composite materials หรือภาษาวิชาการเรียกว่าวัสดุประกอบ คือวัสดุที่มีการผสมวัสดุต่างๆ ตั้งแต่ 2 ชนิด ชนิดเข้าด้วยกัน เพื่อ วัตถุประสงค์ตั้งแต่ ลดต้นทุนการผลิต เพิ่มความแข็งแรง หรือเสริมสมบัติพิเศษ จะแตกต่างกับการผสมสารเคมีทั่วๆไป คือวัสดุทั้ง 2 ชนิดจะไม่รวมตัวกัน สามารถแยกได้ โดยใช้กระบวนการต่างๆ เช่น กระบวนการทางเคมี (ละลาย) หรือทางฟิสิกส์ (เผา) ยกตัวอย่างเช่น
- พลาสติกผสมผงโลหะ (ผงทองแดง ผงโลหะ ผงสแตนเลส)
- พลาสติกผสมเซรามิกส์ (เส้นใยแก้ว เส้นใยคาร์บอน)
- พลาสติกผสมผงแคลเซียม แป้ง
Composite Materials
วัสดุหลัก
วัสดุเติม
การใช้งานกับเครื่อง FDM 3D Printer
เครื่องพิมพ์ 3 มิติ แบบใช้เส้นพลาสติก Filament หรือ FDM 3D Printer เป็นเครื่องที่มีทั้งระดับคนเริ่มต้นใช้งาน Maker DIY จนไปถึงระดับอุตสาหกรรมหลักหลายล้านบาท เนื่องจากการทำงานไม่ซับซ้อน มีวัสดุรองรับที่หลากหลาย และราคาถูกกว่าวัสดุประเภทอื่นๆ ทั้งนี้วัสดุ Composite สำหรับเครื่องดังกล่าว มักจะเป็นการผสมวัสดุกลุ่มเซรามิกส์ เข้ากับตัวเนื้อเพื่อวัตถุประสงค์ด้านการเพิ่มความแข็งแรงเป็นหลัก
- วัสดุเซรามิกส์ที่นำมาผสมเช่น เส้นใยแก้วทั้งแบบสั้น (short glass fiber) ต่อเนื่อง (continuous glass fiber) เส้นใยคาร์บอน (carbon fiber) หรือเส้นใยอารามิด (aramid fiber) หรือที่เรียกกันว่า เคฟลาร์
- ตัววัสดุหลักๆคือ PLA PETG ABS PC Nylon หรือ PEEK PEKK ที่เป็นกลุ่มพลาสติกระดับสูง (ใครต้องการอ่านข้อมูลเรื่องเส้นพลาสติกเพิ่ม ไปตามลิ้งนี้ครับ)
การปรับปรุงเครื่อง 3D Printer ให้เหมาะกับการใช้งาน
สำหรับคนที่ใช้เครื่องที่ไม่ได้รองรับวัสดุวิศวกรรมมาตั้งแต่แรก บทความนี้แนะนำให้ตรวจสอบและปรับปรุงก่อนการใช้งาน เพื่อลดปัญหา และความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นได้ขณะการใช้งาน เนื่องจากการขึ้นรูปวัสดุกลุ่มนี้ ต้องใช้อุณหภูมิที่สูงกว่าปกติเพื่อให้เกิดการประสานกันได้ดีระหว่างการพิมพ์ อีกทั้งละอองฝุ่นขนาดเล็ก ที่มากกว่าการพิมพ์ PLA ที่ใช้กันเกิน 100,000 เท่า
- ใช้หัวฉีดที่ทนต่อการเสียดสี (Abrasive resistance) เช่น E3D Nozzle X, Micro Swiss Harded steel
- ใช้เซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิหัวฉีดที่รองรับ 300-500 องศาเซลเซียส เช่น PT-100 หรือ Type K เพื่อให้การตั้งค่าอุณหภูมิแม่นยำ ตามที่ต้องการ
- ติดตั้งระบบกรองอากาศ เนื่องจากขณะการพิมพ์จะมีฝุ่นผง (particle) ขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งเป็นอันตรายต่อผู้ใช้
- ปรับปรุงระบบระบายความร้อนให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากอุณหภูมิที่ใช้จะสูงกว่าปกติมาก โดยเฉพาะวัสดุ PC Nylon และ PEEK
- หากสามารถติดตั้ง ระบบทำความร้อนที่ห้องพิมพ์ (Heating Chamber) ที่ควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในช่วง 80-100 องศาเซลเซียส ได้ จะช่วยให้ชิ้นงานมีความแข็งแรงมากยิ่งขึ้น
ชนิดของเส้นพลาสติกที่นำมาเปรียบเทียบ
เนื่องจากพลาสติกแต่ละยี่ห้อ แต่ละผู้ผลิตมีความสมบัติและความแข็งแรงที่ แตกต่างกัน ดังนั้นเพื่อให้เปรียบเทียบกันได้ง่ายจึงเลือกใช้เส้นจากบริษัท 3DXTech บริษัทเดียว จากประเทศอเมริกา ที่มีเส้นสำหรับงานทางวิศวกรรม ทั้งเริ่มต้นจนไปถึงวัสดุความแข็งแรงสูง หลากหลายชนิด ดังนั้นข้อมูลทุกอย่างในบทความนี้เป็นข้อมูล Official จากทางผู้ผลิต สามารถสั่งซื้อได้เลยตามลิ้ง
PLA CF20 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 20%)
PETG CF20 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 20%)
ABS CF20 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 20%)
PC CF20 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 20%)
Nylon CF20 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 20%)
PEKK Industrial CF15 (ผสมเส้นใยคาร์บอน 15%)
ผลเปรียบเทียบชิ้นงานทดสอบจากเครื่อง FDM 3D Printer
สำหรับท่านใดที่ต้องการทราบเรื่องการทดสอบความแข็งแรงตามมาตรฐานวิศวกรรม เข้าไปดูได้ในลิ้งนี้
ผลทดสอบแรงดึง แบ่งออกเป็น 3 กลุ่มใหญ่ๆคือ
- กลุ่มแรก PLA PETG และ ABS อยู่ในระดับเริ่มต้น ABS จะดูด้อยที่สุด
- กลุ่มถัดมาคือ PC และ Nylon ซึ่ง PC จะแข็งแรงกว่าในการทดสอบนี้
- กลุ่มสุดท้ายคือ PEKK หรือ PEEK ที่มากกว่า ABS 3 เท่าเลย
สำหรับการเติมเส้นใยเสริมแรงพวกคาร์บอน หรือเส้นใยแก้วลงไปในเส้นพลาสติกสำหรับเครื่อง FDM 3D Printer สิ่งที่ตามมาคือ ถึงแม้จะมีความแข็งแรงมากขึ้น เหนียวขึ้น แต่หากมีแรงที่มากเกินวัสดุหรือชิ้นงานจะรับได้ จะแตกหรือเสียหายอย่างเร็ว ดูได้จากระยะยืดตัวที่ดูไม่แตกต่างกันเลยในแต่ละวัสดุ (วัสดุจะดูดซับแรกได้น้อยลง)
ถัดมาคือการทดสอบแรงดัด ที่ดูแล้วจะเกาะกลุ่มกันหมดสำหรับวัสดุวิศวกรรมทั่วๆไป ดังนั้นใครที่ออกแบบชิ้นงานเพื่อรับน้ำหนักในกลุ่มนี้ สามารถเลือกใช้วัสดุใดก็ได้ (ยกเว้น PEKK ที่ราคาสูง)
ถึงแม้วัสดุ Composite จะเติมสารบางตัวที่ทนร้อนเป็นหลัก 1,000 องศาเซลเซียสเข้าไป แต่ก็ไม่ได้ช่วยให้วัสดุหลักมีการต้านต่อความร้อนที่ดีขึ้น ดูได้จาก PLA ที่ยังใช้งานได้อยู่ราวๆ 40-50 องศาเซลเซียสเหมือนเดิม
เส้นใยคาร์บอน VS เส้นใยแก้ว Compiste Materials ตัวไหนดี ?
สำหรับคนที่สงสัยว่า เวลาไหนถึงจะใช้เส้นใยแก้ว เวลาไหนถึงจะใช้เส้นใยคาร์บอน ในความเป็นจริงวัสดุ Filament สำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ นั้น ผู้ใช้คงไม่ได้มีตัวเลือกมานัก เนื่องจากมีไม่กี่ยี่ห้อในปัจจุบันที่มีเส้นใยแก้วให้เลือกใช้ โดยข้อดี-ข้อเสียของวัสดุแต่ละชนิด มีดังนี้
- Glass fiber มีการดูดซับแรงที่ดีกว่า Carbon fiber ดังนั้นจึงเสริมวัสดุให้มีความต้านทานแรงดัด หรือแรงเฉือน ได้ดีกว่า
- Glass fiber มีความหนาแน่นสูงกว่า Carbon Fiber เกือบ 2 เท่า ดังนั้น ชิ้นงานจึงมีน้ำหนักมาก ไม่เหมาะกับงานอากาศยาน ยานยนต์ ที่ต้องการน้ำหนักเบา
- Glass fiber มีความเป็น Isotropic มากกว่า Carbon Fiber ดังนั้นการเรียงตัวแบบสุ่มๆในการปริ้นขึ้นรูป ยังเสริมแรงทุกทิศทางได้ดีกว่า
- Glass Fiber ราคาถูกกว่า Carbon Fiber
- Glass Fiber ทำสีได้ง่ายกว่า เนื่องจากเป็นสีขาวจนไปถึงเหลือง เมื่อได้รับความร้อน ส่วน Carbon มีสีดำ ไม่เหมาะกับการนำไปทำสี
- Glass Fiber ดูดความชื้นได้ดีกว่า ดังนั้นต้องมีการควบคุมความชื้นทั้งการจัดเก็บและขณะพิมพ์มากกว่า
สรุป
สำหรับผู้เขียนมองว่า PLA + เส้นคาร์บอนหรือเส้นใยแก้ว 10-20%น่าจะตอบโจทย์ผู้ใช้งาน ที่ต้องการวัสดุที่พิมพ์ได้ง่าย ความแข็งแรงแรงไม่ด้อยกว่า ABS อย่างไรก็ตามพลาสติกหลักคือ PLA ที่ใช้ตอนนี้ยังเป็นเกรดที่ไม่เหมาะกับงานวิศวกรรม หากมีผู้ผลิตใดใช้ของ Naturework 3D850 หรือ 3D870 น่าจะดีขึ้นมาก ส่วนใครที่จะขยับขึ้นมาต้องการใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่าปกติ โดยไม่ต้องมีการ post processing มากก็คงเป็น PETG+ เส้นใยคาร์บอน ที่ความแข็งแรงโดยรวมสูงกว่า ABS แต่ปริ้นง่ายกว่า
อ่านพิ่มเติม
รีวิวเทคโนโลยี Composite 3D Printer ในปัจจุบัน
