ทำไมต้อง PLA Composite
ปัจจุบันเครื่อง FDM 3D Printer ทั่วทั้งโลก ใช้วัสดุ PLA หรือ Polylactic Acid เป็นพื้นฐานการพิมพ์แทบทั้งสิ้น ไม่ว่าจะราคาเครื่องหลักพัน หรือหลักล้านบาท เนื่องจากตัว PLA ที่อยู่ในกลุ่ม Biodegradable สร้างมลพิษแลพอันตรายน้อยกว่าพลาสติกชนิดอื่นๆ รวมทั้งค่าหดตัวต่ำ ทำให้พิมพ์ได้ง่าย ไม่ต้องใช้เครื่องที่มีระบบซับซ้อน จึงเป็นที่นิยมมากที่สุด
ในขณะที่วัสดุประกอบ (ศัพท์ทางวิชาการ) หรือวัสดุคอมโพสิต (Composites Material) เป็นวัสดุที่ถูกสร้างขึ้นด้วยส่วนผสมของวัสดุต่างชนิดกันตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป การผสมกันของวัสดุเหล่านี้จะไม่เป็นเนื้อเดียวกันแต่จะแยกกันเป็นเฟส วัสดุคอมโพสิตจะประกอบด้วยตัวเสริมแรง (reinforce phase) ซึ่งอาจจะอยู่ในรูปของเส้นใย อนุภาค แผ่นหรือชิ้นเล็กๆ สารตัวเติม หรือแบบผสมกันก็ได้ ซึ่งเป็นเฟสกระจาย (dispersed phase) ฝังตัวอยู่ในวัสดุหลัก (matrix) ที่อาจเป็นโลหะ เซรามิก หรือพอลิเมอร์ (พลาสติก) ตัวเสริมแรงจะช่วยทำให้สมบัติทางกลโดยรวมของดีขึ้น สำหรับพอลิเมอร์จะมีน้ำหนักเบา แต่มีความแข็งแรงต่ำ อย่างเช่น PLA จึงมีการพัฒนาเป็น PLA Composite เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติให้ดีขึ้น และใช้ประโยชน์เฉพาะงาน
ทั้งนี้หลังจากพบว่ามีหลายคนเข้าใจผิดว่าการผสมผงหลากหลายชนิดเข้าไปใน PLA แล้วจะช่วยเพิ่มความแข็งแรง ซึ่งเป็นความเข้าใจผิดส่วนหนึ่ง บทความนี้จะช่วยให้ทราบถึงชนิดและแบ่งชนิดของตัวเติมที่มีทั้งเสริมแรงและไม่เสริมแรงได้ดีขึ้น
1. PLA ผสมวัสดุผง (Particle)
PLA กลุ่มนี้ การผสมผงโลหะ ผงเซรามิกส์ คาร์บอน หรือผงไม้ เพื่อเพิ่มสีสรร พื้นผิวมากกว่าวัตถุประสงค์ด้านการเสริมแรง ดังนั้นจะมีหลายคนเข้าใจว่าชิ้นงานจะแข็งแรงขึ้น ส่วนผลทดสอบดูได้ในหัวข้อการทดสอบความแข็งแรง
2. PLA ผสมเส้นใย (Fiber)
คำว่าเส้นใย หลายคนอาจจะเข้าใจผิดคิดว่าเป็นเส้นใยนิ่มๆ บางๆ แต่สำหรับวัสดุพลาสติกเส้นใยที่ว่าคือ เส้นใยกลุ่มเซรามิกส์ที่มีความแข็งแรงสูง เช่น เส้นใยคาร์บอน เส้นใยแก้ว หรือเส้นใยอารามิด สารกลุ่มนี้สามารถผสมได้จนถึง 40% ทำให้ความแข็งแรงเพิ่มขึ้นหลายเท่าจากปกติ อย่างไรก็ตามหากเป็นการผสมกับ PLA ที่มีสมบัติแข็ง แต่ค่อนข้างเปราะ จะเสริม หรือเพิ่มแรงได้มากเพียงใด ลองอ่านในส่วนของการทดสอบความแข็งแรง
วัสดุที่นำมาผสมสารเติมกลุ่มนี้หากเป็น ABS Nylon หรือ PETG จะแข็งแรงและเบาขึ้นอย่างเห็นได้ชัด เมื่อเทียบดับเส้นที่ไม่ผสมอะไรเลย
การเปรียบเทียบความแข็งแรง
บทความนี้ได้นำการทดสอบ 2 แบบคือ ความต้านทานต่อการยืดดึง (Tensile Strength) และการต้านทานต่อแรงดัด (Flexural Strength) มาเป็นข้อมูลเบื้องต้นในการวิเคราะห์ ส่วนใครที่อยากทราบรายละเอียดการทดสอบ ว่าแต่ละแบบหมายถึงอะไร สามารถเข้าไปดูได้ในบทความนี้ “การวัดความแข็งแรงของชิ้นงานที่ผลิตจากเครื่อง 3D Printer“
การทดสอบนี้ใช้ PLA ที่ไม่ผสมอะไร กับ PLA ที่ผสมผงไม้ (wood) ทองแดง (copper) เซรามิกส์ (ceramic) อลูมิเนียม (aluminum) และสุดท้ายคือสารเสริมแรงคือเส้นใยคาร์บอน (carbon fiber) รวมทั้งสิ้น 6 แบบด้วยกัน สามารถหาซื้อได้จากในไทยทั้งหมด
Tensile properties
กราฟด้านซ้ายแสดงให้เห็นชัดเจนว่า สำหรับวัสดุ PLA เดิมๆ (Naturework 4043D) ดูจะแข็งแรงมากที่สุด ใกล้เคียงกับการผสมผงทองแดง (copper) ในขณะที่สารทุกตัวทำให้ความแข็งแรงลดลงทั้งหมด แม้กระทั่งเส้นใยคาร์บอนที่ว่าช่วยเสริมแรง ส่วนกราฟด้านขวาเป็นระยะที่ชิ้นงานยืดได้ก่อนจะฉีกขาดก็ถือว่าไม่ได้ต่างกันมากอยู่ในช่วง 5-7% ใกล้เคียงกันทั้งหมด
หากจัดกลุ่มจะได้ว่า PLA PLA+Ceramic PLA+Copper และ PLA+Aluminum มีความแข็งแรงใกล้เคียงกัน ในขณะที่ ผงไม้และเส้นใยคาร์บอนทำให้ความแข็งแรงลดลงไปเกือบ 30%
Flexural properties
ในส่วนของการต้านทานแรงดัด ทุกสารที่ผสมลงไปลดความแข็งแรงทั้งหมด แม้กระทั่งเส้นใยคาร์บอนที่ควรจะเสริมแรง กับลดลงมากที่สุด ผลเหมือนกับการทดสอบ Tensile ด้านบน ในขณะที่ ระยะดัดก่อนแตกหักถือว่าใกล้เคียงกันคือ 3-5%
ทำไมผลถึงออกมาแบบนั้น ?
ก่อนอื่นต้องเข้าใจระบบกลไก การเสริมแรงหรือไม่เสริมแรงของการผสม 2 ชนิดก่อน
- แบบ Continuous Fiber จะให้ผลดีที่สุด โดยเฉพาะหากรับแรงในทิศทางเดียวกับการวางตัวแนวยาวของเส้นใย
- แบบ Discontinuous Fiber แบบนี้ยังสามารถเสริมแรงได้ แต่ไม่มากเท่าแบบต่อเนื่อง (Continuous) เส้น Filament Composite ส่วนใหญ่เป็นแบบนี้ จะผสมตั้งแต่ 10-30% โดยน้ำหนัก
- แบบ Particle Fill สำหรับกลุ่มวัสดุผง แบบนี้จะไม่เสริมแรงเลย มีเพื่อลดเนื้อวัสดุ หรือวัตถุประสงค์อื่นมากกว่า โดยรวมจะทำให้ความแข็งแรงลดลง
PLA เป็นวัสดุที่จัดอยู่ในกลุ่มเปราะ แตกหักง่ายอยู่แล้ว ยืดตัวได้ 3-5% เท่านั้น ซึ่งมองให้เห็นภาพง่ายๆ เฉพาะวัสดุพลาสติก PLA เปรียบเสมือนแก้วนั่นเอง หากจะให้แข็งแรงมากขึ้น สิ่งที่ควรเติมก็คือสารเพิ่มความเหนียว เช่นเส้นใยอะรามิด หรือเส้นใยแบบทอมาทั้งผืน (woven) เป็นชั้นๆ แทรกไปเลย ไม่ควรเอาแก้วผสมกับวัสดุเปราะเหมือนกัน ดังนั้นเมื่อนำ PLA ผสมเส้นใยคาร์บอนแล้วความแข็งแรงจึงลดต่ำลง เนื่องจากเอาวัสดุเปราะรวมกับวัสดุเปราะนั่นเอง แต่ที่มีผู้ผลิตหลายรายทำขาย เนื่องจากปริ้นได้ง่ายกว่าเส้นชนิดอื่นๆ แถมน้ำหนักเบาลง ซึ่งบางงานวิจัยก็พบว่า ความแข็งแรง/น้ำหนัก (strength/weight Ratio) ดีขึ้น
ส่วน PLA+ PLA พิเศษที่มีการกล่าวถึงคุณสมบัติว่าแข็งแรงมากขึ้น ผู้เขียนแนะนำอย่างนี้ว่าปัจจุบัน PLA ในท้องตลาดส่วนใหญ่มาจากยี่ห้อ Naturework (บางส่วนก็มาจาก Corbian) ถึงแม้จะมาจากจีนก็ใช้เม็ดเกรดเดียวกัน เพราะโรงงานระดับนี้มาตรฐานเหมือนกันทั่วโลก (อย่างไทยก็ PTT GC ที่ซื้อแบรนด์นี้มา) ซึ่งปัจจุบันมีเกรดดังนี้ (ที่มา Natureworks)
- 4043D เกรดทั่วไปที่ใช้งานมากที่สุด แข็ง เปราะ ปริ้นง่าย
- 3D450 เกรดหักง่าย ทำเป็น support ในชื่อ Break Away ของหลายๆยี่ห้อ
- 3D850 เกรดทนร้อนแข็ง เหนียว เมื่อนำไปอบหลังพิมพ์เสร็จ
- 3D870 เกรดอุตสาหกรรม มักมีแบรนด์จากยุโรป อเมริกาไปทำเป็นเส้นเกรดโปร ทนร้อนสูง ไม่เปราะ เหนียวมาก
สรุป
ในกรณีของเส้นพลาสติก PLA การใช้งานเดิมๆนั้น มีความแข็งแรงที่ดีที่สุด หากผู้ผลิตมีการระบุว่าเติมสารเคมีอะไร เพื่อเพิ่มความแข็งแรง ก็ควรมีในส่วนผสมหรือ MSDS ให้ชัดเจน หากไม่มีก็เหมือนเป็นแค่การตลาดเท่านั้น ไม่ได้ส่งผลต่อความแข็งแรงจริงๆ ส่วนความเชื่อผิดๆที่ว่าเส้นใยคาร์บอนเสริมแรงนั้น ไม่สามารถใช้กับ PLA ได้ ต้องไปใช้กับวัสดุที่มีความเหนียว เช่น ABS PC หรือ Nylon ในกลุ่มนี้จะเสริมแรงได้จริงๆ หวังว่าทุกท่านจะเข้าใจการเลือกวัสดุ PLA มากยิ่งขึ้น
ที่มาและผลทดสอบ : Mechanical characteristics of wood, ceramic, metal and carbon fiber-based PLA composites fabricated by FDM
