การออกแบบชิ้นงานสำหรับ FDM 3D printing

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติที่ได้รับความนิยมที่สุดในตลาด Fused Deposition Modeling (FDM) เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการสร้างงานต้นแบบที่รวดเร็วและมีต้นทุนต่ำสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้หลากหลาย แต่เทคโนโลยี FDM ก็มีข้อจำกัดในการพิมพ์เช่นกัน บทความนี้จะแนะนำข้อจำกัดและอธิบายถึง วิธีการที่สามารถนำไปใช้ในขั้นตอนการออกแบบ เพื่อลดผลกระทบที่มีต่อคุณภาพของงานพิมพ์


Bridging

การเชื่อมต่อในเทคโนโลยี FDM จะเกิดขึ้นเมื่อเครื่องพิมพ์จำเป็นต้องพิมพ์ระหว่างจุดรองรับ 2 จุด หรือจุดยึด เนื่องจากไม่มี Support และไม่มี Layer ก่อนหน้าจะทำให้เกิดช่องว่าง ทางออกหนึ่งที่จะลดผลกระทบจากการเชื่อมต่อจะขึ้นอยู่กับข้อจำกัดการออกแบบของชิ้นงาน ซึ่งอีกวิธีในการหลีกเลี่ยงปัญหาคือการมี Support มารองรับและลบออกเมื่อการพิมพ์เสร็จสิ้น แต่สิ่งนี้อาจทำให้เกิดรอยหรือความเสียหายบนพื้นผิวที่ติดกับ Support


Vertical axis holes

การพิมพ์รูในเทคโนโลยี FDM มักจะพิมพ์รูในแนวตั้งซึ่งเป็นกระบวนการทั่วไปสำหรับการพิมพ์เส้นผ่านศูนย์กลางรูและสาเหตุที่ทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางลดลงคือ :

  • ในขณะที่หัวฉีดพิมพ์เส้นรอบวงของรูในแนวตั้งมันจะบีบอัดLayerที่พิมพ์ใหม่ลงบนLayerที่มีอยู่เพื่อช่วยปรับปรุงการยึดเกาะ

  • แรงอัดจากหัวฉีดทำให้รูปร่างของเลเยอร์ทรงกลมที่อัดขึ้นรูปจากวงกลมเป็นรูปร่างที่กว้างขึ้นและราบเรียบ

  • สิ่งนี้จะเพิ่มพื้นที่สัมผัสกับเลเยอร์ที่พิมพ์ก่อนหน้า (ปรับปรุงการยึดเกาะ) แต่ยังเพิ่มความกว้างของส่วนที่อัด

  • ผลลัพธ์ของสิ่งนี้คือเส้นผ่านศูนย์กลางของรูที่ถูกพิมพ์ลดลง


นี่อาจเป็นปัญหาโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทำการพิมพ์รูขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเล็ก ซึ่งส่งผลมากกว่าเนื่องจากอัตราส่วนของเส้นผ่าศูนย์กลางรูต่อเส้นผ่านศูนย์กลางหัวฉีด ปริมาณการหดตัวนั้นจะขึ้นอยู่กับเครื่องพิมพ์, slicing software, ขนาดของรูและวัสดุ บ่อยครั้งที่การลดเส้นผ่านศูนย์กลางของรูในแนวตั้งนั้นถูกนำมาวิเคราะห์ใน slicing program แต่ความแม่นยำอาจแตกต่างกันไป หากต้องการความแม่นยำในระดับสูงอาจต้องทำการเจาะรูหลังจากพิมพ์


การพิจารณาการออกแบบที่สำคัญ : ถ้าเส้นผ่านศูนย์กลางของรูในแนวตั้งมีความสำคัญ ให้ทำการพิมพ์ให้มีขนาดเล็กลงและแนะนำให้เจาะรูตามขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางที่ถูกต้อง


Overhangs

ส่วนที่ยื่นออกจากฐานเป็นหนึ่งในปัญหาทั่วไปในเทคโนโลยี FDM การยื่นส่วนเกินจะเกิดขึ้นเมื่อชั้นวัสดุที่พิมพ์ได้รับการสนับสนุนเพียงบางส่วนโดยชั้นด้านล่างคล้ายกับ bridging แต่ Layer ที่รองรับด้านล่างอาจไม่เพียงพอทำให้พื้นผิวด้านเกิดการยึดเกาะชั้นไม่ดี เกิดการโป่งหรือม้วนงอ ส่วนที่ยื่นสามารถพิมพ์ได้โดยไม่สูญเสียคุณภาพได้สูงถึง 45 องศาโดยไม่จำเป็นต้องมี support แต่หากสูงกว่า 45 องศาจำเป็นต้องมี Support เพื่อให้แน่ใจว่าเลเยอร์ที่พิมพ์ใหม่ไม่นูนและหลุดออกจากหัวฉีด ปัญหาอื่นที่เกิดขึ้นเมื่อการพิมพ์ส่วนที่ยื่นออกมานั้นม้วนงอ Layer ที่พิมพ์ใหม่จะมีขนาดบางมากขึ้นเรื่อยๆ ที่ขอบของสิ่งที่ยื่นออกมาทำให้เกิดการระบายความร้อนที่แตกต่างกันทำให้เกิดการบิดตัวได้มากขึ้น


การพิจารณาการออกแบบที่สำคัญ : ข้อจำกัดเกี่ยวกับระยะยื่นออกสามารถกำจัดได้โดยการใช้ Support สำหรับมุมผนังที่สูงกว่า 45 องศา สำหรับสิ่งที่ยื่นออกมาที่ใหญ่กว่าจำเป็นต้องมี Support ด้วยเช่นกัน และร่องรอยการติด support จะปรากฏบนพื้นผิวจึงต้องมีกระบวนการหลังการพิมพ์

ผลของการเพิ่มมุม overhang (เพิ่มทีละ 5 องศา) ต่อคุณภาพการพิมพ์ Max มุมที่แสดงคือ 70 องศา
Corners

มุมและขอบในเทคโนโลยี FDM นั้นเนื่องจากหัวฉีดใน FDM เป็นวงกลม จึงมีรัศมีที่เท่ากับขนาดของหัวฉีด ดังนั้นชั้นแรกของการพิมพ์มีความสำคัญเป็นอย่างยิ่ง vertical holes ในขณะที่หัวฉีดพิมพ์แต่ละชั้นจะบีบอัดวัสดุพิมพ์ลงเพื่อปรับปรุงการยึดเกาะ ปัญหาที่มักพบในปัจจุบันเกี่ยวกับ Layer แรกของการพิมพ์ FDM คือการผิดรูป ซึ่ง ABS มีความเสี่ยงต่อการผิดรูปเนื่องจากใช้อุณหภูมิการพิมพ์สูงเมื่อเทียบกับPLA Layer แรกที่พิมพ์จะเย็นลงเมื่อ Layer อื่นๆ ถูกพิมพ์ที่ด้านบนทำให้เกิดการระบายความร้อนที่แตกต่างกันและอาจส่งผลให้ฐานม้วนตัวขึ้น เกิดการเด้งหลุดออกจากฐานสร้างชิ้นงานได้ ดังนั้นการเพิ่มมุมให้มนขึ้นหรือรัศมีตามขอบของชิ้นส่วนที่สัมผัสกับฐานจะช่วยลดผลกระทบของปัญหาเหล่านี้และจะช่วยในขั้นตอนการแกะชิ้นงานออกจาก build plate เมื่อพิมพ์เสร็จให้ง่ายขึ้น

การพิจารณาการออกแบบที่สำคัญ : หากการประกอบหรือขนาดโดยรวม มีความสำคัญต่อการใช้งานของชิ้นงาน รวมไปถึงการทำมุม 45 องศาของชิ้นงานหรือรัศมีบนขอบที่สัมผัสกับ build plate ต้องการความแม่นยำสูง แนะนำให้ใช้เทคโนโลยีอื่นเช่น SLA หรือ SLS


Vertical pins

หมุดแนวตั้งของเทคโนโลยี FDM มักจะถูกใช้เมื่อต้องการประกอบชิ้นส่วนหรือจัดตำแหน่ง เนื่องจากคุณสมบัติเหล่านี้มักจะใช้งานบ่อยมันจึงเป็นเรื่องสิ่งสำคัญที่จะต้องเข้าใจขนาดของหมุดแนวตั้งที่ FDM สามารถพิมพ์ได้อย่างถูกต้อง

หมุดเส้นผ่านศูนย์ขนาดใหญ่ (เส้นผ่านศูนย์กลางมากกว่า 5 มม.)

- ถูกพิมพ์ด้วยเส้นรอบวงและ infill ทำให้เกิดการเชื่อมต่อนั้นแข็งแกร่งระหว่างหมุดกับชิ้นงาน

หมุดเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดเล็ก (เส้นผ่านศูนย์กลางน้อยกว่า 5 มม.)

- สามารถสร้างขึ้นจากการพิมพ์ขอบรอบนอกเท่านั้นโดยไม่มี infill ซึ่งทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องระหว่างส่วนอื่นและหมุดอาจเกิดการแตกหักได้ ในกรณีที่เลวร้ายที่สุดหมุดขนาดเล็กอาจจะไม่พิมพ์เลย เนื่องจากมีวัสดุพิมพ์ไม่เพียงพอสำหรับใช้เป็นฐานในการขึ้นรูปชั้นถัดไป

บ่อยครั้งที่บำรุงรักษาเครื่องพิมพ์ที่ให้อยู่ในมาตรฐานที่ควรจะเป็น ( ความสูงของเลเยอร์ที่ดีที่สุด, ความเร็วในการพิมพ์, อุณหภูมิหัวฉีด ฯลฯ ) สามารถลดโอกาสที่หมุดขนาดเล็กจะผิดรูปได้ การเพิ่มรัศมีที่ฐานของหมุดจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงได้


การพิจารณาการออกแบบที่สำคัญ : หากการออกแบบของคุณมีพื้นที่เส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 5 มม. ให้เพิ่มขนาดที่ฐานเล็กน้อย หากการใช้งานมีความสำคัญให้ออกแบบรูไว้ในตำแหน่งของPINแทน แล้วจัดทำพินที่แข็งแรงขึ้นมาอีกชิ้นหนึ่งเสียบในตำแหน่งนั้นแทน


Advanced design

สำหรับการออกแบบขั้นสูง ประเด็นสำคัญหลายประการที่ควรพิจารณาเมื่อพิมพ์ด้วยเทคโนโลยี FDM คือวิธีการลดปริมาณการสนับสนุนที่ต้องการการวางแนวของชิ้นส่วนและทิศทางของชิ้นส่วนที่สร้างขึ้นบนแพลตฟอร์มการสร้าง

Splitting up your model

การแบ่งชิ้นส่วนของงานบ่อยครั้งที่การแยกชิ้นงานสามารถลดความซับซ้อน ช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายและเวลา ส่วนที่ยื่นออกมาซึ่งต้อง support จำนวนมากอาจถูกลบออกโดยการแยกรูปร่างที่ซับซ้อนออกเป็นส่วน ๆ ที่พิมพ์แยกกัน แล้วจึงประกอบเข้าด้วยกันในภายหลัง


Hole orientation

การหลีกเลี่ยง Support ของหลุมที่ดีที่สุดคือการเปลี่ยนการวางแนวการพิมพ์ การลบ Support ในหลุม หรือช่องว่างนั้นทำยาก แต่ด้วยการหมุนทิศทาง 90 องศา ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ Support สำหรับงานที่มีหลายหลุมในทิศทางต่าง ๆ จัดลำดับความสำคัญของหลุม จากเล็กที่สุดถึงใหญ่ที่สุด และวิเคราะห์ถึงการในงานในการวางแนว


Build direction

เนื่องจากธรรมชาติของการพิมพ์แบบ FDM การทำความเข้าใจการใช้ของชิ้นงานและวิธีการสร้างนั้นมีความสำคัญต่อความสำเร็จของการพิมพ์และแบบชิ้นงานของ FDM จะอ่อนแอลงในทิศทางของแกน Z การขาดความต่อเนื่องของวัสดุในรอยต่อแต่ละชั้นทำให้เกิดจุดอ่อน เนื่องจากการพิมพ์จากเส้น Filament และการฉีดเส้นกลมลงไปแต่ละชั้น ข้อต่อระหว่างแต่ละชั้นจึงเป็นร่องเล็ก ๆ สิ่งนี้เองจะเป็นจุดเริ่มต้นของการแตกของชิ้นงาน


บทสรุป

  • หากทางเชื่อมมีขนาดเกิน 5 มม. อาจเกิดการหย่อนหรือร่องรอยจากการถอด support การแยกการออกแบบหรือกระบวนการหลังการพิมพ์สามารถปัญหานี้ได้

  • สำหรับเส้นผ่าศูนย์กลางของรูในแนวตั้งที่สำคัญขอแนะนำให้เจาะหลังจากการพิมพ์หากต้องการความแม่นยำสูง

  • การเพิ่ม Support structures จะช่วยให้เครื่องพิมพ์ FDM พิมพ์มุมของส่วนที่ยื่นออกมาได้มากกว่า 45 องศา

  • สำหรับการใช้งานที่มีหมุดแนวตั้งขนาดเล็กให้เพิ่มขนาดที่ฐานเล็กน้อย หรือลองใส่ PIN ที่ถูกพิมพ์แยกลงในหลุมที่ชิ้นงานแทนการทำพินพร้อมชิ้นงาน

Related Post

News & Event

Technology Guide

Contact  Us

095-740-3441 ( Sale )

081-875-3630 ( Support )

Service@additivexthailand.com 

607/73-77  Soi Pradu 1, New Road, Bangklo, Bangkorlaem, Bangkok 10120 Thailand

Follow Us

  • Facebook
  • YouTube

Quick Link

Copyright © 2020, The Additive