• sales
  • 064-931-9191
  • admin@sync-innovation.com
  • support
  • 095-778-1204
  • support@sync-innovation.com
  • mon-sat 8:00-18:00

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

aerospace 3d printing
3D Printing Technology

Aerospace 3D Printing ธุรกิจการบินที่เปลี่ยนไป

ธุรกิจการบินเริ่มมีการเปลี่ยนแปลงระบบการผลิตอะไหล่ และการซ่อมบำรุงเครื่องบิน โดยใช้ Aerospace 3D Printing เข้ามาช่วยแก้ไขจุดด้อยของกระบวนการแบบเก่า ซึ่งการบินและอวกาศเป็นผู้นำระดับแนวหน้าของนวัตกรรมการพิมพ์

อ่านต่อ