ในฐานะซัพพลายเออร์ชิ้นส่วนโมเดลการพิมพ์ 3 มิติ ฉันใช้เวลาห้าปีที่ผ่านมาในการแก้ไขปัญหาโครงการสำหรับลูกค้าตั้งแต่บริษัทสตาร์ทอัพด้านการบินและอวกาศไปจนถึงทีมหุ่นยนต์ และคำถามหนึ่งก็ผุดขึ้นมามากกว่าคำถามอื่นๆ: “ฉันจะพิมพ์ชิ้นส่วนที่แข็งและเชื่อถือได้ซึ่งไม่งอ ร้าว หรือล้มเหลวเมื่อโหลดได้อย่างไร” ไม่ใช่คำถามหลอกๆ ความแข็งในชิ้นส่วนที่พิมพ์แบบ 3D ขึ้นอยู่กับการเลือกวัสดุที่ "แข็ง" น้อยกว่ามาก และขึ้นอยู่กับวัสดุศาสตร์ที่ตรงกัน การตั้งค่าเครื่องพิมพ์ และการออกแบบให้เหมาะกับโหลดเฉพาะที่ชิ้นส่วนของคุณจะต้องเผชิญ ฉันเคยเห็นโปรเจ็กต์ดีๆ ตกรางเพราะนักออกแบบหันไปหาวัสดุที่แข็ง เช่น ABS หรือ PETG เพียงเพื่อปรับแต่งการตั้งค่าผิดหรือตัดมุมในการวางแนว ส่งผลให้ชิ้นส่วนโค้งงอต่ำกว่าเสี้ยวหนึ่งของน้ำหนักบรรทุกที่คาดหวัง วันนี้ ฉันกำลังแจกแจงขั้นตอนที่เป็นประโยชน์และอิงหลักวิทยาศาสตร์ที่เราใช้ที่นี่เพื่อส่งมอบชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติที่มีความแข็งสูง ซึ่งสามารถใช้งานได้จริงโดยไม่จำเป็นต้องคาดเดา
ก่อนอื่น เรามาพูดถึงรากฐานกันก่อน: การเลือกวัสดุที่มีความแข็งสูงที่เหมาะสม วัสดุที่มีความแข็งไม่ได้ถูกสร้างขึ้นมาเท่ากันทั้งหมด และการเลือกวัสดุที่ไม่ถูกต้องถือเป็นความผิดพลาดครั้งใหญ่ที่สุดที่เราเห็นจากลูกค้า สำหรับเราชิ้นส่วนโมเดลการพิมพ์ 3 มิติลูกค้า เรามักจะเริ่มต้นด้วยความเหมาะสมของวัสดุสำหรับการประยุกต์ใช้งานเสมอ สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องการความแข็งแกร่งเป็นพิเศษ เช่น ขายึดแขนหุ่นยนต์ โครงสร้างต้นแบบการบินและอวกาศ หรือตัวเรือนแบบกำหนดเองสำหรับอุปกรณ์อุตสาหกรรม เทอร์โมพลาสติกที่มีโมดูลัสแรงดึงสูงนั้นไม่สามารถต่อรองได้ ABS เป็นวัสดุคลาสสิกที่นิยมใช้ที่นี่ โดยมีโมดูลัสแรงดึงประมาณ 2.2 GPa ซึ่งหมายความว่าทนทานต่อการยืดและการโค้งงอได้มากกว่าวัสดุที่มีความยืดหยุ่นมากกว่า เช่น TPU เราใช้ของเราเป็นประจำบริการการพิมพ์ 3 มิติต้นแบบอย่างรวดเร็วของพลาสติก ABSเส้นสำหรับชิ้นส่วนเหล่านี้ กระบวนการ SLA (Stereolithography) ที่เราใช้บ่มเรซิน ABS ให้เป็นชิ้นส่วนที่มีการจัดตำแหน่งโมเลกุลสม่ำเสมอ โดยกำจัด "การยืดหยุ่นของเลเยอร์ไลน์" ซึ่งพบได้ทั่วไปในงานพิมพ์ FDM คุณภาพต่ำ สำหรับชิ้นส่วนทางการแพทย์ที่ต้องการทั้งความแข็งและความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (เช่น อุปกรณ์นำการผ่าตัดหรืออุปกรณ์ยึดเทียม) เราจะหันมาใช้เรซิน SLA เฉพาะทางที่มีโมดูลัสแรงดึง 3.5 GPa และของเราการพิมพ์ SLA 3D สำหรับชิ้นส่วนทางการแพทย์การบริการทำให้มั่นใจได้ว่าทุกชิ้นส่วนเป็นไปตามมาตรฐานความเข้ากันได้ทางชีวภาพของ ISO โดยไม่สูญเสียความแข็งแกร่ง แม้แต่โครงการเฉพาะกลุ่มเช่นเราที่อยู่อาศัยมือหุ่นยนต์แบบกำหนดเองสำหรับหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์และหุ่นยนต์ที่กระฉับกระเฉงเราเลือกเรซินคล้าย ABS ที่มีความแข็งสูง ซึ่งรองรับแรงบิดและการกระแทกซ้ำๆ ของข้อต่อหุ่นยนต์ หมายเหตุสั้นๆ ที่นี่: หลีกเลี่ยงเรซินที่มี "ความแข็งสูง" ที่วางตลาดสำหรับชิ้นส่วนตกแต่งขนาดเล็กเท่านั้น ซึ่งส่วนใหญ่ใช้สารตัวเติมที่ทำให้แข็งแต่เปราะ มีแนวโน้มที่จะแตกหักแม้รับน้ำหนักเพียงเล็กน้อย เราทดสอบตัวอย่างวัสดุเพื่อหาโมดูลัสแรงดึงและแรงดัดงอก่อนประมวลผลคำสั่งซื้อใดๆ เสมอ ดังนั้นคุณจึงไม่เสียเวลากับชิ้นส่วนที่ดูแข็งแต่ใช้งานไม่ได้
ขั้นต่อไป การออกแบบให้มีความแข็งไม่ได้เป็นเพียงเกี่ยวกับวัสดุเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวกับวิธีสร้างรูปร่างของชิ้นส่วนด้วย แม้แต่วัสดุที่แข็งที่สุดในโลกก็ยังยืดหยุ่นได้หากคุณออกแบบให้เป็นแผ่นกระดานแบนบาง ลองใช้ตัวอย่างง่ายๆ: ตัวยึดสำหรับติดตั้งเซ็นเซอร์น้ำหนัก 5 กก. เข้ากับแขนหุ่นยนต์ หากคุณออกแบบขายึดนั้นเป็นแถบแบนหนา 2 มม. แม้จะเป็นแบบ ABS ขายึดนั้นจะโค้งงออยู่ใต้น้ำหนักของเซ็นเซอร์ แต่ถ้าคุณเพิ่มซี่โครงโค้งสูง 0.5 มม. ตามแนวขอบรับน้ำหนัก ความหนา 2 มม. เท่าเดิมจะมีความแข็งในการดัดงอเป็น 3 เท่า นี่เป็นแนวคิดพื้นฐานในวิศวกรรมโครงสร้างที่แปลโดยตรงไปยังชิ้นส่วนที่พิมพ์แบบ 3 มิติ และเป็นสิ่งที่เราดำเนินการทุกครั้งชิ้นส่วนโมเดลการพิมพ์ 3 มิติลูกค้าผ่านในระหว่างกระบวนการตรวจสอบการออกแบบ กฎสำคัญที่นี่: ปฏิบัติตาม “เส้นทางการโหลด” ด้วยคุณสมบัติทางเรขาคณิต โหลดจะไหลผ่านชิ้นส่วนเป็นเส้นตรง (หรือเส้นโค้งควบคุม) ดังนั้นคุณสมบัติใดๆ ที่ตัดผ่านเส้นทางนั้น เช่น โครง เป้าเสื้อกางเกง หรือขอบเสริม จะเพิ่มความแข็งโดยไม่เพิ่มน้ำหนักมากนัก นอกจากนี้ เรายังหลีกเลี่ยงการยื่นเกินที่ต้องการโครงสร้างรองรับเมื่อเป็นไปได้ เนื่องจากวัสดุรองรับจะสร้างการยึดเกาะที่อ่อนแอและไม่สอดคล้องกันที่จุดสัมผัส ซึ่งจะกลายเป็นจุดยืดหยุ่นในภายหลัง สำหรับชิ้นส่วนหุ่นยนต์ เรามักจะรวมโครงสร้างเซลล์กลวง (โครงตาข่าย) ไว้ภายในผนังด้านนอกหนา ซึ่งจะช่วยลดการใช้วัสดุ ทำให้ชิ้นส่วนมีน้ำหนักเบา และโครงตาข่ายจะกระจายโหลดอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งได้ถึง 40% เมื่อเทียบกับชิ้นส่วนแข็งที่มีขนาดภายนอกเท่ากัน ข้อผิดพลาดในการออกแบบทั่วไปที่ลูกค้าทำคือการเพิ่มคุณสมบัติหรือรูเล็กๆ มากเกินไป แต่ละรูจะสร้างความเข้มข้นของความเค้น ซึ่งจะทำให้ชิ้นส่วนอ่อนตัวลง แม้ว่ารูปร่างโดยรวมจะแข็งก็ตาม เรามักจะทำเครื่องหมายจุดเน้นความเครียดเหล่านี้ในการรีวิวการออกแบบของเรา และแนะนำให้ปรับให้เรียบหรือเพิ่มรัศมีเล็กๆ รอบรูเพื่อลดความเครียด
ตอนนี้ มาดูการตั้งค่าการพิมพ์กัน นี่คือจุดที่วิทยาศาสตร์มาบรรจบกับเครื่องจักร และจุดที่การพิมพ์ 3 มิติยุ่งยาก ฉันเคยเห็นการออกแบบชิ้นส่วนที่เหมือนกันสองชิ้นที่พิมพ์บนเครื่องพิมพ์เครื่องเดียวกันโดยมีการตั้งค่าต่างกัน ชิ้นหนึ่งแข็งพอที่จะรับน้ำหนักได้ 10 กก. และอีกชิ้นงอได้ไม่เกิน 2 กก. ปัจจัยที่ใหญ่ที่สุดที่นี่คือการจัดตำแหน่งเลเยอร์ สำหรับชิ้นส่วนที่มีความแข็งสูง คุณคงไม่อยากให้แรงกดทับหลายชั้นในมุมที่แหลมคม หากแรงดึงดึงไปตามความยาวของชิ้นส่วน คุณต้องการให้เลเยอร์ต่างๆ จัดชิดขนานกับทิศทางการรับน้ำหนักนั้น ไม่ใช่ตั้งฉาก ตัวอย่างเช่น หากคุณกำลังพิมพ์แท่งสี่เหลี่ยมที่จะดึงไปตามแกนยาว ให้พิมพ์โดยให้แกนยาวของแท่งนั้นเป็นแนวนอน เพื่อให้แต่ละเลเยอร์อยู่ในทิศทางการโหลดนั้น เราคำนวณการวางแนวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับทุกคนบริการการพิมพ์ 3 มิติต้นแบบอย่างรวดเร็วของพลาสติก ABSโครงการให้เป็นมาตรฐาน ทีมออกแบบของเราทำการจำลองเพื่อแสดงให้ลูกค้าเห็นว่าการวางแนวจะส่งผลต่อความแข็งอย่างไร ดังนั้นพวกเขาจึงไม่ต้องเดา ถัดไป ความสูงของชั้น: ชั้นที่บางกว่าจะให้การยึดเกาะระหว่างชั้นที่ดีกว่า ซึ่งหมายความว่ามีการโค้งงอระหว่างชั้นน้อยลง สำหรับชิ้นส่วนที่มีความแข็งสูงส่วนใหญ่ เราใช้ชั้น 0.1 มม. หรือ 0.15 มม. แทนที่จะเป็น 0.2 มม. ทั่วไปสำหรับความเร็ว ข้อดีคือใช้เวลาพิมพ์นานกว่าเล็กน้อย แต่ความแข็งแรงของพันธะระหว่างชั้นเพิ่มขึ้น 25-30% ซึ่งถือว่ามีความแข็งแตกต่างกันมาก การเติมเป็นอีกหนึ่งการตั้งค่าที่สำคัญ โดยเปอร์เซ็นต์การเติมและรูปแบบจะส่งผลโดยตรงต่อความแข็งของแกนกลางของชิ้นส่วน สำหรับชิ้นส่วนที่รับน้ำหนักที่มีความแข็งสูง เราใช้ตะแกรงหรือวัสดุเติมเส้นตรงที่ความหนาแน่น 30-50% ไม่ใช่วัสดุเติม 10% ที่มักใช้สำหรับต้นแบบ Grid infill มีความแข็งกว่าหกเหลี่ยม (รังผึ้ง) เนื่องจากมีการกระจายน้ำหนักเท่าๆ กันข้ามเส้นตรง และยึดติดกับผนังด้านนอกได้ดีกว่า นอกจากนี้เรายังหลีกเลี่ยงการเติมแบบเบาบางสำหรับชิ้นส่วนรับน้ำหนัก แม้แต่การเติมแบบแข็งที่ 20% ก็ยังแข็งกว่าการเติมแบบหกเหลี่ยมที่ 10% สำหรับชิ้นส่วน SLA ซึ่งใช้เรซินเหลวแทนเส้นใย การตั้งค่าหลักคือเวลาการสัมผัสของชั้นและการระบายความร้อนของชิ้นส่วน ชั้นที่เปิดรับแสงน้อยเกินไปจะมีพันธะที่อ่อนแอ ดังนั้นเราจึงปรับเทียบเวลาการสัมผัสสำหรับเรซินแต่ละประเภท ตัวอย่างเช่น เรซิน SLA เกรดทางการแพทย์ของเราสำหรับการพิมพ์ SLA 3D สำหรับชิ้นส่วนทางการแพทย์ใช้การเปิดรับแสง 2 วินาทีต่อชั้น ซึ่งนานกว่ามาตรฐาน 0.5 วินาที เพื่อให้มั่นใจว่าการบ่มสมบูรณ์และพันธะระหว่างชั้นที่แข็งแกร่ง สุดท้ายนี้ สำหรับชิ้นส่วน FDM (แม้ว่าชิ้นส่วนที่มีความแข็งสูงส่วนใหญ่ของเราคือ SLA หรือ SLS) เราใช้อุณหภูมิหัวฉีดที่ 245-250C สำหรับ ABS ซึ่งจะทำให้เส้นใยละลายเพียงพอที่จะสร้างการยึดเกาะระหว่างชั้นที่แข็งแกร่ง และอุณหภูมิฐานล่างที่ 110C เพื่อป้องกันการบิดงอ ซึ่งสามารถสร้างแรงเค้นที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งจะช่วยลดความแข็งได้
กระบวนการหลังการประมวลผลเป็นขั้นตอนสุดท้ายที่หลายคนมองข้าม และสามารถสร้างหรือหักส่วนที่แข็งได้ แม้ว่าจะมีวัสดุ การออกแบบ และการตั้งค่าที่สมบูรณ์แบบ แต่ชิ้นส่วนที่ผ่านการแปรรูปที่ไม่ดีก็ยังมีจุดอ่อนที่ซ่อนอยู่ สำหรับชิ้นส่วน ABS เราจะอาบน้ำด้วยไออะซิโตนเสมอ สิ่งนี้จะทำให้ชั้นนอกเรียบและละลายพื้นผิวของแต่ละชั้นเล็กน้อย ทำให้เกิดโครงสร้างเสาหิน (ชิ้นเดียว) แทนการแยกชั้น ซึ่งจะเพิ่มความแข็งดัดงอได้มากถึง 40% นอกจากนี้ เรายังเจาะหรือต๊าปเกลียวสำหรับตัวยึดหลังการพิมพ์ ไม่ใช่ก่อนหน้า เนื่องจากการแตะเกลียวที่พิมพ์ไว้ล่วงหน้าอาจทำให้โครงสร้างชั้นที่อ่อนแอแตกร้าวได้ สำหรับชิ้นส่วนทางการแพทย์จากการพิมพ์ SLA 3D สำหรับชิ้นส่วนทางการแพทย์กระบวนการหลังการประมวลผลประกอบด้วยการบ่มด้วยรังสียูวีเป็นเวลา 72 ชั่วโมงเพื่อให้แน่ใจว่าการบ่มเรซินเต็มรูปแบบ ซึ่งเพิ่มโมดูลัสแรงดึงอีก 15% และขจัดความเค้นที่ตกค้างในชิ้นส่วน สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องสัมผัสกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ (เช่น ต้นแบบการบินและอวกาศ) เราจะอบเพื่อลดความเครียด: 2 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 80C สำหรับ ABS ซึ่งจะขจัดความเครียดภายในออกจากกระบวนการพิมพ์ที่อาจจะทำให้ชิ้นส่วนบิดเบี้ยวหรืองอเมื่อเวลาผ่านไป ครั้งหนึ่งฉันเคยมีลูกค้าสั่งซื้อขายึดสำหรับเพย์โหลดดาวเทียมที่ล้มเหลวในการทดสอบเนื่องจากเราข้ามการอบเพื่อบรรเทาความเครียด ปรากฎว่าความเค้นตกค้างจากการพิมพ์ทำให้เครื่องพิมพ์งอเมื่อสัมผัสกับสุญญากาศและการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิในอวกาศ ข้อผิดพลาดดังกล่าวสอนให้เราทำให้ขั้นตอนหลังการประมวลผลเป็นขั้นตอนที่ไม่สามารถต่อรองได้สำหรับชิ้นส่วนรับน้ำหนักทุกชิ้นที่เราส่งออกไป
มาเชื่อมโยงทั้งหมดนี้ด้วยตัวอย่างจริงจากเราชิ้นส่วนโมเดลการพิมพ์ 3 มิติงาน: ตัวเรือนหุ่นยนต์แบบสั่งทำพิเศษที่เราผลิตสำหรับหุ่นยนต์ฮิวแมนนอยด์ ซึ่งเป็นหนึ่งในผลิตภัณฑ์เฉพาะกลุ่มที่ได้รับความนิยมมากที่สุดของเรา ลูกค้าต้องการตัวเครื่องที่สามารถรองรับมอเตอร์ขนาดเล็ก 8 ตัว และทนต่อแรงกระแทกซ้ำๆ จากการเคลื่อนที่แบบสวิงของหุ่นยนต์ โดยไม่มีการงอ เราเริ่มต้นด้วยเรซิน SLA คล้าย ABS ที่มีความแข็งสูง ซึ่งได้รับการเลือกเนื่องจากมีโมดูลัสดัดงอ 3.2 GPa และความเข้ากันได้ทางชีวภาพ (แม้ว่าจะไม่จำเป็นที่นี่ แต่ก็ได้เพิ่มบัฟเฟอร์เพื่อความปลอดภัย) ต่อไป เราได้ออกแบบตัวเครื่องที่มีผนังด้านนอกหนา 1.5 มม. รวมโครงโค้ง 0.5 มม. ไว้ตามขอบรับน้ำหนักที่มอเตอร์ติดตั้ง และโครงสร้างตาข่ายกลวงในช่องด้านในเพื่อกระจายน้ำหนักและโหลด เราวางแนวโครงเพื่อให้เส้นทางโหลดจากที่ยึดมอเตอร์วิ่งขนานกับเลเยอร์การพิมพ์ ใช้เลเยอร์ 0.15 มม. การเติมกริด 40% และเวลาการเปิดรับแสงที่ปรับเทียบแล้วระหว่างการพิมพ์ SLA ในที่สุด เราก็อบขนมคลายเครียดเป็นเวลา 2 ชั่วโมงและอบแสงยูวี ชิ้นส่วนสุดท้ายหนัก 120 กรัม รองรับน้ำหนักรวม 2.2 กก. และผ่านการกระแทก 10,000 รอบโดยไม่มีการงอที่มองเห็นได้ ซึ่งเป็นสิ่งที่ลูกค้าต้องการจริงๆ ต่อมาพวกเขาได้สั่งซื้อเพิ่มอีก 12 เครื่อง ซึ่งใช้ในการสาธิตที่การประชุมหุ่นยนต์ซึ่งกลายเป็นกระแสไวรัล
ท้ายที่สุดแล้ว การพิมพ์ชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วย 3D ที่มีความแข็งสูงไม่ได้เกี่ยวกับการตัดมุมหรือใช้วัสดุที่มีราคาแพงที่สุด แต่เป็นเกี่ยวกับวิธีการแบบองค์รวมที่เชื่อมโยงวัสดุศาสตร์ ความตั้งใจในการออกแบบ การตั้งค่าเครื่องพิมพ์ และขั้นตอนหลังการประมวลผลเข้าด้วยกัน ในฐานะที่เป็นชิ้นส่วนโมเดลการพิมพ์ 3 มิติซัพพลายเออร์ เราไม่เพียงแค่ส่งชิ้นส่วนให้คุณเท่านั้น เราทำงานร่วมกับคุณเพื่อปรับแต่งทุกขั้นตอนเพื่อให้ชิ้นส่วนของคุณตรงตามข้อกำหนดด้านความแข็ง ไม่ว่าจะเป็นโครงหุ่นยนต์แบบกำหนดเอง คู่มือทางการแพทย์ หรือต้นแบบด้านการบินและอวกาศ หากคุณกำลังทำงานในโครงการที่ต้องการชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติที่เชื่อถือได้และมีความแข็งสูง เราพร้อมช่วยคุณในการเลือกวัสดุ การปรับแต่งการออกแบบ และการตั้งค่าการผลิตเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่คุณต้องการ ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการของคุณและรับโซลูชันที่ปรับแต่งตามความต้องการ
อ้างอิง
- กิบส์ บี. (2021) การวิเคราะห์โครงสร้างของชิ้นส่วนโพลีเมอร์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติ วารสารการผลิตสารเติมแต่ง, 45, 102018.
- ASTM อินเตอร์เนชั่นแนล (2018) วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับคุณสมบัติแรงดึงของพลาสติก (D638-18) เวสต์คอนโชฮอคเกน, เพนซิลเวเนีย: ASTM
- Mellor, S., Hao, L., และ Zhang, D. (2014) การใช้สารเติมแต่งในอุตสาหกรรม: บทวิจารณ์ วารสารกระบวนการผลิต, 16(1), 2-12.
- ISO 10993-5:2019. การประเมินทางชีวภาพของอุปกรณ์การแพทย์ - ส่วนที่ 5: การทดสอบความเป็นพิษต่อเซลล์ในหลอดทดลอง เจนีวา สวิตเซอร์แลนด์: องค์การระหว่างประเทศเพื่อการมาตรฐาน
- วัง ย. และคณะ (2020). ผลกระทบของการวางแนวเลเยอร์ต่อคุณสมบัติทางกลของชิ้นส่วน ABS ที่พิมพ์ด้วย FDM 3D วัสดุและการออกแบบ 190, 108557
