• sales
  • 064-931-9191
  • admin@sync-innovation.com
  • support
  • 095-778-1204
  • support@sync-innovation.com
  • mon-sat 8:00-19:00
Menu

Composite Materials สำหรับเครื่อง FDM 3D Printer

Composite Materials คือวัสดุอะไร ? เกี่ยวอย่างไรกับ FDM 3D Printer

composite materials หรือภาษาวิชาการเรียกว่าวัสดุประกอบ คือวัสดุที่มีการผสมวัสดุต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิด ชนิดเข้าด้วยกัน เพื่อ วัตถุประสงค์ตั้งแต่ ลดต้นทุนการผลิต เพิ่มความแข็งแรง หรือเสริมสมบัติพิเศษ จะแตกต่างกับการผสมสารเคมีทั่วๆไป คือวัสดุทั้ง 2 ชนิดจะไม่รวมตัวกัน สามารถแยกได้ โดยใช้กระบวนการต่างๆ เช่น กระบวนการทางเคมี (ละลาย) หรือทางฟิสิกส์ (เผา) ยกตัวอย่างเช่น

  • พลาสติกผสมผงโลหะ (ผงทองแดง ผงโลหะ ผงสแตนเลส)
  • พลาสติกผสมเซรามิกส์ (เส้นใยแก้ว เส้นใยคาร์บอน)
  • พลาสติกผสมผงแคลเซียม แป้ง

Composite Materials

วัสดุหลัก

plastic
เม็ดพลาสติก

วัสดุเติม

filler
เส้นใยแก้ว/Glass bead

การใช้งานกับเครื่อง FDM 3D Printer

เครื่องพิมพ์ 3 มิติ แบบใช้เส้นพลาสติก Filament หรือ FDM 3D Printer เป็นเครื่องที่มีทั้งระดับคนเริ่มต้นใช้งาน Maker DIY จนไปถึงระดับอุตสาหกรรมหลักหลายล้านบาท เนื่องจากการทำงานไม่ซับซ้อน มีวัสดุรองรับที่หลากหลาย และราคาถูกกว่าวัสดุประเภทอื่นๆ ทั้งนี้วัสดุ Composite สำหรับเครื่องดังกล่าว มักจะเป็นการผสมวัสดุกลุ่มเซรามิกส์ เข้ากับตัวเนื้อเพื่อวัตถุประสงค์ด้านการเพิ่มความแข็งแรงเป็นหลัก

  • วัสดุเซรามิกส์ที่นำมาผสมเช่น เส้นใยแก้วทั้งแบบสั้น (short glass fiber)  ต่อเนื่อง (continuous glass fiber) เส้นใยคาร์บอน (carbon fiber) หรือเส้นใยอารามิด (aramid fiber) หรือที่เรียกกันว่า เคฟลาร์
  • ตัววัสดุหลักๆคือ PLA PETG ABS PC Nylon หรือ PEEK PEKK ที่เป็นกลุ่มพลาสติกระดับสูง (ใครต้องการอ่านข้อมูลเรื่องเส้นพลาสติกเพิ่ม ไปตามลิ้งนี้ครับ)
carbon 3d print
carbon 3d print
3d print cooling channel

การปรับปรุงเครื่อง 3D Printer ให้เหมาะกับการใช้งาน

สำหรับคนที่ใช้เครื่องที่ไม่ได้รองรับวัสดุวิศวกรรมมาตั้งแต่แรก บทความนี้แนะนำให้ตรวจสอบและปรับปรุงก่อนการใช้งาน เพื่อลดปัญหา และความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นได้ขณะการใช้งาน เนื่องจากการขึ้นรูปวัสดุกลุ่มนี้ ต้องใช้อุณหภูมิที่สูงกว่าปกติเพื่อให้เกิดการประสานกันได้ดีระหว่างการพิมพ์ อีกทั้งละอองฝุ่นขนาดเล็ก ที่มากกว่าการพิมพ์ PLA ที่ใช้กันเกิน 100,000 เท่า

  • ใช้หัวฉีดที่ทนต่อการเสียดสี (Abrasive resistance) เช่น E3D Nozzle X, Micro Swiss Harded steel
  • ใช้เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิหัวฉีดที่รองรับ 300-500 องศาเซลเซียส เช่น PT-100 หรือ Type K เพื่อให้การตั้งค่าอุณหภูมิแม่นยำ ตามที่ต้องการ
  • ติดตั้งระบบกรองอากาศ เนื่องจากขณะการพิมพ์จะมีฝุ่นผง (particle) ขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งเป็นอันตรายต่อผู้ใช้
  • ปรับปรุงระบบระบายความร้อนให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากอุณหภูมิที่ใช้จะสูงกว่าปกติมาก โดยเฉพาะวัสดุ PC Nylon และ PEEK
  • หากสามารถติดตั้ง ระบบทำความร้อนที่ห้องพิมพ์ (Heating Chamber) ที่ควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในช่วง 80-100 องศาเซลเซียส ได้ จะช่วยให้ชิ้นงานมีความแข็งแรงมากยิ่งขึ้น
Micro Swiss A2
PT 100 heater sensor
install carbon filter

ชนิดของเส้นพลาสติกที่นำมาเปรียบเทียบ

เนื่องจากพลาสติกแต่ละยี่ห้อ แต่ละผู้ผลิตมีความสมบัติและความแข็งแรงที่ แตกต่างกัน ดังนั้นเพื่อให้เปรียบเทียบกันได้ง่ายจึงเลือกใช้เส้นจากบริษัท 3DXTech บริษัทเดียว จากประเทศอเมริกา ที่มีเส้นสำหรับงานทางวิศวกรรม ทั้งเริ่มต้นจนไปถึงวัสดุความแข็งแรงสูง หลากหลายชนิด ดังนั้นข้อมูลทุกอย่างในบทความนี้เป็นข้อมูล Official จากทางผู้ผลิต สามารถสั่งซื้อได้เลยตามลิ้ง

PLA CF20 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 20%)

PLA Carbon fiber
50 USD/750g

PETG CF20 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 20%)

PLA Carbon fiber
50 USD/750g

ABS CF20 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 20%)

ABS Carbon fiber
50 USD/750g

PC CF20 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 20%)

PC Carbon fiber
88 USD/750g

Nylon CF20 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 20%)

Nylon Carbon fiber
68 USD/750g

PEKK Industrial CF15 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 15%)

PEKK Carbon fiber
712 USD/750g

ผลเปรียบเทียบชิ้นงานทดสอบจากเครื่อง FDM 3D Printer

สำหรับท่านใดที่ต้องการทราบเรื่องการทดสอบความแข็งแรงตามมาตรฐานวิศวกรรม เข้าไปดูได้ในลิ้งนี้

ผลทดสอบแรงดึง แบ่งออกเป็น 3 กลุ่มใหญ่ๆคือ

  1. กลุ่มแรก PLA PETG และ ABS อยู่ในระดับเริ่มต้น ABS จะดูด้อยที่สุด
  2. กลุ่มถัดมาคือ PC และ Nylon ซึ่ง PC จะแข็งแรงกว่าในการทดสอบนี้
  3. กลุ่มสุดท้ายคือ PEKK หรือ PEEK ที่มากกว่า ABS 3 เท่าเลย

การต้านทานแรงดึง (Tensile Strength)

สำหรับการเติมเส้นใยเสริมแรงพวกคาร์บอน หรือเส้นใยแก้วลงไปในเส้นพลาสติกสำหรับเครื่อง FDM 3D Printer สิ่งที่ตามมาคือ ถึงแม้จะมีความแข็งแรงมากขึ้น เหนียวขึ้น แต่หากมีแรงที่มากเกินวัสดุหรือชิ้นงานจะรับได้ จะแตกหรือเสียหายอย่างเร็ว ดูได้จากระยะยืดตัวที่ดูไม่แตกต่างกันเลยในแต่ละวัสดุ (วัสดุจะดูดซับแรกได้น้อยลง)

ระยะที่ยืดดึงได้ (%)

ถัดมาคือการทดสอบแรงดัด ที่ดูแล้วจะเกาะกลุ่มกันหมดสำหรับวัสดุวิศวกรรมทั่วๆไป ดังนั้นใครที่ออกแบบชิ้นงานเพื่อรับน้ำหนักในกลุ่มนี้ สามารถเลือกใช้วัสดุใดก็ได้ (ยกเว้น PEKK ที่ราคาสูง)

การทนทานต่อการดัด (MPa)

ถึงแม้วัสดุ Composite จะเติมสารบางตัวที่ทนร้อนเป็นหลัก 1,000 องศาเซลเซียสเข้าไป แต่ก็ไม่ได้ช่วยให้วัสดุหลักมีการต้านต่อความร้อนที่ดีขึ้น ดูได้จาก PLA ที่ยังใช้งานได้อยู่ราวๆ 40-50 องศาเซลเซียสเหมือนเดิม

อุณหภูมิในการใช้งาน (C)

เส้นใยคาร์บอน VS เส้นใยแก้ว Compiste Materials ตัวไหนดี ?

สำหรับคนที่สงสัยว่า เวลาไหนถึงจะใช้เส้นใยแก้ว เวลาไหนถึงจะใช้เส้นใยคาร์บอน ในความเป็นจริงวัสดุ Filament สำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ นั้น ผู้ใช้คงไม่ได้มีตัวเลือกมานัก เนื่องจากมีไม่กี่ยี่ห้อในปัจจุบันที่มีเส้นใยแก้วให้เลือกใช้ โดยข้อดี-ข้อเสียของวัสดุแต่ละชนิด มีดังนี้

  • Glass fiber มีการดูดซับแรงที่ดีกว่า Carbon fiber ดังนั้นจึงเสริมวัสดุให้มีความต้านทานแรงดัด หรือแรงเฉือน ได้ดีกว่า
  • Glass fiber มีความหนาแน่นสูงกว่า Carbon Fiber เกือบ 2 เท่า ดังนั้น ชิ้นงานจึงมีน้ำหนักมาก ไม่เหมาะกับงานอากาศยาน ยานยนต์ ที่ต้องการน้ำหนักเบา
  • Glass fiber มีความเป็น Isotropic มากกว่า Carbon Fiber ดังนั้นการเรียงตัวแบบสุ่มๆในการปริ้นขึ้นรูป ยังเสริมแรงทุกทิศทางได้ดีกว่า
  • Glass Fiber ราคาถูกกว่า Carbon Fiber
  • Glass Fiber ทำสีได้ง่ายกว่า เนื่องจากเป็นสีขาวจนไปถึงเหลือง เมื่อได้รับความร้อน ส่วน Carbon มีสีดำ ไม่เหมาะกับการนำไปทำสี
  • Glass Fiber ดูดความชื้นได้ดีกว่า ดังนั้นต้องมีการควบคุมความชื้นทั้งการจัดเก็บและขณะพิมพ์มากกว่า
glass fiber
ที่มา:commons.wikimedia.org
carbon fiber
ที่มา: www.toray.jp
ผู้เขียนจึงได้นำค่าทดสอบความแข็งแรงระหว่าง PLA ผสมเส้นใยแก้ว 10% จากทาง Clariant ซึ่งเชี่ยวชาญด้านเม็ดสีของพลาสติก เปรียบเทียบกับ PLA ที่ผสมเส้นใยคาร์บอน 20% จาก 3DXtech ซึ่งผลโดยรวม ตัวที่ผสมเส้นใยแก้วแข็งแรงกว่าระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตามเส้นผสมเส้นใยแก้วในไทยหาซื้อค่อนข้างยาก ที่มีจำหน่ายก็เป็นของ Ultimaker ที่เป็นเส้นขนาด 2.85 mm ที่ไม่ค่อยเป็นที่นิยม หรือมีเครื่องรองรับมาก ดังนั้นปัจจุบันก็ต้องสั่งจากตัวแทนจำหน่ายจากยุโรปเท่านั้ัน
การทดสอบPLA Hi GF10 ClariantPLA CF 20 3dxtech
กานต้านทานแรงดึง (MPa)6548
โมดูลัส (MPa)50944950
ระยะการยืดจนขาด (%)22

สรุป

สำหรับผู้เขียนมองว่า PLA + เส้นคาร์บอนหรือเส้นใยแก้ว 10-20%น่าจะตอบโจทย์ผู้ใช้งาน ที่ต้องการวัสดุที่พิมพ์ได้ง่าย ความแข็งแรงแรงไม่ด้อยกว่า ABS อย่างไรก็ตามพลาสติกหลักคือ PLA ที่ใช้ตอนนี้ยังเป็นเกรดที่ไม่เหมาะกับงานวิศวกรรม หากมีผู้ผลิตใดใช้ของ Naturework 3D850 หรือ 3D870 น่าจะดีขึ้นมาก ส่วนใครที่จะขยับขึ้นมาต้องการใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่าปกติ โดยไม่ต้องมีการ post processing มากก็คงเป็น PETG+ เส้นใยคาร์บอน ที่ความแข็งแรงโดยรวมสูงกว่า ABS แต่ปริ้นง่ายกว่า

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *

Share on facebook
Facebook
Share on google
Google+
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on pinterest
Pinterest

สนใจเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

เรามีเครื่องที่ตอบโจทย์การใช้งานทุกประเภท ตั้งแต่บุคคลเริ่มต้นจนไปถึงอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ พร้อมให้คำแนะนำการใช้งาน และวัสดุที่เหมาะสม เพื่อให้คุ้มค่าการลงทุนมากที่สุด

ติดตามข่าวสารและบทความ

บทความน่าสนใจอื่นๆ

Additive Manufacturing job
3D Printing Technology

เทคโนโลยี Additive Manufacturing กับ 5 ตำแหน่งงานสายวิศวกรรม

เทคโนโลยี Additive Manufacturing จะกลายเป็นส่วนหนึ่งของการผลิตชิ้นส่วนและผลิตภัณฑ์ในอีกไม่กี่ปี เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของการผลิตที่จะนำหุ่นยนต์ คอมพิวเตอร์ หรือการจัดการข้อมูลขนาดใหญ่ ที่จะเข้ามาแทนที่การผลิตแบบเดิม

อ่านต่อ
3D Printing Technology

รวบรวม Open Source Robot Arm ที่ผลิตได้เองจาก 3D Printer

ปัจจุบันเครื่อง 3D Printer หาซื้อได้ง่ายมาก เริ่มต้นราคาไม่ถึงหมื่นบาท จนไปถึงหลายล้านบาท แถมยังมีขนาดการพิมพ์ที่ใหญ่โต เพียงพอกับการใช้งานทั่วๆไป

อ่านต่อ
Dental Model from 3D Printer
3D Printing Technology

Phrozen Sonic: Dental 3D Printer ที่ราคาย่อมเยา ปริ้นไว

ความต้องการของ Dental 3D Printer สำหรับกลุ่มแลปทันตกรรมที่ต้องทำงานขึ้นรูปเกี่ยวกับฟันหรือส่วนอื่นๆของคนไข้ที่มีรูปร่าง ความซับซ้อน แตกต่างกันออกในแต่ละคน ดังนั้นเครื่องมือที่จะเห็นเป็นส่วนใหญ่คือ

อ่านต่อ