รีวิวเทคโนโลยีเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบคอมโพสิตในปัจจุบัน

1. What are Composite Materials?

ขอหยิบยกข้อมูลจากบทความเก่ามานำเสนออีกครั้งเกี่ยวกับวัสดุ Composite หรือที่ภาษาวิชาการเรียกว่า "วัสดุประกอบ" ซึ่งหมายถึงวัสดุที่มีการนำวัสดุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปมาผสมเข้าด้วยกัน โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อลดต้นทุนการผลิต เพิ่มความแข็งแรง หรือเสริมสมบัติพิเศษ โดยจะแตกต่างจากการผสมสารเคมีทั่วไปตรงที่วัสดุทั้ง 2 ชนิดจะไม่รวมตัวเป็นเนื้อเดียวกัน แต่สามารถแยกออกจากกันได้โดยใช้กระบวนการต่างๆ เช่น กระบวนการทางเคมี (ละลาย) หรือทางฟิสิกส์ (เผา) รายละเอียดเพิ่มเติมสามารถอ่านได้ที่บทความ “Composite Materials สำหรับเครื่อง FDM 3D Printer” ในบทความนี้จะเน้นไปที่วัสดุคอมโพสิตเชิงวิศวกรรมที่มุ่งเน้นการเพิ่มความแข็งแรงเป็นหลัก

2. Technology of Composite 3D Printers

ปัจจุบันความต้องการนำผลิตภัณฑ์หรือชิ้นงานจากเครื่อง 3D Printer ไปใช้งานจริงมีมากขึ้น ทั้งในรูปแบบของสินค้าจำหน่ายและอุปกรณ์ช่วยผลิต ซึ่งผู้ใช้จำเป็นต้องคำนึงถึงความแข็งแรงของวัสดุ ดังนั้นวัสดุในกลุ่มคอมโพสิตที่มีสมบัติเด่นด้านความแข็งแรงและสมบัติทางกลจึงมีบทบาทมากขึ้น วัสดุคอมโพสิตเหล่านี้มีหลายรูปแบบ โดยในบทความนี้จะกล่าวถึงเฉพาะคอมโพสิตสำหรับเทคโนโลยี Materials Extrusion หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า FDM

2.1 Composite Filament

เป็นรูปแบบที่พบเห็นได้มากที่สุดในปัจจุบัน โดยการผสมสารเสริมแรง เช่น เส้นใยคาร์บอน (Carbon Fiber), เส้นใยแก้ว (Glass Fiber) หรือเส้นใยอารามิด (Aramid Fiber) เข้ากับวัสดุหลักแล้วรีดออกมาเป็นเส้น (Filament) พร้อมใช้งาน ซึ่งสามารถใช้กับเครื่อง FDM ที่มีในท้องตลาดได้ทั้งหมด โดยต้องปรับเปลี่ยนอุปกรณ์ขับเส้นและหัวฉีดให้มีความแข็งแรงทนทานมากขึ้น เพื่อรองรับการเสียดสีจากการฉีดพลาสติกที่ผสมเส้นใย ตัวอย่างเส้นใยที่พบได้ในปัจจุบัน เช่น ผลิตภัณฑ์จากแบรนด์ 3DXTech ที่จำหน่ายเส้นคอมโพสิตคุณภาพสูงหลากหลายชนิด

ตัวอย่างงานพิมพ์จากวัสดุในกลุ่มนี้ จุดเด่นคือรอยต่อระหว่างชั้นจะดีขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ในบางเครื่องหากใช้ความละเอียด 100-200 ไมครอน จะแทบไม่เห็นรอยต่อ เหมาะสำหรับผู้ที่ต้องการคุณภาพผิวงานที่ดีกว่าวัสดุปกติ


PLA+CF 20%	PEEK+GF20%

เครื่องที่รองรับมีตั้งแต่ระดับเริ่มต้นราคาไม่กี่พันบาท ไปจนถึงระดับอุตสาหกรรมราคาสูง ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุที่ใช้

PLA, ABS, PETG สามารถใช้เครื่องทั่วไปในท้องตลาดได้ เพียงแค่เปลี่ยนหัวฉีดให้ทนทานต่อการเสียดสี เช่น หัวไทเทเนียม, หัวเคลือบโลหะแข็ง หรือหัวรูบี้ เป็นต้น
PC, Nylon ต้องใช้เครื่องระดับสูงขึ้นและมีมาตรฐานดีขึ้น เส้นใยบางยี่ห้อต้องการอุณหภูมิในการฉีดพลาสติกมากกว่า 300 องศาเซลเซียส
PEEK และพลาสติกสมรรถนะสูง (High Performance) ต้องใช้เครื่องเกรดอุตสาหกรรมที่พัฒนามาโดยเฉพาะ

ข้อด้อยของเทคโนโลยีนี้คือ ความยาวของเส้นใยเสริมแรงจะสั้นลงอย่างมาก รวมถึงการจัดเรียงตัวของเส้นใย (Fiber orientation) ที่เป็นแบบสุ่มและไม่แน่นอนจากกระบวนการผลิตและการฉีดของเครื่อง 3D Printer ดังนั้นสมบัติการเสริมแรงจึงเพิ่มขึ้นไม่สูงมากนักเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีอื่น

สรุป

เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ได้กับทุกเครื่องในท้องตลาด วัสดุราคาไม่แพง เหมาะสำหรับผู้ที่ต้องการความแข็งแรงเพิ่มขึ้นจากการพิมพ์ปกติทั่วไป

2.2 Co-Extrusion

เทคนิคนี้พบได้ในเครื่องระดับอุตสาหกรรมราคาสูง โดยจะมีระบบป้อน 2 ส่วน คือส่วนของวัสดุหลักและส่วนของเส้นใยเสริมแรง (ที่มาของภาพ: 3D printing for continuous fiber reinforced thermoplastic composites: mechanism and performance) ทำให้ได้ชิ้นงานที่มีส่วนเสริมแรงต่อเนื่องตามแนวยาว ความแข็งแรงตามทิศทางของเส้นใยจึงสูงขึ้นมาก ในทางกลับกันจะมีผลในทิศทางอื่นน้อยกว่า ผู้ผลิตหลายรายใช้คำว่า “continuous fiber reinforced” แทนคำว่า Co-Extrusion เนื่องจากบางเครื่องมีช่องทางการฉีดแยกกันระหว่างวัสดุหลักและเส้นใยเสริมแรง

ตัวอย่างชิ้นงานจากการพิมพ์จากเครื่อง DIY

ความแข็งแรงของชิ้นงานที่ได้จากเครื่องระดับอุตสาหกรรมเพิ่มขึ้นสูงมากอย่างชัดเจน เน้นการใช้งานชิ้นส่วนที่ต้องการทดแทนวัสดุโลหะ หรือผลิตภัณฑ์ที่ต้องการน้ำหนักเบาแต่มีความแข็งแรงสูง (ที่มา: https://markforged.com/)

ตัวอย่างของเทคนิคที่มี 2 หัวฉีด โดยหัวฉีดหลักเป็นวัสดุพลาสติกและอีกหัวเป็นเส้นใยเสริมแรง กรณีนี้เส้นใยมีโอกาสหักหรือเสียหายได้มากกว่าในระหว่างการฉีดขึ้นรูป (ที่มา: Tensile properties and failure behavior of chopped and continuous carbon fiber composites produced by additive manufacturing)

สรุป

เป็นเทคนิคที่เพิ่มความแข็งแรงได้สูงมาก สามารถกำหนดจุดที่ต้องการความแข็งแรงได้ผ่านซอฟต์แวร์ แต่ทั้งเครื่องและวัสดุที่รองรับมีราคาสูง เหมาะสำหรับภาคอุตสาหกรรม หรือผลิตภัณฑ์ที่ต้องการความแข็งแรงมากกว่าปกติ

2.3 Laminated Composite

เทคโนโลยีนี้ใช้เส้นใยเสริมแรงที่ถักทอเป็นผืนแล้วรีดลงบนชิ้นงานเป็นชั้นๆ ในบริเวณที่ต้องการ คล้ายกับการแปะเทปกาวในจุดที่ต้องการ ดังวีดีโอของ Desktop Metal ข้อดีที่สุดคือเส้นใยที่ถักทอเป็นผืนมีความแข็งแรงมากกว่าแบบ Continuous และมีสมบัติการรับแรงใกล้เคียงกันทุกทิศทาง ช่วยลดปัญหาการเกิดช่องว่าง (Void) ที่เกิดจากความเข้ากันไม่ได้ระหว่างวัสดุหลักและเส้นใย (อ่านรายละเอียดเพิ่มเติมเรื่อง Void ได้ที่บทความ Voids in fiber-reinforced polymer composites: A review on their formation, characteristics, and effects on mechanical performance)

สรุป

เป็นเทคโนโลยี 3D Printer คอมโพสิตที่ดีที่สุดในปัจจุบัน แต่มีราคาและการลงทุนที่สูงมาก ทั้งตัวเครื่อง วัสดุ และการบำรุงรักษา

3. คำแนะนำเกี่ยวกับเครื่อง Composite 3D Printer ในปัจจุบัน

กลุ่มแรก คือ Composite Filament ระดับเริ่มต้น สามารถใช้เครื่องทั่วไปได้เลยเพียงแค่เปลี่ยนหัวฉีดให้เหมาะสม
กลุ่มที่สอง สำหรับ Composite Filament ที่ใช้วัสดุระดับสูงขึ้น เช่น PC, Nylon ควรใช้เครื่องในระดับ Prosumer ที่ผ่านการทดลองใช้งานจนได้ค่าการพิมพ์ที่แม่นยำ เพื่อลดปัญหาการพิมพ์เสียหรืองานไม่ได้คุณภาพ
กลุ่มที่สาม Composite Filament วัสดุระดับสูง เช่น PEEK, Ultem, PEI ควรใช้เครื่องที่ถูกพัฒนามาเพื่อรองรับวัสดุเหล่านี้โดยเฉพาะ โดยราคาเครื่องแบรนด์ยุโรปจะเริ่มต้นที่หลักล้านบาทขึ้นไป
กลุ่มที่สี่ สำหรับเทคนิค continuous fiber หรือ laminate fiber ให้เลือกใช้ตามข้อมูลความต้องการทางวิศวกรรมเป็นหลัก โดยอาจเริ่มต้นจากเครื่องในกลุ่มที่สองเพื่อทดลองใช้งานก่อน ก่อนที่จะขยับไปสู่เครื่องระดับที่สูงขึ้น