วัสดุส่วนใหญ่ที่นำมาใช้สำหรับเครื่อง 3D Printer นั้นมี 2 ลักษณะด้วยกัน คือ แบบเส้นพลาสติก (Filament) และแบบของเหลวเรซิน (Resin) ซึ่งวัสดุที่สามารถยืดหยุ่น ให้การสัมผัสที่คล้ายยาง และคืนรูปได้เมื่อมีแรงมากระทำ โดยส่วนใหญ่จะใช้คำว่า Flexible นำหน้า หรือเป็นชื่อเฉพาะทาง โดยสมบัติหรือความแข็งแรงนั้นขึ้นอยู่กับผู้ผลิตว่าต้องการสมบัติเด่นด้านใด มีตั้งแต่แข็งแรง จนไปถึงอ่อนนุ่มเหมือนยางธรรมชาติที่ไม่ผสมสารเติมแต่ง ดังนั้นบทความนี้จะแนะนำวัสดุประเภทยืดหยุ่นที่มีในปัจจุบัน
ยางธรรมชาติคือวัสดุประเภทใด นำมาปริ้น 3D ได้มั้ย
ยางธรรมชาติจัดอยู่ในวัสดุประเภทอีลาสโตเมอร์ (Elastomer) มีทั้งความยืดหยุ่นและแข็งแรงในตัว โดยเมื่อขึ้นรูปแล้วไม่สามารถนำมารีไซเคิลได้ ปกติมักบอกสมบัติเป็นค่าความทนต่อการยืดดึง (Tensile Strength) ความสามารถในการยืดตัวกี่% (Elongation) หรือค่าความแข็ง (Shore) ปัจจุบันยางธรรมชาติยังไม่สามารถนำมาใช้กับเครื่อง 3D Printer ทางการค้าได้ มีแต่ส่วนของการวิจัยที่อยู่ในช่วงเริ่มต้นการศึกษา ดังนั้นจึงมีวัสดุอื่นๆ เข้ามาเพื่อเลียนแบบสมบัติของยางธรรมชาติ
1. วัสดุยืดหยุ่นได้เป็นอย่างไร
- มีลักษณะยืดดึงได้มากกว่าปกติ โดยไม่ฉีกขาด เช่น หนังยาง หนังสติ๊ก โดยพลาสติกทั่วไปมีสมบัติเด่นด้านนี้อยู่แล้ว แต่วัสดุในกลุ่มที่เลียนแบบยางธรรมชาติเช่น Thermoplastic Polyurethane (TPU) จะยืดดึงได้มากกว่าปกติ (Elongation มากกว่า 100%)
- TPU มีระดับความยืดหยุ่นที่สูงกว่าวัสดุชนิดอื่นๆ ไม่ว่าจะเป็น PLA และ ABS บางยี่ห้อสามารถยืดได้ถึง 6 เท่า เช่น ชิ้นงานยาว 10 cm สามารถยืดได้ถึง 60 cm ก่อนที่จะขาด !
2. คุณสมบัติทั่วไป
จุดเด่นของวัสดุประเภท TPU TPE หรือ Flexible ตามแต่ผู้ผลิตเรียก นอกจากความยืดหยุ่นที่สูงกว่าปกติแล้ว ยังมีจุดเด่นตรงที่ต้านการขัดถูได้สูงมาก (Abrasive resistance) รวมถึงสารเคมีหลายชนิด ดังนั้นจึงเหมาะกับผลิตเป็นพวก ซีล ประเก็น หรือวัสดุที่ต้องโดนสารเคมีหลากหลายชนิด
นอกจากนี้ยังมีการแบ่งวัสดุประเภท flexible จากความนิ่มของชิ้นงาน หรือที่เรียกว่า Shore Hardness โดยใช้เครื่องวัดความแข็งแบบชอร์ (Shore Hardness Tester หรือ Durometer Hardness) จะวัดความแข็งของวัสดุในเชิงของความยืดหยุ่น ความสามารถในการต้านทานของแรงกดที่กดลงไปในวัสดุ จะเป็นมาตรวัดที่ใช้ในระดับสากลเพื่อวัดความแข็งหรือนิ่มของยางที่ยืดหยุ่นได้ (flexible rubber) ตั้งแต่ระดับที่นิ่มและยืดหยุ่นมาก, แข็งปานกลางแต่ยังพอยืดหยุ่นได้ ไปจนถึง แข็งมากและไม่สามารถความยืดหยุ่นได้ การทดสอบจะทำได้โดยการกดหัวทดสอบลงไปที่วัสดุ แล้ววัดระยะดังกล่าวแสดงค่าออกมาเป็นตัวเลข 0 -100 โดยสเกลที่ใช้สำหรับวัดจะอ้างอิงจากมาตรฐาน ISO และ ASTM ค่าความแข็งของยาง พอลิเมอร์ และพลาสติกจะถูกวัดค่าเป็นหน่วย Shore A หรือ Shore D มีค่าเป็น 0 -100 สเกล A หรือ D พลาสติกที่อ่อนและมีความยืดหยุ่นสูงให้วัดด้วยสเกล A หรือมีหน่วยเป็น Shore A เช่น ยาง อิลาสโตเมอร์ ไวนิล เป็นต้น ส่วนยางหรือพลาสติกที่แข็งกว่าจะวัดค่าด้วยสเกล D ตามมาตรฐาน ISO หากวัดออกมาในสเกล A ได้มากกว่า 90 ควรเปลี่ยนไปใช้สเกล D เนื่องจากวัสดุอาจจะแข็งไปเมื่อวัดด้วยสเกล A และในทางกลับกันถ้าวัดด้วยสเกล D ได้น้อยกว่า 20 ให้เปลี่ยนไปใช้สเกล A แทน
TPU filament สามารถทนต่อการขีดข่วน ทนต่อแรงกระแทก และทนต่อสารเคมีหลายชนิด และใช้ในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้หลากหลาย มีวัสดุ TPU รุ่นต่าง ๆ จากผู้ผลิตหลายแบรนด์ บางครั้งสามารถจัดให้วัสดุ TPU และ TPE ซึ่งมีคุณสมบัติใกล้เคียงกันมาก จึงเป็นวัสดุที่ใช้ทดแทนกันได้ โดยราคาของ Flexible filament ประมาณ 2,500 – 4,000 บาท
TPU จากแบรนด์ NinjaFlex
3DXFLEX™ TPE 3D Printing Filament made using PEBAX® elastomer
3. Flexible Material
วัสดุประเภท Flexible 3D Printing ยังได้รับความนิยมอย่างกว้างขวาง ทำให้มีการผลิตออกมาในรูปแบบเส้นพลาสติก หรือที่คุ้นชินในชื่อ Flexible filament เช่น TPU, TPE เป็นต้น โดยเส้นวัสดุนี้มีความยืดหยุ่นเหมือนยาง สามารถพิมพ์ชิ้นงานได้ด้วยเครื่อง 3D Printer และเมื่อพิมพ์ออกมาแล้วจะมีความนุ่มนิ่ม บีบได้ และคืนรูปกลับมาสู่สภาพเดิม เหมาะสำหรับการนำไปใช้ประโยชน์ด้านต่างๆ เช่น ทำอุปกรณ์ทางการแพทย์, ยานยนต์, อิเล็กทรอนิกส์, ของเล่น, รองเท้า, เคสมือถือ, Wearable Devices เป็นต้น แต่ข้อจำกัดของการผลิตจากประเภทนี้ คือจะพิมพ์ยากกว่าพลาสติกชนิดอื่นๆ และอาจเป็นบางเครื่องพิมพ์บางชนิด เนื่องจากเส้นมีความนิ่มมาก อีกทั้งยังสามารถดูดความชื้นได้ดีและเร็ว ยิ่งทำให้การพิมพ์เป็นปัญหามากเพิ่มขึ้น ซึ่งต้องใช้ความเร็วในการพิมพ์ค่อนข้างต่ำหรือช้าๆ
Flexible Filament 3D Printing ที่มีจำหน่ายในปัจจุบันและสามารถหาซื้อได้อย่างง่ายดาย โดยมีผู้ผลิตและผู้จำหน่าย ดังนี้
ตัวอย่าง การนำไปใช้งาน
ในปี 2015 มีความร่วมมือระหว่าง Department of Defense (DoD) และ FlexTech สำหรับการใช้วัสดุ Flexible Hybrid เพื่อผลิตอุปกรณ์ Electronics โดยใช้เครื่อง 3D Printer ในการผลิต ซึ่งวัสดุ Flexible Hybrid ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อรองรับการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทริกและตัวนำ (dielectric and conductor) สำหรับใช้ในการสื่อสารทางทหาร คล้ายกับเสารับสัญญาณ, ระบบไฟฟ้าและอิเลคโทรนิคของเครื่องบิน และไมโครเวฟ
(https://3dprint.com/268799/afrl-providing-154m-in-funding-to-nextflex-to-advance-flexible-hybrid-electronics/)
หน้ากากป้องกันเพื่อสุขอนามัย Mask 3D Printing วัสดุที่นำมาใช้ให้ความยืดหยุ่นได้ดี เป็นวัสดุในกลุ่ม flexible ใช้เวลาไม่กี่ชั่วโมงในการผลิต แม้กระทั่งในช่วงเกิดโรคระบาด Covid 19 ทั่วโลก ทำให้ Bellus Face Mask ได้รับความนิยมโดยใช้วัสดุ flexible 3D printing resin หรือวัสดุอื่นๆ ที่คล้ายยาง
4. 3D Printer Setting
การพิมพ์ 3 มิติด้วยเส้นพลาสติกประเภท Flexible เป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องเข้าใจจุดแข็งและจุดอ่อนของลักษณะวัสดุนั้นๆ เพื่องานพิมพ์จะได้ไม่เกิดความเสียหาย และไม่สิ้นเปลืองวัสดุ เพราะทั้งหมดจะส่งผลต่อค่าใช้จ่ายและต้นทุนในการผลิต (Cost Printed) การตั้งค่าพื้นฐานเครื่อง 3D Printer คือ
- Nozzle temperature 220 – 250 °C
- Heated bed up to 60 °C
- Retraction 0-0.5 mm
Resin 3D Printer LCD
5. 3D Printer ที่รองรับ
Flexible 3d printing สำหรับใช้เส้นพลาสติก หรือ Filament จากแบรนด์ต่างๆ จะมีการกำหนดเงื่อนไข เพื่อการพิมพ์ 3 มิติที่สมบูรณ์ โดยทั่วไปเครื่อง 3D Printer ระบบ FDM (Fused Deposition Modeling) ที่สามารถใช้งานได้ เช่น
- Sync C series
- Raise 3D Pro 2 และ 2+
- Raise 3D E2
- อื่นๆ
Flexible Resin 3d printing สำหรับที่ใช้จอ LCD หรือการฉายแสง เป็นระบบ SLA (Stereolithography) มีความละเอียดและแม่นยำสูง ช่วยให้ทำงานได้ง่ายและสะดวกมากยิ่งขึ้น ทำให้ Flexible Resin มีการกำหนดเงื่อนไขในการพิมพ์ 3 มิติที่หลากหลายแต่ยังคงครอบคลุมถึงเครื่องพิมพ์ที่มีอยู่ทั่วๆ ไป
บทความที่เกี่ยวข้อง บทบาทของเทคโนโลยี 3D Printing ในสถานการณ์ Covid-19
