ทำไมต้องทราบความแข็งแรงของชิ้นงานจากเครื่อง 3D Printer
เครื่อง 3D Printer หรือเครื่องพิมพ์ 3 มิติ นั้น เป็นอุปกรณ์ที่สามารถที่จะขึ้นสร้างชิ้นงาน ผลิตภัณฑ์ หรือแบบจำลองได้ง่ายกว่ากระบวนการผลิตอื่นๆ ดังนั้นจึงเป็นเครื่องมือสำคัญ สำหรับนักออกแบบ วิศวกร ที่นำไปใช้ผลิตชิ้นงานใช้จริง หรือทดลองใช้งานระยะสั้นๆ ซึ่งวัสดุแต่ละชนิด ไม่ว่าจะเป็น พลาสติก โลหะ เซรามิกส์ จากเทคโนโลยี 3D Printing แต่ละแบบ มีความแตกต่างกันพอสมควร กระทั่งพลาสติกก็แต่พลาสติกสำหรับงานต้นแบบ (PLA) จนไปถึงพลาสติกทดแทนโลหะ (ULTEM PEEK) ดังนั้นหากผู้ใช้ทราบถึงลักษณะของงานที่นำไปใช้ ก็จะสามารถเลือกชนิดของวัสดุได้อย่างเหมาะสม โดยบทความนี้เน้ไปที่วัสดุประเภทพอลิเมอร์ (Polymer) หรือเรียกทั่วๆไปว่าพลาสติกนั่นเอง
ชิ้นส่วนใน Shop
ชิ้นส่วนเครื่องมือแพทย์
ด้ามจับประตู
ตะขอเกี่ยวชิ้นงาน
พื้นฐานสมบัติของวัสดุที่ต้องทำความรู้จัก
ชิ้นงานหรือผลิตภัณฑ์ที่นำมาใช้งานจริง ไม่ว่าจะในชีวิตประจำวัน หรือวัตถุประสงค์ทางวิศวกรรม ที่ผลิตจากเครื่อง 3D Printer หรือ กระบวนการผลิตแบบทั่วไป (conventional) สามารถแบ่งสมบัติวัสดุหลักๆได้เป็น
- สมบัติทางกล (mechanical properties)
- สมบัติทางความร้อน (thermal properties)
- สมบัติทางไฟฟ้า (electrical properties)
- สมบัติทางเคมี (chemical properties)
- สมบัติอื่นๆ
โดยบทความนี้เน้นไปที่สมบัติทางกล ซึ่งสามารถจับต้อง มองเห็น และพิสูจน์ได้ง่าย บางการทดลองมี Maker หลายๆท่านทำเครื่องวัดขึ้นมาเองได้ไม่ยาก ถึงแม้อาจจะคลาดเคลื่อนจากมาตรฐานไปบ้าง แต่ก็เปรียบเทียบกันภายในได้ดี (in-house method) ในขณะที่มาตรฐานการทดสอบส่วนใหญ่จะมีทั้ง ASTM DIN JIS ต่างๆมากมาย
การวัดสมบัติทางกลของชิ้นงานจากเครื่อง 3D Printer
ทุกมาตรฐานการวัดจะมีขั้นตอนที่คล้ายคลึงกันคือ ขึ้นรูปชิ้นงานทดสอบ (sample) จากนั้นจึงนำไปเข้าเครื่องทดสอบ (measurement tool) และนำผลที่ได้มาวิเคราะห์ด้วยหลักสถิติเพื่อให้ได้ข้อมูลที่น่าเชื่อถือ
ขึ้นรูปชิ้นงานทดสอบด้วยเครื่อง 3D Printer
ทดสอบด้วยเครื่องมือตามมาตรฐาน
ประมวลและวิเคราะห์ผล
โดยบทความนี้จะแนะนำการทดสอบ
- การต้านทานแรงดึง (tensile strength) และแรงดัด (bending strength)
- การต้านทานแรงกระแทก (impact strength)
- การต้านทานความร้อน (heat deflection temperature)
- ค่าความแข็ง (shore)
1. การต้านทานต่อแรงดึงและแรงดัด
เป็นการทดสอบที่เห็นได้มากที่สุด ลักษณะชิ้นงานจะเป็นแท่งยาวๆ ที่เรียกว่าดัมเบลล์ (dumbbell) หรือกระดูกหมา (dog bone) ปลายด้านหนึ่งจะโดนตรึงไว้อยู่กับที่ ในขณะที่อีกด้านจะโดนดึงออกเรื่อยๆ ดังนั้นสิ่งที่ได้คือ แรงที่ใช้ในการดึง (force) และระยะยืด (elongation)
- ลักษณะชิ้นงาน ขนาด ขึ้นอยู่กับชนิดมาตรฐานทดสอบ
- ความเร็วในการดึงขึ้นกับชนิดของวัสดุ และมาตรฐานทดสอบ
หลายๆการทดสอบ โดยเฉพาะแหล่งข้อมูลเชิงวิศวกรรมจะไม่ได้ระบุเป็นแรง แต่จะระบุเป็นค่าความเค้น (stress) ซึ่งคือแรงหารด้วยพื้นที่ มีหน่วยเป็น MPa หรือ N/mm^2 เพื่อให้แต่ละชิ้นงานที่มีขนาดใหญ่-เล็กเปรียบเทียบกันได้ อยู่ในสเกลเดียวกัน ในส่วนของระยะการยืดนั้นส่วนใหญ่รายงานตามค่าที่วัดได้อยู่แล้ว
การวิเคราะห์ผล หากวัสดุหรือชิ้นงานใดมีค่าแรงดึงมาก จะแข็งแรงต่อการดึงมาก ซึ่งอาจจะขัดแย้งกับความรู้สึก เช่น กรณีดังต่อไปนี้
- PLA มีค่าแรงดึงสูงกว่า ABS
- PETG มีค่าแรงดึงสูงกว่า ABS
- เซรามิกส์มีค่าแรงดึงสูงกว่าโลหะ
สิ่งที่ต้องพิจารณาต่อคือการยืดตัว ซึ่งจะพบว่า วัสดุที่มีค่าต้านแรงดึงสูงจะขาดหรือเสียหายง่ายกว่า ยืดได้ไม่นานก็ฉีกขาดแล้ว
- ABS ยืดได้มากกว่า PLA
- ABS ยืดได้มากกว่า PETG (บางผู้ผลิตก็ปรับสูตรให้ PETG ยืดได้มากกว่า)
- โลหะยืดได้มากกว่าเซรามิกส์
ดังนั้นการใช้งานจริงก็ต้องพิจารณาความเหมาะสมว่าชิ้นงานที่จะนำไปใช้ มีการรับแรงประเภทใด ซึ่งส่วนใหญ่ชิ้นงานจะไม่เสียหายจากแรงดึง แต่จะเป็นแรงเฉือนซะมากกว่า
ส่วนการต้านทานต่อการดัดงอ (bending strength) นั้น มีวิธีการทดสอบที่คล้ายคลึงกัน แต่เปลี่ยนจากการดึงขั้น เป็นการวางชิ้นงานในแนวนอน แล้วมีตัวกดไปที่ชิ้นงาน วัดแรงที่ใช้ในการกด (compression force) และระยะที่กดลงไป (elongation)
ตัวอย่างผลการทดสอบ
2. การต้านทานแรงกระแทก
การทดสอบนี้เป็นการวัดความสามารถดูดซับแรงของชิ้นงานทดสอบ (เลขที่ 1X โดยปล่อยตุ้มถ่วง (เลขที่ 2)ไปยังชิ้นงาน วัดระยะที่เข็มสเกลชี้ไป (เลขที่ 3) ชิ้นงานที่ดูดซับแรงได้ดี เช่น ABS Nylon เข็มจะขึ้นไปได้เล็กน้อย เนื่องจากชิ้นงานดูดซับแรงเหวี่ยงไว้ได้มาก ก่อนที่จะเสียหาย ในขณะที่วัสดุอย่าง PLA PC PETG มีแนวโน้มที่เข็มจะไปได้ระยะมากกว่า เนื่องจากเป็นวัสดุที่เปราะ
ส่วนวัสดุที่มีความเหนียวมากๆเช่น PP PE TPU หรือ TPE ชิ้นงานอาจจะไม่เสียหาย ดังนั้นเข็มจึงไม่มีการเคลื่อนที่ ดังนั้นบางการทดสอบจึงต้องมีการบากร่อง (notch) เพื่อช่วยให้ชิ้นงานเสียหายได้ง่ายขึ้น
ผลที่ได้จากการทดสอบ ต้องมีการคำนวนตามหลักวิศวกรรม จึงจะได้ผลไปวิเคราะห์ต่อ
ทั้งนี้การทดสอบทั้งข้อ 1 และ 2 เครื่องมือที่ใช้ทดสอบมีราคาแพง ดังนั้นทางกลุ่มคนที่เป็น Maker จึงพัฒนาเครื่องมือและวิธีการวัดอย่างง่ายขึ้นมา ซึ่งช่วยให้เปรียบเทียบได้ง่ายขึ้น ไปต้องส่งไปห้องแลปที่ยุ่งยาก และมีค่าใช้จ่าย
3. การต้านทานความร้อน
เป็นการทดสอบที่มีประโยชน์มาก เมื่อชิ้นงานที่ผลิตด้วยเครื่อง 3D Printer ต้องไปใช้งานจริงในสภาพแวดล้อมต่างๆ ยกตัวอย่าง เช่น ชิ้นงานที่ต้องตากแดด ชิ้นงานที่ต้องอยู่ในเครื่องจักรที่มีอุณหภูมิสูงกว่าปกติ หรือชิ้นส่วนในอุตสาหกรรมหนักที่มีอุณหภูมิสูงมาก โดยหากดูข้อมูลของวัสดุจะใช้คำว่า heat deflection temp หรืออุณหภูมิที่ชิ้นงานเริ่มอ่อนตัว การทดสอบจะคล้ายๆการทดสอบแรงกด/ดัด แต่มีการเพิ่มอุณหภูมิทดสอบตามมาตรฐานต่างๆ วัดระยะที่ชิ้นงานยุบตัวไป x% แล้ววัดข้อมูล
การรายงานผลการทดสอบกลุ่มนี้ จะมีเช่นนี้ ทำให้เราทราบได้ว่าอุณหภูมิช่วงใช้งานจะอยู่ในระดับใด
PLA Sync Innovation
Heat Distortion Temperature, °C 66 psi (0.45 MPa) = 55 °C
3DXTech PETG carbon Fiber
Heat Distortion Temperature, °C (0.45 MPa) = 77 °C
3DXTech PC-ABS
Heat Distortion Temperature, °C (0.45 MPa) = 126 °C
ตัวอย่างการทดสอบแบบกราฟ
4. ค่าความแข็ง
การทดสอบนี้ใช้ในการประเมินวัสดุที่ต้องการความอ่อนนุ่มในการใช้งาน เช่น TPU TPE หรือ PP โดยวัสดุกลุ่มนี้ส่วนใหญ่จะมีระยะยืดตัวที่สูงมากปกติอยู่ที่ 100-600% เลยทีเดียว ดังนั้นจึงใช้งานรับแรงไม่ได้ค่อยได้ เหมาะกับการทำเป็นพวกชิ้นงานกันสะเทือน (shock absorb) หรือกันสั่น (vibration absorb) หรือพื้นรองรองเท้า (insole) ซึ่งใช้หน่วยการวัดที่เรียกว่า Shore หลักการคือมีหัวกด กดไปยังชิ้นงานทดสอบแล้ววัดค่าที่เครื่องมือทดสอบ
การวัดว่าวัสดุใดแข็งกว่าวัสดุใด ควรวัดในมาตรฐาน shore เดียวกัน เช่น Shore A กับ Shore A ไม่ควรวัดข้ามสเกล เพราะค่าแรงกดที่ใช้จะไม่เท่ากัน (spring force ในตาราง) วัสดุกลุ่ม TPU, TPE ที่มีในท้องตลาดปัจจุบันที่พบจะมี shore 75D shore85A shore95A เรียงตามลำดับความแข็ง-นุ่ม
สรุปข้อมูล
จากบทความข้างต้นสามารถใช้ประเมินความแข็งแรงของชิ้นงาน 3D Printer ได้ในระดับหนึ่ง ซึ่งวัสดุแต่ละบริษัท ถึงแม้ชนิดเดียวกัน ก้มีความแตกต่างกัน ซึ่งวิศวกรควรเลือกใช้และทดสอบการใช้งานชั่วคราว ก่อนการนำไปใช้จริง ซึ่งหากมีโปรแกรมวิเคราะห์ทางวิศวกรรม จะช่วยในการออกแบบชิ้นงานได้รวดเร็วมากขึ้น โดยไม่ต้องลองผิดลองถูก
สมบัติของวัสดุยังมีอีกมากมาย ที่เกี่ยวข้องกับการใช้งาน ดังนั้นหากต้องการข้อมูลที่เป็นเชิงลึกมากกว่านี้ สามารถสอบถามกันมาได้ที่ [email protected]
