Dimension and Tolerance คืออะไร
ปัจจุบันผู้ที่ใช้เครื่อง 3D Printer มีทั้งบุคคลทั่วไป จนไปถึงวิศวกรในโรงงานอุตสาหกรรม ที่ต้องการชิ้นงานที่มีขนาดแม่นยำ (dimension accuracy) ตามที่ออกแบบไว้ ซึ่งหากเป็นกระบวนการผลิตชิ้นงานดังกล่าวด้วยวิธีทั่วๆไป เช่น CNC ฉีดขึ้นรูป (injection mold) เป่าขึ้นรูป (blow molding) หรือการรีดขึ้นรูป (extrusion) จะมีการเผื่อความคลาดเคลื่อน (tolerance) ที่เกิดจากการผลิตไว้ในแบบ ซึ่งเกิดจากการสะสมองค์ความรู้และประสบการณ์มาหลายสิบปี ในเชิงวิศวกรรมจะเรียกว่า GD&T (Geometric Dimensioning and Tolerance)
ในขณะที่เทคโนโลยี 3D Printing พึ่งจะเข้าสู่คนทั่วไป หรือในระดับ SME ช่วงไม่ถึง 10 ปี ที่ผ่านมา ดังนั้นบทความนี้สามารถช่วยในเรื่องของการออกแบบ design ชิ้นงานให้เหมาะสมกับเครื่อง 3D Printer แต่ละประเภท ซึ่งนำไปใช้ทั้งบุคคลทั่วไป นักออกแบบ หรือวิศวกรในโรงงานอุตสาหกรรม เพื่อให้ได้งานจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ที่มีคุณภาพ ขนาด และรายละเอียดตามที่ต้องการ
เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ
ตัวอย่างงาน FDM (เส้นพลาสติก)
ตัวอย่างงาน SLA (เรซิน)
ตัวอย่างงาน SLS (ผงไนลอน)
ฟีเจอร์ต่างๆที่ควรทราบในการออกแบบ
1. Supported Wall
คือความหนาผนังที่น้อยที่สุด ที่สามารถพิมพ์ได้ โดยมีอย่างน้อย 2 ด้านของผนังติดอยู่กับส่วนประกอบอื่นๆ ทำให้มีโอกาสบิดเบี้ยวน้อย มีความแข็งแรงสูง
- FDM หัวฉีดขนาดปกติ 0.4 mm ดังนั้นควรมีความหนาไม่น้อยกว่า 0.8 mm หรือ 2 เท่านั่นเอง
- SLA หากเป็นชิ้นงานทั่วๆไปความหนาระดับ 0.1-0.5 mm สามารถขึ้นรูปได้ไม่ยาก
2. Unsupported Wall
คือความหนาผนังที่น้อยที่สุด ที่สามารถพิมพ์ได้ โดยมีด้านหนึ่งของผนังติดอยู่กับส่วนประกอบอื่นๆ ทำให้มีโอกาสบิดเบี้ยว หรือหลุดบริเวณนั้นสูง
- SLA ก่อนการอบเรซินที่ขึ้นรูปแล้วยังไม่แข็งตัวสมบูรณ์ดังนั้นควรมีความหนาที่มากกว่าปกติ เพื่อลดโอกาสการบิดงอ หรือหดตัว
3. Overhang
มุมเอียง หรือองศาที่มีส่วนที่ยื่นออกมามากที่สุดในการพิมพ์ โดยไม่ต้องใช้ Support แล้วยังได้คุณภาพผิวที่ดี
- FDM จะเจอปัญหาเยอะที่สุด เนื่องจากมวลของพลาสติกหลอมมีน้ำหนักมากกว่ากระบวนการอื่นๆ ดังนั้นจึงควรใส่ Support ตั้งแต่มุมเอียง 45 องศาขึ้นไป
- SLA เอียงได้สูงมากในความเป็นจริง แต่หลายๆเครื่องก็แนะนำที่ 45 องศา เช่นเดียวกับ FDM แต่ทาง 3DHub แนะนำที่ 19 องศา
- SLS มีส่วนของวัสดุผงเป็นตัวรองรับ ดังนั้นจึงสามารถทำมุมยื่นได้ดี แต่เพื่อลดโอกาสการหด บิดตัว มุมเอียงก็ไม่ควรมากเกินไป
4. Embossed และ Engraved
ความกว้างในการยืดออก หรือความลึกในการแกะสลัก เช่น ตัวอักษร ร่อง หรือส่วนที่ยืดออก หากมีขนาดไม่เหมาะสม ในบางครั้งจะมีรายละเอียดไม่ครบ หรือผิดเพี้ยนไปจากแบบ
FDM ที่หัวฉีด 0.4 mm สามารถทำส่วนนูนหรือส่วนกดลึกได้ราวๆ 0.6 mm เป็นค่าที่น้อยที่สุด หากน้อยกว่านี้ มีโอกาสที่หัวฉีดจะไม่สามารถขึ้นรูปได้ ต้องเปลี่ยนไปใช้หัวขนาดเล็กลง ส่วนเครื่อง SLS หรือ SLA ที่ใช้เลเซอร์สามารถสร้างฟีเจอร์นี้ได้มีขนาดเล็กมากๆ
5. Bridge
ระยะห่างที่มากที่สุด ที่สามารถพิมพ์ขึ้นรูปได้ โดยไม่ต้องมี Support ค้ำยัน ระหว่างเสา 2 เสา หรือจุด 2 จุด
- FDM หากมีพัดลมความแรงสูงกว่าปกติสามารถที่จะพิมพ์ Bridge ได้ดีขึ้น โดยไม่มีการย้อยของพลาสติกหลอมเหลว
- SLA ปกติมีส่วนที่เป็น Bridge มากอยู่แล้ว เนื่องจาก Support มีลักษณะเป็นกิ่ง ดังนั้นจึงไม่ต้องคำนึงถึงการออกแบบส่วนนี้
- SLS มีส่วนของวัสดุผงที่รับน้ำหนักตัวเองอยู่แล้ว ไม่ต้องคำนึงเช่นกัน
6. Hole
7. Clearance
ระยะเผื่อสำหรับการสวมประกอบ ชิ้นส่วน 2 ชิ้นเข้าด้วยกัน
โดยปกติแล้วเครื่อง FDM ค่าความคลาดเคลื่อนอยู่ที่ 0.1-0.3 mm อยู่แล้ว ดังนั้นการเผื่อขนาดไว้ 0.5 mm ทำให้ชิ้นงานสวมประกอบได้แน่นอน ส่วนความแน่นหรือความแข็งแรง อาจใช้การหยอดกาวช่วยจุดนี้
8. Minimum feature
9. Pin
10. Unsupported Edge
ส่วนหรือนะยะที่มากที่สุด ซึ่งชิ้นงานสามารถยื่นออกมาเป็นมุมฉาก โดยไม่ต้องใช้ Support
การออกแบบที่เหมาะสม
ตารางด้านล่างอ้างอิงข้อมูลจาก 3D Printing Handbook ของ 3DHub ซึ่งอาจมีความแตกต่างกับเครื่อง 3D Printer ที่ผู้อ่านใช้บ้าง ดังนั้นจึงควรทดลอง โดยใช้ข้อมูลดังกล่าวเป็นจุดเริ่มต้น เพื่อความแม่นยำที่มากขึ้น โดยอาจทำ 3D Model ง่ายๆเพื่อทดสอบ
ชิ้นงานสำหรับการปรับตั้งค่าสำเร็จรูป
ปัจจุบันมี 3D Model หลายตัวที่ผู้ใช้เครื่อง 3D Printer ยอมรับเป็นมาตรฐานการตั้งค่า โดยบทความนี้ ได้นำตัวอย่างของ Autodesk ที่ร่วมมือกับ Kickstarters สร้าง Calibration Model สำหรับแคมเปญที่จะเกิดขึ้น หรือเกิดขึ้นไปแล้ว โดยมีการทดสอบตามบทความด้านบนเกือบทั้งหมด สามารถนำไปใช้ได้ทุกเครื่อง ทุกเทคโนโลยี (แต่เน้น FDM เป็นทางการ) โดยนอกจากตัวไฟล์ stl แล้ว ยังมีบทความข้อแนะนำการปรับตั้งค่าเครื่องอย่างละเอียดอีกด้วย สนใจดาวน์โหลดไฟล์ หรืออ่านบทความ ไปได้ตามลิ้งนี้เลย
แหล่งข้อมูล
บทความนี้ยังไม่ได้กล่าวถึงการเผื่อขนาดความคลาดเคลื่อน (Tolerance) ซึ่งค่านี้จะระบุได้ยาก เนื่องจากเครื่องแต่ละเครื่องมีความคลาดเคลื่อนแตกต่างกันอยู่แล้ว ถึงแม้จะเป็นระดับอุตสาหกรรม ก็ยังมีฟังก์ชั่น Dimension Calibrate ก่อนการใช้งาน ดังนั้นผู้ใช้ควรทดลองพิมพ์ชิ้นงานเรขาคณิตง่ายๆ เพื่อดูความคลาดเคลื่อนของตัว ซึ่งโดยปกติเครื่อง FDM ทั่วไปจะไม่เกิน 0.5 mm SLA/DLP ไม่เกิน 0.2 mm ส่วนเครื่อง SLS ที่ตั้งค่ามาดีแล้ว ไม่ควรเกิน 0.2 mm เช่นกัน
- https://www.shapeways.com/
- Additive Manufacturing, Hanser Publisher
- 3D Printing Handbook, 3DHub
- https://www.kickstarter.com/blog/2221
.
