่ได้ออกแบบและโหลดไว้ใน “สมอง” ของเครื่องพิมพ์ในเดสก์ทอปขนาดเล็กทุกประการ ที่จะถูกแปลงเป็นคำสั่งให้เครื่องพิมพ์เคลื่อนที่ในระนาบสองมิติ (X-Y) ก่อน โดยระหว่างนั้น หัวพิมพ์จะรีดวัสดุที่หลอมละลายไปตามเส้นทางบนระนาบ X-Y เมื่อเสร็จแล้ว หัวพิมพ์จะเลื่อนขึ้น 1 ชั้นตามแกนดิ่ง Z เพื่อดำเนินการพิมพ์วัสดุในชั้นถัดไป ชั้นต่อชั้น

หัวใจสำคัญในการบุกเบิกอุตสาหกรรมเทคโนโลยีการพิมพ์อาคาร 3 มิติ คือ การสร้างเครื่องพิมพ์ 3 มิติมาตรฐานขนาดใหญ่ ซึ่งประกอบอยู่บนเครนสูง ที่ถูกควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ ให้หัวพิมพ์เปลี่ยนตำแหน่งได้ทั้ง 3 ทิศทาง เครื่องพิมพ์ 3 มิติสำหรับฉีดวัสดุคอนกรีตที่พิมพ์ได้เร็วที่สุด คือ ระยะ 1 เมตรต่อวินาที ชื่อ BOD2 ผลิตโดยบริษัทเดนมาร์ค COBOD ถือเป็นเครื่องพิมพ์ที่ได้รับความนิยมที่สุดในปัจจุบัน

ความได้เปรียบ

ความเร็ว : การพิมพ์ 3 มิติสามารถ “พิมพ์” บ้านอยู่อาศัยชั้นเดียวเสร็จภายในเวลาไม่กี่วัน แทนที่จะเป็นเดือนและปีภายใต้การก่อสร้างแบบเดิม

ลดวัสดุส่วนเกินและขยะ : การพิมพ์ 3 มิติ นอกจากไม่ต้องใช้ไม้แบบแล้ว ยังสามารถแก้ปัญหาวัสดุส่วนเกินและขยะจากการก่อสร้างได้ เนื่องจากการพิมพ์ 3 มิติใช้วัสดุเท่าที่จำเป็นในการพิมพ์เท่านั้น

อิสระในการออกแบบ : สถาปนิกสามารถสร้างการออกแบบที่ซับซ้อนด้วยนวัตกรรมและความคิดสร้างสรรค์ที่มากขึ้น ตราบเท่าที่การออกแบบ เป็นไปตามความสามารถในการพิมพ์แบบชั้นต่อชั้นในแนวตั้ง

ความท้าทาย

ต้นทุน : ความท้าทายที่สุด คือ ต้นทุนในการซื้อหรือเช่าอุปกรณ์เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่มีมูลค่าสูง ความคุ้มค่าจึงขึ้นกับจำนวนสิ่งปลูกสร้างที่จะพิมพ์จากเครื่องพิมพ์ 3 มิตินี้

ข้อจำกัด : รูปแบบโครงสร้างที่พิมพ์ 3 มิตินั้น จะไม่เป็นระบบโครงเสาและคาน ที่คุ้นเคยมาแต่เดิม แต่จะถูกจำกัดที่ระบบผนังรับแรงกด กรณีที่เป็นโครงสร้างอาคารเกิน 1 ชั้นนั้น นอกเหนือจากเรื่องผนังที่ใช้เครื่องพิมพ์ได้ ยังคงต้องอาศัยแรงงานในการประกอบแผ่นพื้น หลังคา และระบบสาธารณูปโภคภายในอาคารอื่น ๆ

โมเดลธุรกิจการสร้างอาคารด้วยการพิมพ์ 3 มิติ อาจแบ่งเป็น 2 รูปแบบ

(1) ธุรกิจรับออกแบบและพิมพ์อาคารครบวงจร บนที่ดินของลูกค้า ซึ่งควรเป็นอาคารไม่เกิน 2 ชั้น โดยผู้ประกอบการจะต้องจัดซื้อหรือเช่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

(2) ผู้ประกอบการบ้านจัดสรร หรือหน่วยงานรัฐ ซื้อเครื่องพิมพ์ 3 มิติ เพื่อพิมพ์บ้านจำนวนมาก ขายให้ผู้มีรายได้น้อย เป็นต้น

บทสรุป

แม้เทคโนโลยีการพิมพ์อาคาร 3 มิติจะดูเหมือนมีศักยภาพที่จะนำมาใช้ในการผลิตสิ่งปลูกสร้างทั่วไป แต่ส่วนใหญ่โดยเฉพาะอาคารที่สูงกว่า 1 ชั้น การพิมพ์มักทำได้เฉพาะชิ้นส่วนอาคารที่เป็นผนังแนวดิ่ง ส่วนประกอบอื่น เช่น บันได พื้น และหลังคา

ยังต้องใช้วิธีหล่อมาประกอบ หรือหล่อที่หน้างาน การพิมพ์อาคาร 3 มิติจึงเหมาะแก่การพิมพ์อาคารบ้านอยู่อาศัยชั้นเดียว แต่เนื่องจากต้นทุนที่สูงของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ความคุ้มค่าของเทคโนโลยีนี้ จำต้องขึ้นกับการผลิตเป็นจำนวนมาก จึงเหมาะสำหรับโครงการบ้านจัดสรร หรือหมู่บ้านชุมชน ที่ต้องการพิมพ์บ้านอยู่อาศัยชั้นเดียวจำนวนมาก ๆ ภายในเวลาจำกัด เพราะบ้านแต่ละหลังจะสามารถพิมพ์เสร็จภายในไม่กี่วัน