รู้จัก 3D Printer ระบบเส้น FDM

การขึ้นรูปชิ้นงานสามมิติ ด้วยระบบเส้นพลาสติก FDM (Fused Deposit Modeling)

หลายท่านคงเคยอ่านบทความเกี่ยวกับ 3D Printer มาหลายครั้งแล้ว เมื่อ 10 ปี, 8 ปี และ 4 ปีที่แล้วตามลำดับ ปี 2024 เราเห็นการเปลี่ยนแปลงค่อนข้างมากของ 3D Printer โดยเฉพาะในระบบเส้นพลาสติก FDM (Fused Deposit Modeling) ความเร็วในการพิมพ์เพิ่มขึ้นมากกว่า 500% จากเมื่อ 10 ปีที่แล้ว จากแต่ก่อนมาพิมพ์จะใช้เวลา 2-4 ชม. ขั้นต่ำ เร็วขึ้นถึง 5เท่าเหลือเพียง 20 นาทีขึ้นไป (ทั้งนี้ขึ้นกับขนาด โมเดล 3 มิติ และการ Setting)

FDM คืออะไร? ประวัติความเป็นมาอย่างไง?

3D Printer คือ การขึ้นรูปชิ้นงานสามมิติ ที่จับต้องได้ ใช้งานได้ เริ่มต้นจากไม่มีอะไรในห้องพิมพ์จนออกมาเป็นชิ้นงาน เครื่องนี้จะถูกเรียกรวม ๆ ว่า Additive Manufacturing คือ กระบวนการสร้างแบบเพิ่มเติมวัสดุเข้าไป ในโลกนี้มีหลัก ๆ อยู่ 4 ประเภทหลักครับ คือ ระบบขึ้นรูปจากการละลายพลาสติกออกทางหัวฉีด (FDM), ระบบขึ้นรูปโดยทำให้น้ำเรซิ่นแข็งตัว (SLA), ระบบขึ้นรูปด้วยเลเซอร์เชื่อมผงพลาสติกหรือโลหะ (SLS, SLM) และ ระบบที่ขึ้นจากหมึก Jet นำระบบ Injet มาต่อยอด (Multijet, 3DJet)

ระบบที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในโลกนำมาก่อนเพื่อน คือ ขึ้นรูปจากเส้นพลาสติก FDM และขึ้นรูปจากน้ำเรซิ่น SLA โดยระบบที่แพร่หลาย ใช้ได้ทุกวัยตั้งแต่เด็ก ใช้งานได้หลากหลายที่สุด คือ ระบบเส้น FDM เพราะถูก ปลอดภัย และง่ายต่อการดูแลมากที่สุด (SLA พิมพ์ได้สวยกว่า แต่ต้องยุ่งกับเรซิ่นที่อาจเป็นพิษมากกว่า อ่านเพิ่มเติม FDM vs SLA vs SLS)

ระบบเส้นพลาสติก หรือ FDM มาจากคำ Fused Deposit Modeling หรือในหลาย ๆที่เรียกระบบนี้ว่า FFF (Fused Filament Fabrication) การหลอมเส้นพลาสติกแล้วฉีดขึ้นรูป หลักการทำงานคือ เครื่องจะทำความร้อน ละลายพลาสติกที่ตั้งต้นมาทำเป็นเส้นขดกันในม้วนพลาสติกที่เรียกว่าฟิลาเมนต์ Filament โดยพลาสติกที่ถูกหลอมละลายจะเปลี่ยนจากสถานะของแข็งมาเป็นรูปแบบของเหลว ไหลออกมาที่หัวฉีด เครื่องจะเคลื่อนหัวฉีดเพื่อวาดรูปร่าง Cross Section ของโมเดล 3 มิติขึ้นมาชั้นต่อชั้น เมื่อวาดเสร็จหนึ่งแล้วเครื่องจะยกหัวฉีดขึ้นพิมพ์ในชั้นต่อไป ทำไปเรื่อยจนออกมาเป็นชิ้นงาน โดยมากแล้วโมเดล 3 มิติชิ้นหนึ่งจะมีมากถึง 100Layer – 10,000 Layer

FDM เหมือนปืนกาวนั้นเอง ละลายพลาสติกแล้วฉีดออกมาวาดขึ้นรูปชั้นต่อชั้น ระบบนี้เป็นที่นิยมเพราะดูแลรักษาง่าย Filament สามารถหาซื้อได้ทั่วไปมีหลากหลาย

หมายเหตุ เส้นพลาสติกที่มาใช้ที่นิยมจะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 1.75 mm โดยมีชนิดให้เลือกมากกว่า 20 ชนิด แต่ชนิดที่นิยมใช้มากที่สุดคือ PLA, ABS ขนาดหัวฉีดที่นิยมมากที่สุดคือ 0.4 mm

FDM มีกี่ประเภท?

ในท้องตลาดสามารถแบ่ง FDM ได้หลายประเภท แบ่งตามโครงสร้างการเคลื่อนที่ของหัวฉีด, แบ่งตามการขับเส้น แต่ปัจจุบันแบบอื่น ๆ เริ่มล้าสมัย เราสามารถแบ่งแบบใหม่เป็นแบบ DIY โครงเปิด และประกอบเสร็จโครงปิด

แบ่งตามการขับเคลื่อนหัวฉีด เช่น แบบ Catersian, Delta, Robotic
แบ่งตามการขับของเส้นพลาสติก เช่น Direct Drive, Bowden

ซึ่งการแบ่งที่กล่าวมาเริ่มไม่นิยมแบ่งกันแล้วครับ ปี 2024 สามารถแบ่ง 3D Printer ระบบ FDM ออกเป็นแบบ เครื่องประกอบ DIY (โครงเปิด) และ เครื่องประกอบเสร็จ (โครงปิด)

เครื่องแบบโครงเปิด หรือ หลายสำนักเรียกเป็น DIY เป็นเครื่องที่มีราคาถูกสุด เนื่องจากต้องมาประกอบภายหลังเครื่องจะออกแบบให้ Shipping Package มีขนาดเล็ก แกะกล่องออกมาต้องประกอบเป็นโครงขึ้นมา เครื่องแบบนี้ดี่มีราคาถูก ไม่ถึงหมื่นบาท แต่ข้อเสียสำคัญคือ โครงสร้างไม่แข็งแรง ดูแลรักษายากกว่า
เครื่องประกอบสำเร็จโครงปิด เป็นเครื่องมีที่ราคาหลักหมื่นขึ้น โดยเครื่องจะประกอบเสร็จพร้อมใช้งานโดยเครื่องจะมีลักษณะคล้ายกล่องหรือตู้ ทำให้ Shipping Package มีขนาดใหญ่กว่า น้ำหนักมากกว่า ราคาแพงกว่า แต่ดีที่ใช้งานได้อย่างราบรื่น แข็งแรง คุ้มค่ามากกว่าในระยะยาว

ประโยชน์ จุดเด่น จุดด้อย 3D Printer FDM

จากที่กล่าวไปข้างต้นแล้ว เครื่องพิมพ์ 3 มิติระบบเส้น FDM เป็นระบบที่ได้รับความนิยมมากที่สุด และใช้งานง่ายที่สุด มีความปลอดภัยมากที่สุด ด้วยความละเอียดใช้ได้แม้จะไม่ได้ละเอียดมากเท่า SLA แต่เส้นพลาสติกนั่นมีราคาถูก มีให้เลือกหลากหลาย ต่อไปเราจะสรุปข้อดีของ FDM เป็นข้อ ๆ

ข้อดี

เป็นระบบที่ถูกที่สุด หาซื้อได้ง่ายที่สุด
วัสดุ Filament มีให้เลือกหลากหลายและมีราคาไม่แพง
มีกลุ่มผู้ใช้งานขนาดใหญ่ Community แชร์เทคนิคการพิมพ์
ปลอดภัยที่สุด และใช้ได้แม้สำหรับเด็ก
เมื่อพิมพ์เสร็จสามารถใช้ได้เลย ไม่ต้องมา Post Process

ข้อด้อย

ความละเอียดต่ำกว่าระบบอื่น ๆ เนื่องจากข้อจำกัดเรื่องขนาดของหัวฉีด
ไม่เหมาะสำหรับงานที่มีขนาดเล็ก 2 cm ลงพิมพ์ได้แต่ละเอียดจะไม่ค่อยสวย

ประโยชน์

สร้างแบบจำลอง งานอดิเรก – เครื่องเดียวหากพิมพ์ 20ชิ้นก็คุ้มแล้ว สร้างรายได้ หรือ สร้างของเล่นให้ตนเอง
ใช้งานจริง – สร้างชิ้นงาน เหมือนมีโรงกลึง หรือโรงฉีดพลาสติกที่บ้านเอง พิมพ์ชิ้นส่วนต่าง ๆ เครื่องใช้ในบ้าน
ใช้ในการสร้างต้นแบบ – หลายบริษัทมีการออกแบบและสร้างสินค้าของตนเอง Product Design เครื่องพิมพ์ 3มิติ ช่วยในการสร้าง Prototype
พัฒนาการศึกษา STEMLAB การศึกษาแบบบูรณาการ ให้นักเรียนออกแบบ และสร้างชิ้นงานเอง เด็กไทยหลายคนมีโอกาสสร้าง ดาวเทียมขนาดเล็กที่ถูกส่งไปในอวกาศ โดยใช้ 3D Printer พิมพ์ชิ้นส่วน

เครดิตภาพประกอบ: https://cults3d.com/en/3d-printing/low-poly-stormtrooper-pepo_aliaga

วัสดุพิมพ์ Filament แบบต่าง ๆ

วัสดุเส้นพลาสติก มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 1.75mm (แต่ก่อนมี 2.85mm, 3.00mm แต่ได้รับความนิยมน้อยลงแล้ว) พลาสติกโพลิเมอร์ที่นำมาพิมพ์ได้จะเป็น Thermo Plastic คือ เมื่อโดนความร้อนจะหลอมเป็นของเหลว เมื่อเย็นตัวลงจะกลับมาแข็งเหมือนเดิม ปัจจุบันเส้นพลาสติกที่นิยมมากที่สุดมีอยู่ 3 ตัว คือ PLA, ABS และ PETG

PLA มีส่วนประกอบหลักเป็น Poly Lactic Acid พลาสติกชีวภาพทำจากกากการเกษตร พลาสติกชนิดนี้เป็นที่นิยมมากที่สุดใช้มากกว่า 70% ของการใช้งานทั่วโลก เพราะเป็นพิษน้อยที่สุด พิมพ์ง่ายที่อุณหภูมิต่ำ แต่มีข้อเสียที่ไม่ทนต่อความร้อน 80องศา ก็เริ่มอ่อนตัวลง
ABS มีส่วนประกอบหลักคือพลาสติก ABS ที่ใช้ทำกันชนรถยนต์ ใช้ทำตัวต่อเลโก้ เป็นพลาสติกที่คงทน แข็งแรง ทนต่อสภาพกรดด่าง แสง UV แต่มีข้อเสียคือเมื่อพิมพ์จะมีกลิ่นเหม็นรุนแรง ค่อนข้างเป็นพิษควรพิมพ์ในระบบปิด พิมพ์ยากกว่าต้องใชัอุณหภูมิสูง ห้องพิมพ์ต้องรักษาอุณหภูมิ
PETG เป็นส่วนผสมหลักคือ PET พลาสติกที่มาขึ้นรูปเป็นขวดน้ำ Packaging ข้อดีคือใส่ แข็งแรง เหนียว ทดทานต่อการเสียดสี และความเป็นกรด ด่าง นิยมมาพิมพ์เป็น อะไหล่ต้องการคุณสมบัติทนทาน เหนียว