1. วัสดุคอมโพสิตคืออะไร (Composite Materials)
ขอยกข้อมูลของบทความเก่าขึ้นมาอีกทีกับวัสดุ composite หรือภาษาวิชาการเรียกว่าวัสดุประกอบ คือวัสดุที่มีการผสมวัสดุต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิด ชนิดเข้าด้วยกัน เพื่อ วัตถุประสงค์ตั้งแต่ ลดต้นทุนการผลิต เพิ่มความแข็งแรง หรือเสริมสมบัติพิเศษ จะแตกต่างกับการผสมสารเคมีทั่วๆไป คือวัสดุทั้ง 2 ชนิดจะไม่รวมตัวกัน สามารถแยกได้ โดยใช้กระบวนการต่างๆได้ เช่น กระบวนการทางเคมี (ละลาย) หรือทางฟิสิกส์ (เผา) รายละเอียดอื่นๆ อ่านเพิ่มเติมได้ที่บทความ”Composite Materials สำหรับเครื่อง FDM 3D Printer” ในบทความนี้เน้นไปที่วัสดุคอมโพสิตเชิงวิศวกรรมทีมีวัตถุประสงค์เพื่มความแข็งแรงเป็นหลัก
2. เทคโนโลยีของ Composite 3D Printer
ปัจจุบันความต้องการนำผลิตภัณฑ์ หรือชิ้นงานที่ได้จากเครื่อง 3D Printer ไปใช้งานมีมากขึ้น ทั้งเป็นผลิตภัณฑ์เพื่อจำหน่ายจริง และช่วยในการผลิต ซึ่งผู้ใช้ต้องคำนึงถึงความแข็งแรงของวัสดุ ดังนั้นวัสดุในกลุ่มคอมโพสิตที่มีสมบัติเด่นด้านความแข็งแรง สมบัติทางกลจึงเข้ามามีบทบาทมากขึ้น วัสดุคอมโพสิตดังกล่าวมีอยู่ด้วยกันหลายรูปแบบ ในบทความนี้จะกล่าวเฉพาะคอมโพสิตสำหรับเทคโนโลยี Materials Extrusion หรือเรียกกันโดยทั่วไปว่า FDM
2.1 Composite Filament
เป็นรูปแบบที่เห็นมากที่สุดในปัจจุบัน โดยผสมสารเสริมแรงเช่น เส้นใยคาร์บอน (Carbon Fiber) เส้นในแก้ว (Glass Fiber) หรือเส้นใยอารามิด (Aramid Fiber) เข้ากับวัสดุหลักแล้วรีดออกมาเป็นเส้น (Filament) พร้อมใช้งาน ซึ่งสามารถใช้กับเครื่อง FDM ที่มีในท้องตลาดได้ทั้งหมด โดยปรับเปลี่ยนอุปกรณ์ในการขับเส้น และหัวฉีดให้แข้งแรงทนทานมากขึ้น เพื่อรองรับการเสียดสีจากการฉีดพลาสติกที่ผสมเส้นใย เส้นที่พบได้ในปัจจุบัน ยกตัวอย่างจากยี่ห้อ 3DXTech ที่จำหน่ายเส้นคอมโพสิตคุณภาพสูงหลายชนิด
ตัวอย่างงานพิมพ์จากวัสดุในกลุ่มนี้ จุดเด่นคือรอยต่อระหว่างชั้นจะดีขึ้นแบบเห็นได้ชัด ในบางเครื่องหากใช้ความละเอียด 100-200 ไมครอน แทบจะไม่เห็นรอยต่อ เหมาะสำหรับคนที่ต้องการคุณภาพของผิวที่ดีขึ้นกว่าวัสดุปกติ
เครื่องที่รองรับสามารถใช้ได้ตั้งแต่เครื่องเริ่มต้นไม่กี่พันบาท จนเป็นเครื่องระดับอุตสาหกรรมราคาแพง ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุที่ใช้
- PLA ABS PETG สามารถใช้เครื่องทั่วไปในท้องตลาด โดยเปลี่ยนหัวฉีดให้ทนต่อการเสียดสี เช่น หัวไทเทเนียม หัวเคลือบโลหะแข็ง หัวรูบี้ เป็นต้น
- PC Nylon ต้องใช้เครื่องในระดับสูงขึ้น มีมาตรฐานที่ดีขึ้น เส้นบางยี่ห้องต้องการอุณหภูมิมากกว่า 300 องศาเซลเซียสในการฉีดเส้นพลาสติก
- PEEK และ High Performance พลาสติก ต้องใช้เครื่องเกรดอุตสาหกรรมที่พัฒนามาโดยเฉพาะ
ข้อด้อยของเทคโนโลยีนี้คือ ความยาวของเส้นใยเสริมแรงจะสั้นลงอย่างมาก รวมถึงการจัดเรียงตัวของเส้นใย (Fiber orientation) ก็เป็นแบบสุ่ม ไม่แน่นอน จากกระบวนการผลิต และกระบวนการฉีดโดยเครื่อง 3D Printer ดังนั้นสมบัติการเสริมแรงจะเพิ่มขึ้นไม่สูงมากนัก หากเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆ
2.2 Co-Extrusion
เทคนิคนี้พบได้แต่ในเครื่องระดับอุตสาหกรรมราคาแพง โดยจะมีตัวป้อน 2 ส่วนคือ ส่วนที่เป็นวัสดุหลัก และส่วนที่เป็นเส้นใยเสริมแรง (ที่มาของภาพ:3D printing for continuous fiber reinforced thermoplastic composites: mechanism and performance) ทำให้ได้ชิ้นงานที่มีส่วนของการเสริมแรงต่อเนื่องตามแนวยาว ดังนั้นความแข็งแรงตามทิศทางของเส้นใยจะสูงขึ้นมาก แต่ในด้านตรงข้ามจะให้ผลที่น้อยกว่า หลายผู้ผลิตจะใช้คำว่า “continuous fiber reinforced” แทนคำว่า Co-Extrusion เพราะบางเครื่องช่องทางการฉีดแยกกันระหว่างวัสดุหลักและตัวเส้นใย
ตัวอย่างชิ้นงานจากการพิมพ์จากเครื่อง DIY
ความแข็งแรงของชิ้นงานที่ได้จากเครื่องระดับอุตสาหกรรม เพิ่มขึ้นสูงมากอย่างเห็นได้ชัด เน้นไปที่การใช้งานชิ้นส่วนที่ต้องการทดแทนวัสดุโลหะ หรือผลิตภัณฑ์ที่ต้องการน้ำหนักเบา แต่ความแข็งแรงสูง (ที่มา: https://markforged.com/)
ตัวอย่างของเทคนิคที่มี 2 หัวฉีด โดยหัวฉีดหลักเป็นวัสดุพลาสติก และอีกหัวเป็นเส้นใยเสริมแรง กรณีนี้ตัวเ้สนใยมีโอกาสหัก เสียหายมากกว่า ขณะฉีดขึ้นรูป (ที่มา: Tensile properties and failure behavior of chopped and continuous carbon fiber composites produced by additive manufacturing)
2.3 Laminated Composite
3. ข้อแนะนำด้านเครื่อง Composite 3D Printer ในปัจจุบัน
- กลุ่มแรกคือ Composite Filament ในระดับเริ่มต้นสามารถใช้เครื่องทั่วไปได้เลย โดยเปลี่ยนหัวฉีดให้เหมาะสม
- กลุ่มที่สองสำหรับ Composite Filament ที่ใช้วัสดุระดับสูงขึ้น เช่น PC Nylon ควรใช้เครื่องในระดับ Prosumer ที่มีการทดลองใช้งานจนได้ค่าการพิมพ์ที่เหมาะสม เพื่อลดปัญหาการพิมพ์เสีย คุณภาพการพิมพ์ไม่ได้ตามกำหนด
- กลุ่มที่สาม Composite Filament วัสดุระดับสูงเช่น PEEK Ultem PEI ควรใช้เครื่องที่พัฒนามารองรับวัสดุนี้โดยเฉพาะ ราคาเครื่องแบรนด์ยุโรปจะเริ่มต้นหลักล้านบาทขึ้นไป
- กลุ่มที่สี่ สำหรับเทคนิค continuous fiber หรือ laminate fiber เลือกใช้ตามข้อมูลความต้องการทางวิศวกรรมเป็นหลัก อาจเริ่มต้นจากเครื่องในกลุ่มที่สองเพื่อทดลองใช้งานก่อน เพื่อขยับสู่เครื่องระดับสูงขึ้น
แหล่งข้อมูลจากแบรนด์ชั้นนำด้านเครื่อง Composite 3D Printer โดยเฉพาะ
