Nylon วัสดุวิศวกรรมสำหรับ 3D Printing
ไนลอน (Nylon) เป็นพลาสติกสังเคราะห์ชนิดหนึ่งที่มี Application การใช้งานกว้าง และหลากหลายมาก เช่น เชือก เส้นใยทอผ้า ประเก็น โอริง ฟิล์ม หรือแม้กระทั่งผงไนลอนสำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ คำว่าไนลอนเป็นชื่อทางการค้าคิดค้นขึ้นโดยบริษัท Dupont ในแลปของ Wallace Hume Carothers ตั้งแต่สมัย พศ. 2478 มีชื่อทางวิทยาศาสตร์ว่า พอลิเอไมด์ (Polyamide) ส่วนประกอบหลักคือ เอมีน (Amine, NH) และกรดคาร์บอกซิลิก (carboxylic acid, CO) แล้วมีการนำไปปรับปรุงสูตร โครงสร้างให้เหมาะสมกับการใช้งานรูปแบบต่างๆอีกที ในกลุ่มของเครื่อง 3D Printer เองก็มีหลากหลาสูตรเช่นกัน แต่ในไทยอาจจะจำกัดซักหน่อย เนื่องจากมีผู้นำเข้าน้อยมาก (น้อยมากจริงๆ) แต่ก็เก็บไว้เป็นความรู้เผื่อตรงกับการนำไปใช้งาน
สมบัติเด่น
- เหนียว แข็งแรง ทนทานต่อการฉีก ดึง ยืด
- ทนต่อการเสียดสีสูง ทำเป็นเฟืองขบ หรืออุปกรณ์กันกระแทกได้ดี แต่ด้อยกว่า POM
- หลายยี่ห้อได้การรองรับว่าเป็นวัสดุ Food Grade
- ทนต่ออุณหภูมิสูง ในกลุ่มของวัสดุเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ทนได้ถึง 150 องศาเซลเซียส
- ป้องกันการซึมผ่านของอากาศดีมาก ในกลุ่มของสิ่งทอมีการพัฒนาเคลือบสารป้องกันการเกาะของน้ำบนผิววัสดุได้ จึงนำมาใช้เป็นอุปกรณ์กันฝนที่น้ำหนักเบา
ข้อด้อย
- ถึงแม้จะป้องกันการซึมผ่านก๊าซและของเหลวได้ดี แต่ตัวไนลอนเองก็อมความชื้นไว้ได้สูงมาก ดังนั้นเวลาเข้าสุ่กระบวนการผลิตต้องมีการไล่ความชื้นนี้ออก บางกรณีต้องอบเป็นเวลานานถึง 12 ชั่วโมง
- เกิดไฟฟ้าสถิตย์ได้ง่าย
- ที่อุณหภูมิต่ำ สมบัติดีที่ได้กล่าวมาจะลดลงมาก
สำหรับเครื่อง 3D Printer ที่ใช้งานกับวัสดุไนลอนได้นั้น มี 3 เทคโนโลยี 1. FDM (Fused Deposition Modelling) 2. SLS (Selective Laser Sintering)และ 3. Binder Jetting หรือ Fusion Jet (เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ มีกี่แบบ) ที่นิยมใช้มากที่สุดจะเป็นแบบผง (เทคโนโลยีลำดับที่ 2 และ 3) ในขณะที่แบบเส้นหรือ Filament นั้น ถึงแม้ตัวเส้นจะมีราคาถูกแต่ก็เจอปัญหาในการขึ้นชิ้นงานพอสมควร ทั้งเรื่องความชื้น การควบคุมอุณหภูมิ และข้อจำกัดด้านรูปร่าง
Nylon Filament สำหรับ FDM 3D Printer
ย้อนกลับไปเมื่อช่วงปี 2015 สมัยนั้น เครื่องพิมพ์ที่หัวฉีดทำอุณหภูมิได้สูงพอที่จะหลอมไนลอนแล้วฉีดออกมาได้ น่าจะเพียงค่าย Ultimaker กับ Makerbot และแบรนด์ Maker ที่เน้นประกอบเครื่องเอง ซึ่งวัสดุก็หาได้ยากเช่นกัน เนื่องจากยังไม่มีโรงงานจีนผลิตเส้นคุณภาพดี ที่พิมพ์ได้จริงๆออกมา เลยต้องนำเข้าจากอเมริกาและยุโรปเป็นหลัก ซึ่งด้วยความที่ไนลอนมีหลายเกรดมาก คนที่ตัดสินใจจะใช้ควรอ่านบทความด้านการทดสอบสมบัติทางกลนี้ก่อน (การวัดความแข็งแรงของชิ้นงานที่ผลิตจากเครื่อง 3D Printer) เนื่องจากบางเกรดแข็งแรงกว่า บางเกรดยืดได้มากกว่า บางเกรดทนสารเคมีดีกว่า ดังนั้นต้องทราบก่อนว่าจะผลิตแล้วนำไปใช้งานแบบใด บทความนี้อิงข้อมูลจาก Taulman เนื่องจากมีเส้นที่หลากหลายมากที่สุดในโลก ณ ปัจจุบัน
1. Taulman 230
เป็นเส้นไนลอนที่ปริ้นได้ง่ายมากที่สุด ใช้อุณหภูมิหัวฉีดอยู่ที่ 228-235 องศาเซลเซียสเท่านั้น ดังนั้นเครื่องทั่วๆไป ใช้ได้แน่นอน ที่สำคัญคือไม่จำเป็นต้องมีฐานความร้อน (heat bed) เพียงแค่กาว UHU ก็เพียงพอเหมือน PLA
อย่างไรก็ตาม หากใครที่หวังเรื่องสมบัติเรื่องความแข็งแรง ให้มองข้ามไปได้เลย เนื่องจากเส้นเกรดนี้มีลักษณะสมบัติคล้ายยาง หรือพวกเส้น TPU ยืดดึงได้สูงมาก ตามเสปคคือ 400% ดังนั้นเหมาะกับไปผลิตเป็นเฟืองอ่อน ประเก็น โอริง ซีล บูช พวกชิ้นส่วนกันสะเทือน ที่ต้องแข็งแรงมากกว่า PLA หรือ ABS หรือมีโอกาสเจอกรด-ด่าง สารเคมี
2. Taulman 645
เป็นเกรดที่นิยมใช้กันมานานตั้งแต่ในอดีต ตั้งแต่เครื่อง CNC หรือเครื่องกลึงงานพลาสติก มีสมบัติเหนียว แข็งแรง ผิวลื่น แรงเสียดทานต่ำ ส่วนประกอบหลักๆคือ PA 6,6 ประมาณ 90% ที่เหลือเป็นพลาสติก หรือสารเติมแต่งอื่นๆ เป็น Nylon ที่เริ่มได้รับความนิมยมในช่วงเริ่มต้นของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ
เครื่องที่ใช้งานได้ก็ต้องเป็นระดับที่สูงขึ้นมาอีกขั้น คือต้องตั้งค่าหัวฉีดอยู่ในช่วง 250-255 องศาเซลเซียส และเป็นระบบปิดควบคุมความร้อน หากมีระบบ Heating Chamber จะช่วยให้ชิ้นงานออกมาแข็งแรง ทนทานมากขึ้น จุดเด่นอีกอย่างคือทนสารเคมี กรด-ด่างได้ดีมาก เหมาะกับการใช้งานในโรงงานเคมี ปิโตรเลียม หรือยานยนต์
3. Taulman 680
เป็นวัสดุเกรดระดับสูงของทาง Taulman วัสดุหลักคือ PA 6 69 เพิ่มเติมด้วยสารเติมแต่งเข้ามาให้แข็งแรงมากขึ้นกว่าเกรด 645 มากกว่า 30% แถมมีใบรับรองการใช้งานในสภาวะแวดล้อมต่างมากมาย ในขณะการปริ้นไม่ได้ยากกว่าเดิม ทั้งนี้มีวัสดุเกรดนี้ไม่ได้มีใบรับรองด้าน Medical Use แต่มีผู้ใช้เข้าใจผิดจำนวนมาก
4. Taulman Alloy 910
เกรดที่แข็งแรงมากที่สุดของ Taulman มีสมบัติด้านการต้านทานแรงดึง (tensile strength) มากกว่าเกรด 680 ถึง 20% รวมถึงสมบัติเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูงก็ยังไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นหากใครที่ต้องการไนลอนสีธรรมชาติ ที่แข็งแรง ไปทำชิ้นส่วนทางกล สภาวะการใช้งานไม่ใช่ทั่วๆไป ผู้เขียนแนะนำตัวนี้ อีกทั้งเครื่อง 3D Printer ระดับอุตสาหกรรมหลักล้านบาท ก็แนะนำตัวนี้มากที่สุด อย่างไรก็ตามคนที่ใช้เครื่องที่ไม่มี Heating Chamber อาจจะเจอปัญหาชิ้นงานบิดงอ เสียรูป รวมถึงงานเสียจำนวนมาก ดังนั้นอย่างน้อยภายในห้องพิมพ์ควรควบคุมอุณหภูมิให้ได้ราวๆ 60 องศาเซลเซียส จึงจะลดปัญหาไปได้
5. Polymaker CoPA
ถึงแม้จะเป็นยี่ห้อจากจีน แต่คุณภาพของ Polymaker ก็ไม่ได้ด้อยกว่าทางยุโรป หรืออเมริกาเลย โดย CoPA เป็นเส้นที่ผสมระหว่าง PA 6 และ PA 6 6 (ถึงใช้คำว่า CoPolymer) โดยสมบัติเด่นๆ คือพิมพ์ได้ง่าย ลดอาการฐานบิดงอ หรือ Warping ในขณะที่ยังแข็งแรง ทนทานอยู่ ทั้งนี้เครื่องที่ใช้ก็ควรเป็นเครื่องที่ทนหน่อย เพราะต้องตั้งค่าหัวฉีดที่อุณหภูมิ 265-270 องศาเซลเซียส เพื่อให้พลาสติกแต่ละชั้นเชื่อมต่อกันได้ดี นอกจากนี้ผู้ผลิตยังเคลมว่าทนอุณหภูมิสูงถึง 180 องศาเซลเซียส เลยทีเดียว จุดนี้ผู้เขียนคิดว่าทนได้ แต่สมบัติความแข็งแรงน่าจะลดลงจากปกติ
6. 3DXTech CarbonX PA6-CF20
3DXTech เป็นผู้ผลิตเส้นคุณภาพสูงจากอเมริกา มีเส้นวิศวกรรมมากมาย ตัว CarbonX คือเส้นไนลอน 6 ผสมเส้นใยคาร์บอน 20% โดยน้ำหนัก ทำให้ความแข็งแรง ทนแรงดึงเพิ่มขึ้นเกือบ 2 เท่า การหดตัวลดต่ำลงมากๆ กลายเป็นว่าพิมพ์ได้ง่ายขึ้น อย่างไรก็ตาม การใช้เส้นที่ผสมสารอื่นๆ นอกจากพลาสติก จะทำให้เกิดการเสียดสีที่หัวฉีดสูงมาก ดังนั้นต้องเปลี่ยนไปใช้หัวชนิดพิเศษ เช่น เคลือบแข็ง หัวเพชร หัวพลอย ต่างๆ ที่ออกขายตามท้องตลาด จากการทดลอง แค่ทดลองพิมพ์ 50 g จากหัวฉีดขนาด 0.4 mm กลายเป็น 1 mm โดยใช้เวลาไม่นาน อีกข้อควรระวังคือ ฝุ่นผงขนาดเล็ก จะเริ่มอันตรายมากขึ้น เนื่องจะมีเจ้าคาร์บอนขนาดเล็กลอยติดไปด้วยซึ่งมีอันตรายสูงมากๆ ควรระวังการใช้งานให้เหมาะสมตามคำแนะนำผู้จำหน่าย
7. 3DXTech AmideX PA6-GF30
เนื่องจาก Carbon ทำให้ชิ้นงานที่ออกมามีแต่สีดำ ดังนั้นการเติมเส้นใยแก้ว (Glass Fiber) แทน ทำให้นำชิ้นงานไปทำสีได้ง่ายขึ้น นอกจากนี้ยังสามารถผสมเส้นใยแก้วได้มากกว่าคาร์บอน คือ 30% ทำให้ความแข็งแรงสูงขึ้นมาอีกราวๆ 30%
Nylon Powder
วัสดุที่เป็นผง สำหรับเครื่อง SLS 3D Printer หรือ Binder Jet นั้น ส่วนใหญ่ผู้ใช้ต้องเลือกเกรด ยี่ห้อ ที่ผู้ผลิตเครื่องเตรียมไว้ให้เกือบทั้งหมด เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีระดับสูง ต้องควบคุมขั้นตอน ตัวแปรในการปริ้นทั้งหมด หากมีอะไรผิดพลาด หรือคลาดเคลื่อจะส่งผลต่อชิ้นงานทันที ซึ่งกระบวนการและขั้นตอนเหล่านี้ มีต้นทุนที่สูงกว่าเครื่องชนิด FDM หลายเท่า ข้อมูลจากบทความนี้อ้างอิงจาก Sinterit
1. Polyamide 12 หรือ PA 12
เป็นวัสดุหลักของเครื่อง SLS พิมพ์ขึ้นรูปได้ง่ายที่สุด มีความแข็งแรง ทนทานที่สูง ผิวของชิ้นงานที่ออกมาเรียบสนิท เหมาะกับการผลิตเป็นชิ้นส่วนทางวิศวกรรมทั่วไป
2. Polyamide 11 หรือ PA 11
เป็นวัสดุรองลงมา มีการใช้งานที่น้อยกว่า สมบัติโดยรวมแข็งแรงกว่า PA 12 ตั้งแต่ 10-30% ในการทดสอบ ทั้งแรงดึง ระยะยืด การทนต่อความร้อน มีข้อด้อยตรงที่ความละเอียดของผิวจะลดลงมา (แต่ก็ยังเหนือกว่า FDM มาก) และทำสีได้ยากขึ้น
นอกจากนี้ PA11 บางผู้ผลิตถือเป็น Biomaterials ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า แต่สิ่งที่ตามมาคือราคาสูงขึ้น จนส่วนใหญ่ไม่ได้ใช้กัน
3. PA12 + Glass bead
เป็นวัสดุไนลอนที่แข็งแรงมากที่สุดของเครื่อง SLS และ Binder Jet ทั่วไป เนื่องจากมีการใส่เม็ดแก้วขนาดเล็กเข้าไปในเนื้อพลาสติกด้วย ทำให้มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นสูงมาก ไม่สามารถดัดได้ด้วยมือเปล่าแล้ว ชิ้นงานที่ได้จะดูหนัก ความหนาแน่นสูง มีสมบัติความแข็งแรงเท่ากันทุกๆส่วนของชิ้นงาน (isotropic properties)
สรุป
Nylon เป็นวัสดุทางวิศวกรรม ที่มีการใช้มากในเทคโนโลยี 3D Printing คาดว่าในอนาคต หากเครื่องทั่วๆไป มีความสามารถหรือสเปคพื้นฐานที่สูงขึ้น ก็จะนิยมใช้ในคนทั่วไปเพิ่มขึ้นเรื่อย และวัสดุมีราคาที่ถูกลง ปัจจุบันตกกิโลกรัมละ 5-6,000 บาท จากจีน ยังถือว่าไม่แพงมากเมื่อเทียบกับเรซิน อย่างไรก็ตามผงดังกล่าวมีข้อจำกัดตรงการนำมา reuse ได้น้อยมากต้องผสมของใหม่ตลอด ในขณะที่เรซินแทบจะใช้ได้ 100%
