FDM/FFF 3D Printer คืออะไร?

จากบทความที่แล้ว 3D Printer คืออะไร? คราวนี้เรามาเจาะลึกกับการพิมพ์ระบบ FDM (Fused Deposition Modeling) หรือบางสำนักเรียก FFF กันได้ต่อเลยครับ

เครื่องพิมพ์สามมิติระบบ FDM/FFF นั้นมีการใช้แพร่หลายที่สุดในโลก และเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากเป็นระบบที่มีราคาถูกประหยัด สามารถหาซื้อได้ง่ายตั้งแต่ราคาหลักพันบาท- หมื่นบาท – หลักแสนบาท และสามารถใช้ได้กับวัสดุหลายชนิดโดยเปลี่ยนไปตามเส้นพลาสติกที่ใช้ โดยปัจจุบันในท้องตลาดของเครื่องพิมพ์ 3มิติ กว่า 60-70 เปอเซนต์ เป็นเครื่องระบบ FDM

หลักการทำงาน

เครื่องระบบ FDM นั้นมีหลักการทำงานเหมือนกับ “ฉีดและวาดเส้นพลาสติกออกมาเป็นวัตถุ” ส่วนของหัวฉีดทำหน้าที่ฉีดเส้นพลาสติกออกมา (ลักษณะคล้ายๆปืนกาว) โดยหัวฉีดมีฮีทเตอร์ทำความร้อนให้ถึงจุดที่เส้นพลาสติกละลายเป็นน้ำ ฉีดผ่านหัวฉีดออกมา โดยปกติหัวฉีดจะมีรูขนาด 0.4mm เครื่องจะมีมอเตอร์ทำการเคลื่อนหัวฉีด หรือฐานพิมพ์ให้เคลื่อนที่ และพิมพ์ไปทีละชั้น จนออกมาเป็นงานขึ้นรูป เครื่องพิมพ์สามารถทำงานที่ซับซ้อนได้ เช่นประแจเลื่อนที่พิมพ์เพียงครั้งเดียว ไม่ได้มาประกอบทีหลัง

เครื่องรับคำสั่งทำหมดเป็น GCode ภาษาเดียวกับการสั่งงานเครื่อง CNC หรือ Milling ในโรงงานอุตสาหกรรม โดยโปรแกรมที่ทำการสร้าง GCode มานั้นมีให้ใช้หลากหลายเช่น FlashPrint, Cura, Simplify3D, MakerWare, Sli3r, Repetier เป็นต้น โดยเราทำการเปิดโมเดลขึ้นมาและกำหนดค่าที่ต้องการพิมพ์ โปรแกรมจะทำการสไลด์วัตถุออกเป็นชั้น เครื่องจะพิมพ์ทีละชั้น ชั้นที่เครื่องพิมพ์นั้นเป็น Cross Section ของวัตถุนั้นเอง

ประเภทของเครื่อง FDM/FFF 3D Printer

เครื่องพิมพ์ FDM นั้นมีอยู่หลายชนิด แต่ชนิดที่นิยมมีดังนี้

1. Cartesian

เป็นเครื่องพิมพ์ที่พบเห็นทั่วไปในท้องตลาด เครื่องจะพิมพ์จาก Fix แกนในแกนหนึ่งในการเคลื่อนที่ของหัวฉีด ตัวอย่างที่พบเห็นได้ง่ายที่สุดคือยี่ห้อ Flashforge, MakerBot หรือ Ultimaker มีการ Fix การเคลื่อนทึ่ของหัวฉีดในแกน X,Y เท่านั้นคือวิ่งได้ซ้าย-ขวา/หน้า-หลัง ส่วนฐานพิมพ์นั้นจะเคลื่อนที่ในแกนแนว Z คือเคลื่อนที่ขึ้น-ลง

เครื่องอีกแบบที่ได้รับความนิยมมากเช่นกันคือเครื่อง Prusa หรือเครื่องแบบ Reprap จะมีการเครื่องที่ของหัวฉีดในแนวแกน X คือซ้าย-ขวา และฐานพิมพ์ในแกน Y คือหน้า-หลัง เมื่อพิมพ์เสร็จในชั้นหนึ่งๆแล้วเครื่องจะยกหัวฉีดทั้งชุดขี้นในแนวแกน Z เพื่อพิมพ์ในชั้นต่อไป
ข้อดีของ Cartesian เครื่องพิมพ์ค่อนข้างจะเสถียรกว่า เนื่องจากมีการเคลื่อนที่ของหัวฉีดจะเคลื่อนที่อยู่ใน 1 หรือ 2 แกนในรางสไลด์ (ตามทฤษฎีแล้วจะพิมพ์ได้นิ่งกว่า FDM ระบบอื่นๆ แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นขึ้นอยู่กับผู้ผลิตแต่ละยี่ห้อด้วย) พื้นที่พิมพ์งานเป็นทรงกล่องสี่เหลี่ยม
ข้อเสียของ Cartesian หากมีขนาดใหญ่ขึ้น จะผลิตค่อนข้างยาก น้ำหนักมาก (หนักโครงสร้าง รางสไลต์)

2. Delta

เครื่องพิมพ์ระบบนี้สังเกตุได้ง่ายที่สุดคือ มีแกนเสาอยู่ 3 เสา เครื่อง Delta นั้นจะมีฐานพิมพ์อยู่กับที่ หัวฉีดจะเคลื่อนที่อย่างอิสระทั้งสามแกน X,Y,Z โดยควบคุมการเคลื่อนที่ของหัวฉีดด้วยการทำงานสัมผัสกันของมอเตอร์ทั้งสามตัว เครื่องระบบนี้สามารถสร้างให้มีขนาดใหญ่มากๆได้
ข้อดี สามารถสร้างเครื่องให้พิมพ์ชิ้นงานได้ง่าย มีน้ำหนักน้อยกว่า มีต้นทุนในการผลิตน้อยกว่า มีพื้นที่พิมพ์งานทรงกระบอกสูง
ข้อเสีย Setting หรือ จูนเครื่องให้พิมพ์ได้ดีค่อนข้างยาก คุณภาพงานลดลงเมื่ออยู่ห่างจากจุดศูนย์กลาง (กลางฐานจะพิมพ์ได้ดีกว่า ส่วนที่ห่างจากจุดกีงกลาง)

Material

โดยทั่วไปนั้นเส้นจะมีอยู่สองขนาดคือ 1.75mm และ 3.0mm โดยเส้นนั้นจะทำมาใบรูปแบบม้วน ปัจจุบันเส้นพลาสติกกว่า 50 ชนิดอยู่ในท้องตลาด เรายกตัวอย่างมาให้ดูส่วนหนึ่งเท่านั้น
1. PLA (Polylactic Acid) เป็นเส้นพลาสติกที่ผลิตจากวัตถุดิบธรรมชาติ เช่น กากพืชผลทางการเกษตร, ข้าวโพด, มันสำปะหลัง พลาสติกชนิดนี้เหมาะกับการใช้กับ 3D Printer เกือบทุกชนิดเนื่องจาก ค่อนข้างปลอดภัย ไม่มีกลิ่นพลาสติกไหม้ หดตัวน้อย ไม่จำเป็นต้องใช้ฐานทำความร้อน แต่มีข้อเสียอยู่บ้างเรื่องทนความร้อนได้ไม่สูงนัก
2. ABS (Acrylonitrile butadiene styrene) เป็นพลาสติกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เครื่องใช้ในบ้าน เช่นขันน้ำ ถังน้ำ หรือ ของเล่นที่เรารู้จักกันดีคือ Lego ข้อดีคือ ทนต่อสภาพแวดล้อมได้ดี แต่ข้อเสียค่อนข้างมาก คือ พิมพ์ได้ยาก เนื่องจากมีอัตราการหดตัวสูง ต้องเปิดฐานทำความร้อน พิมพ์แล้วมีกลิ่นพลาสติกไหม้
3. Dissolveable filament หรือเส้นพลาสติกที่ละลายออกได้ ใช้ในการพิมพ์ในส่วน Support ต้องใช้กับเครื่องพิมพ์ FDM ที่มีหัวต้องแต่ 2 หัวขึ้นไป พลาสติกที่พิมพ์นี้จะถูกละลายออกไปหลังการพิมพ์ชิ้นงานเสร็จ (โดยทั่วไปนั้นเครื่องพิมพ์ที่มีราคาสูงจะมีสองหัวฉีด เพื่อให้อีกหัวหนึ่งทำหน้าที่พิมพ์ Dissolveable Filament)
4. อื่นๆ นอกจากเส้นพลาสติกที่กล่าวไว้ข้างต้นแล้ว ยังมีเส้นพลาสติกให้เลือกใช้อีกหลากหลายชนิด เช่น เส้นไม้(Wood Filament) เส้นผสมทองเหลือง(ฺBronze Filament) เส้นผสมทองเแดง(Copper Filament), Nylon, PETG, Rubber etc.

การนำไปใช้

1. ชิ้นส่วนต่างๆ เนื่องจากชิ้นงานที่เกิดจากการพิมพ์ โดย FDM 3D Printer มีความแข็งแรงพอสมควร จึงสามารถพิมพ์ชิ้นงานมาใช้ได้จริงเล่น เช่น นักศีกษาที่สร้างหุ่นยนต์แตะฟุตบอล เนื่องจากมีชิ้นส่วนที่ต้องออกแบบเองหาซื้อไม่ได้ หากใช้ FDM สามารถออกแบบชิ้นส่วนของหุ่นยนต์แล้วพิมพ์ออกมาได้เลย

2. โมเดล Mock Up งานออกแบบ Scale หรืองานสร้างแบบจำลอง เราสามารถกำหนดค่า Scale ในการพิมพ์ได้

3. ออกแบบผลิตภัณท์ การออกแบบชิ้นส่วนก่อนทำการผลิตจริง เป็นตัวอย่างให้ลูกค้าดูก่อน ว่างานที่ออกแบบมานั้นมีรูปร่างอย่างไร ก่อนไปทำการผลิตใช้จริง

4. เครื่องใช้ในบ้าน สามารถสร้างเครื่องใช้ภายในบ้านได้เลย เช่น ที่วางสบู่ ที่วาง Ipad เป็นต้น

5. การศีกษา ไว้ใช้ประกอบการศึกษา เช่น การสอนส่วนประกอบของเครื่องยนต์ในคณะวิศวกรรมศาสตร์ หรือ ชิ้นส่วนอวัยวะของมนุษย์ในคณะ แพทยศาสตร์

ข้อดีของเครื่องพิมพ์สามมิติ ระบบ FDM/FFF

1. มีราคาถูกที่สุด สามารถซื้อหาได้ทั่วไป เนื่องจากต้นทุกการผลิตถูก แล้วส่วนมากเป็น Open source จึงซื้อหาได้ทั่วไป
2. งานที่พิมพ์ออกมาสามารถใช้งาน รับแรง หรือ ขัดแต่ง สามารถนำชิ้นส่วนที่พิมพ์จากเครื่อง ไปเป็นส่วนประกอบในเครื่องจักรได้เลย
3. มีวัสดุให้เลือกใช้ได้หลายชนิด เนื่องจากเป็นที่นิยม จึงมีหลายบริษัท ผลิตเส้นพลาสติก หลากหลายชนิดมาก (โปรดดูคุณสมบัติ และข้อมูลจำเพาะพิเศษสำหรับเส้นพลาสติกชนิด นั้นๆด้วย)
4. ใช้งานง่าย และ ต้นทุนวัสดุสิ้นเปลืองต่ำ ปัจจุบันมีโปรแกรมสำหรับเครื่อง FDM ให้เลือกใช้มากมาย การใช้งานค่อนข้างง่าย

ข้อเสียของเครื่องพิมพ์สามมิติ ระบบ FDM/FFF

1. ความละเอียดในการพิมพ์ อาจจะสู้ระบบอื่นไม่ได้ เนื่องจากการพิมพ์เกิดจากการฉีดเส้นพลาสติกออกมา ขนาดหัวฉีดที่นิยมคือ 0.4mm อย่างไงก็ยังเป็นเป็นเส้นอยู่ แม้จะพิมพ์ที่ความละเอียดสูงแล้วก็ตาม
2. หากเทียบด้วยขนาดงานที่เท่าๆกัน ความละเอียดเท่าๆกัน ระบบนี้ถือว่าใช้เวลาในการพิมพ์สูงกว่าระบบอื่นๆ เนื่องจากพิมพ์จากการฉีดเส้นพลาสติกบางๆ แล้วค่อยๆวาดออกมาจนออกมาเป็นรูปร่าง

สรุป

เครื่องพิมพ์ระบบ FDM เป็นระบบที่มีราคาถูกที่สุดและนิยมที่สุดในปัจจุบัน เนื่องจากใช้ง่าย ค่อนข้างปลอดภัยเมื่อเทียบกับระบบอื่นๆ แต่ก็ยังมีข้อจำกัดด้วยเช่นกัน เช่น ไม่สามารถพิมพ์ออกมาเป็นสีสมจริงได้(True color) หรือ ไม่สามารถพิมพ์งานที่ละเอียดมากๆได้ อย่างไรก็ตามผู้ใช้ควรเลือกเครื่องพิมพ์ที่เหมาะสมกันตนให้มากที่สุดครับ

พิมพ์ 3 มิติระบบเส้น ขนาดเล็ก (Small)
เครื่องพิมพ์ 3มิติ สำหรับนักเรียน ใช้ในโรงเรียน STEM, งานอดิเรก, เครื่องสำเร็จใช้งานง่ายๆไม่ยุ่งยาก

พิมพ์ 3 มิติระบบเส้น ขนาดกลาง (Medium)
เครื่องพิมพ์ 3มิติ สำหรับใช้ในบริษัท มหาวิทยาลัย หวังผลได้ เครื่องมีความสเถียร แข็งแรง คุณภาพสูง แผนก R&D

พิมพ์ 3 มิติระบบเส้น ขนาดใหญ่ (Large)
เครื่องพิมพ์ 3มิติ สำหรับผู้ต้องการพิมพ์งานขนาดใหญ่ เหมาะกับใช้ในแผนก R&D, โรงงานประกอบชิ้นส่วน

Consumable วัสดุสิ้นเปลื้อง FDM
เส้นพลาสติก PLA, ABS, PETG และ อะไหล่ต่างๆที่จำเป็น