ตะลุยโลกเครื่องพิมพ์สามมิติ ตอนจบ: มาเริ่มพิมพ์สามมิติกัน!

ในบทความตอนแรกที่ปูพื้นฐานจำเป็นเกี่ยวกับเครื่องพิมพ์สามมิติเอาไว้แล้ว ในตอนนี้เราจะมาพาไปรู้จักกับการพิมพ์สามมิติในเชิงปฏิบัติว่าจะต้องเตรียมการอย่างไรบ้าง มีอะไรที่ต้องระวังเป็นพิเศษ และต้องใช้อะไรในการพิมพ์บ้าง ผ่านวิธีการพิมพ์ยอดนิยมที่สุดอย่าง fused deposition modeling (FDM)

ในการเตรียมตัวก่อนเริ่มพิมพ์สามมิติ ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดก็ตาม มีองค์ประกอบที่ต้องเตรียมให้เรียบร้อยก่อนเริ่มทำคล้ายๆ คือต้องมีตัวเครื่องพิมพ์สามมิติ มีวัตถุดิบสำหรับพิมพ์ มีโปรแกรมสำหรับควบคุมเครื่องพิมพ์ (Slicer) และมีแบบพิมพ์สามมิติ ซึ่งสกุลไฟล์ที่ใช้กันแพร่หลายคือ .STL

จะหาแบบพิมพ์สามมิติได้จากไหน

จุดเริ่มต้นของการพิมพ์แบบสามมิติควรจะเริ่มจากการหาแบบพิมพ์ดิจิทัลสำหรับใช้พิมพ์สามมิติเสียก่อน เพื่อให้รู้ว่าสิ่งของที่พิมพ์นั้นมีโครงสร้างแบบใด ทำให้สามารถศึกษาข้อมูลเพื่อเลือกวัสดุ และวิธีการพิมพ์ที่เหมาะสมได้นั่นเอง สำหรับโครงสร้างของสิ่งของทั่วไปนั้นไม่ว่าจะพิมพ์ด้วยวิธีใดก็ไม่ต่างกันมากนัก แต่บางอย่างที่ซับซ้อนขึ้น หรือมีความต้องการพิเศษ อย่างเช่นเป็นรูปทรงเลขาคณิตซ้อนกัน การพิมพ์แบบฉีด (FDM) จะทำได้ยากกว่า เนื่องจากต้องใช้ซัพพอร์ตจำนวนมาก (ในกรณีที่เป็นเครื่องหัวฉีดเดี่ยว) ทำให้เก็บงานได้ยาก จนถึงอาจทำไม่ได้เลย ในขณะที่การพิมพ์แบบฉายแสงเรซิน (SLA) สามารถทำได้อย่างไม่ยากเย็นนัก

ปกติแล้วในการพิมพ์สามมิติของวงการอุตสาหกรรมจะขึ้นรูปแบบพิมพ์สามมิติที่ต้องการขึ้นมาเอง แต่พอผันมาสู่มือของผู้ใช้ทั่วไปแล้ว การหาแบบพิมพ์สามมิติเปลี่ยนไปสู่การทำแบบพิมพ์มาตรฐาน และเปิดให้ผู้ใช้สามารถปรับแต่งได้เองพอสมควร แม้ว่าจะทำให้การดัดแปลงปรับแต่งอันเป็นจุดเด่นของการพิมพ์สามมิติตกลงไป แต่ก็ทำให้การเข้าถึงแบบพิมพ์สามมิตินั้นง่ายขึ้นมาก

ไฟล์ .STL ที่ผู้ใช้เครื่องพิมพ์สามมิติโดยมากเลือกใช้นั้น มีให้ดาวน์โหลด (และขาย) ตามเว็บไซต์ต่างๆ มากมาย โดยเว็บไซต์ยอดนิยมที่เปิดให้ผู้คนอัพโหลด-ดาวน์โหลดไฟล์ พร้อมมีฟังก์ชันการแสดงผลไฟล์สามมิติได้ในตัวคงหนีไม่พ้น Thingiverse ซึ่งแต่เดิมทำมาสำหรับผู้ใช้เครื่องพิมพ์สามมิติของ MakerBot โดยเฉพาะ



ฟังก์ชันของ Thingiverse มีตั้งแต่การเรนเดอร์ไฟล์สามมิติที่ผู้ใช้รายอื่นอัพโหลดขึ้นมา โดยแสดงผลเป็นภาพนิ่ง และโมเดลสามมิติที่สามารถพลิกหมุนได้ รวมถึงสามารถดูว่ามีใครเคยนำแบบพิมพ์สามมิตินี้ไปลองพิมพ์แล้วบ้างได้ด้วย



แบบพิมพ์ที่อัพโหลดขึ้นบน Thingiverse มีทั้งแบบล็อกรูปแบบไว้ และเปิดให้ปรับแต่งได้ โดยแต่ละชุดของการพิมพ์ก็จะมีจำนวนชิ้นส่วนที่ต่างกันไปตามความซับซ้อนของสิ่งนั้นๆ



ตัวอย่างแบบพิมพ์ที่สามารถปรับแต่งได้

รู้จักกับเครื่องพิมพ์สามมิติ

หลังจากที่ได้แบบพิมพ์มาแล้ว ก็จะมาถึงส่วนต่อไปคือการเลือกเครื่องพิมพ์สามมิติให้เหมาะกับงาน ในบทความนี้หวยล็อกเอาไว้แล้วว่าจะใช้การพิมพ์แบบหัวฉีด (FDM) อยู่แล้ว และเครื่องพิมพ์ที่เราไปขอยืมมาทดสอบคือ ROBO 3D R1 เครื่องพิมพ์สามมิติราคาไม่แพงนัก (799 เหรียญ ประมาณ 26,000 บาท) ที่มีขนาดการพิมพ์อยู่ที่ 10" x 9"x 8" (720 ลูกบากศ์นิ้ว) ใช้หัวฉีดเดี่ยว รับเส้นพลาสติกได้ที่ขนาด 1.75 มม. พิมพ์ได้ละเอียดสุด 100 ไมครอน หน้าตาของเครื่องพิมพ์เป็นแบนี้ครับ



เครื่องพิมพ์ ROBO 3D



ด้านบน โมเพื่อใส่ม้วนเส้นพลาสติก แทนของเดิมที่ติดไว้ด้านข้างเครื่องซึ่งไม่แข็งแรงนัก

ส่วนประกอบสำคัญของเครื่องพิมพ์สามมิติแบบหัวฉีด (FDM) จะมีอยู่สองส่วนใหญ่ๆ หนึ่งคือแผ่นทำความร้อน (Heated bed) เพื่อให้ความร้อนกับพลาสติกที่ถูกฉีดลงไปบนฐาน ทำให้เกาะติด และไม่เสียรูปทรงในระหว่างทำงาน

วัสดุที่ใช้ทำเป็นแผ่นทำความร้อนนั้นหลากหลายตามแต่ผู้ผลิตจะเลือกใช้ ROBO 3D นั้นเลือกใช้กระจก ซึ่งสามารถทำความสะอาดได้ง่าย และแข็งแรงทนทานต่อความพยายามในการเอางานพิมพ์สามมิติออกมา



Heated bed ของ ROBO 3D เป็นกระจก และสามารถเลื่อนขึ้นลงเพื่อให้นำงานพิมพ์ออกมาได้ง่าย

ส่วนประกอบสำคัญอีกอย่างคือหัวฉีด พร้อมกลไกสำหรับขยับในแกน X, Y และ Z โดยหลักการใช้มอเตอร์สำหรับดึงเส้นพลาสติกเข้าไปยังหัวฉีดที่มีอุณหภูมิสูงมาก (มากกว่า 150 องศาเซลเซียส)





ในการใช้งานเครื่องพิมพ์สามมิติ เพื่อให้พิมพ์ได้ตรงตามแบบที่ตั้งค่าไว้ ตัวเครื่องต้องตั้งศูนย์ให้ตรงกับโปรแกรมที่ใช้งานตลอดเวลา โดยในเครื่องจะมีจุดสำหรับบอกตำแหน่งเริ่มต้นอยู่ตามตำแหน่งต่างๆ ตามภาพนี้เป็นจุดเริ่มต้นสำหรับแกน X (แนวนอน) และแกน Z (แนวตั้ง)





หมดในส่วนของตัวเครื่องพิมพ์สามมิติกันแล้ว เราจะไปต่อในส่วนของโปรแกรมจัดการพิมพ์ หรือ Slicer กันครับ

Slicer คืออะไร ใช้งานกับเครื่องพิมพ์สามมิติอย่างไร

Slicer เรียกได้ว่าเป็นเพื่อนแท้ของเครื่องพิมพ์สามมิติ โดยเฉพาะกับเครื่องพิมพ์ราคาไม่แพงนักที่มักจะใช้ตัวควบคุมเป็น Arduino แล้ว สิ่งที่จะบอกได้ว่างานพิมพ์จะออกมารูปแบบไหนนั้นก็คือ Slicer นี่เอง

โดยปกติแล้ว เครื่องพิมพ์สามมิติมักจะมากับโปรแกรมสำหรับควบคุมเครื่องพิมพ์สามมิติของตัวเอง แต่สำหรับเครื่องพิมพ์สามมิติราคาถูกมักจะทำให้อุปกรณ์ของตัวเองนั้นสามารถใช้งานได้กับ Slicer หลายประเภท ตัวที่เราเลือกมาใช้กับเครื่องพิมพ์ ROBO 3D นั้นคือ Cura ซึ่งเป็น Slicer สำหรับเครื่องพิมพ์ Ultimaker ซึ่งราคาแพงกว่ามากๆ

ในการติดตั้ง Cura จะมีไดร์เวอร์ของ Arduino ติดมาด้วย ทำให้สามารถใช้งานได้กับเครื่องพิมพ์ที่ใช้ Arduino เป็นส่วนควบคุมหลัก พอเปิดโปรแกรมขึ้นมาครั้งแรก โปรแกรมจะช่วยตั้งค่าให้เหมาะสมกับเครื่องพิมพ์ที่เชื่อมต่ออยู่ทันที



พอตั้งค่าเรียบร้อยแล้วจะพบกับหน้าหลักของ Cura ซึ่งมีแถบซ้ายสำหรับตั้งค่า และด้านขวาสำหรับแสดงผลโมเดลสามมิติ



สำหรับผู้ใช้เครื่องพิมพ์บางรุ่นที่ไม่ได้รองรับอย่างเป็นทางการโดย Cura จะต้องมาตั้งค่าเครื่องพิมพ์อีกที โดยรายละเอียดต่างๆ จะต้องดูจากสเปคของเครื่องพิมพ์นั้น หลักๆ แล้วก็จะมีพื้นที่การผลิต จำนวนหัวฉีด ตัวเครื่องมี Heated bed หรือไม่ เป็นต้น



ส่วนของการตั้งค่าจะแบ่งออกเป็นสองส่วนใหญ่ๆ ที่ควรรู้ คือการตั้งค่าพื้นฐาน และการตั้งค่าขั้นสูง ซึ่งมีรายละเอียดดังต่อไปนี้ครับ



Quality ส่วนที่คุมคุณภาพของงานพิมพ์ แบ่งเป็นสามตัวเลือกคือความสูงของชั้น (layer height) งานละเอียดสำหรับเครื่องพิมพ์ทั่วไปจะอยู่ที่ 0.1 มม. (100 ไมครอน) หากต้องการความเร็วการพิมพ์ที่มากขึ้นโดยมากจะเลือกไว้ที่ประมาณ 0.25 มม.

ความหนาของขอบ (shell thickness) คือขนาดของขอบตัวแบบ วัดจากด้านนอกสุดเข้ามาด้านใน สำหรับคนที่งงว่าทำไมต้องมีกำหนดความหนาด้วย จะเข้าใจมากขึ้นเมื่ออธิบายเรื่องการเติม (fill) ในข้อต่อไปครับ สุดท้ายของหมวด Quality คือการรองรับ retraction เพื่อให้หัวฉีดสามารถถอยเส้นพลาสติกได้ ทำให้ได้ขนาดของชั้นแรกตอนเริ่มพิมพ์ที่สม่ำเสมอ

Fill ส่วนควบคุมการเติมพื้นที่ภายใน (บางครั้งเรียกว่า in fill) เนื่องจากการพิมพ์สามมิตินั้น ไม่ใช่การพิมพ์ทึบ แบบถมทุกชั้นในราบเป็นหน้ากลอง แต่เป็นการพิมพ์แบบตาข่ายเพื่อเสริมความแข็งแกร่งเท่านั้น วิธีนี้ทำให้เปลืองวัตถุดิบลง และพิมพ์ได้เร็วขึ้น (มากๆ) สิ่งที่ต้องตั้งค่าในส่วนนี้คือความหนาของขอบบน-ล่าง และสัดส่วนการพิมพ์ภายในตัวแบบ (หน่วยเป็น %)

ต่อมาเป็นการตั้งค่าความเร็ว และอุณหภูมิการพิมพ์ (speed and temperature) ซึ่งจะสอดคล้องกับเส้นพลาสติกที่ใช้พิมพ์ สำหรับการพิมพ์ด้วยพลาสติกแบบ ABS จะใช้ความร้อนหัวฉีดอยู่ที่ประมาณ 230 องศาเซลเซียส และใช้ความร้อน Heated bed ที่ราว 70-80 องษาเซลเซียส ส่วน PLA จะใช้ความร้อนน้อยกว่าที่ประมาณ 180-220 องศาเซลเซียส และบางครั้งไม่จำเป็นต้องใช้ความร้อนจาก Heated bed มาช่วยอีกด้วย

สำหรับตัวเลือกที่เหลืออย่างความเร็วการพิมพ์นั้น จะสัมพันธ์กับการปล่อยเส้นพลาสติกเข้าไปในหัวฉีดอีกทีครับ

Support หรือการตั้งค่าส่วนเสริมให้การพิมพ์บางรูปแบบสามารถทำได้ตามที่วางไว้ เช่นพิมพ์ชิ้นส่วนที่ลอยขึ้นจากฐานยึด เป็นต้น การตั้งค่าส่วนเสริม โดยทั่วไปมักจะเลือกเฉพาะส่วนที่จำเป็นเท่านั้น เครื่องพิมพ์จะพิมพ์ชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อกับฐานด้านล่างขึ้นมา โดยทำให้สามารถหักออกเพื่อเก็บงานได้ง่าย

สำหรับการพิมพ์แบบหัวฉีด กับเส้นพลาสติก ABS จะมีปัญหาหลักคือตัวแบบยกตัว ทำให้ตำแหน่งการพิมพ์คลาดเคลื่อน (มีรูปให้ดูตอนท้าย) ตรงนี้มีตัวเลือกเพื่อแก้ปัญหานี้โดยเฉพาะ ด้วยการพิมพ์เพิ่มในส่วนฐาน แบ่งเป็นสองแบบดังนี้

• Brim - คือการพิมพ์เลเยอร์ขนาดใหญ่รอบฐานชั้นแรก เพื่อยึดติดอยู่กับ Heated bed ไม่ให้ยกตัวขึ้นมา (มีรูปตอนท้าย)
• Raft - คือการพิมพ์ฐานหนาใต้ตัวแบบ ข้อเสียคือทำให้พื้นผิวใต้ฐานนั้นไม่เรียบ

Filament คือการตั้งค่ารองรับเส้นพลาสติก ส่วนนี้จะง่ายหน่อยเพราะเครื่องพิมพ์ส่วนมากรองรับเส้นพลาสติกขนาด 1.75 มม. อีกตัวเลือกคือการไหลของเส้นพลาสติก ซึ่งต้องปรับให้เข้ากับความเร็วในการพิมพ์ด้วย ตรงนี้ต้องค่อยๆ ปรับแต่งกันไปตามถนัดครับ

ในส่วนของการตั้งค่าขั้นสูง ที่ควรรู้ไว้จะมีเรื่องของขนาดรูฉีด (nozzle size) ซึ่งจะมีผลกับการเติมภายใน (in fill) และความสม่ำเสมอของงานพิมพ์นั่นเอง ส่วนที่เหลือจะเป็นการตั้งค่ายิบย่อย เช่นตั้งให้พิมพ์ช้าลงสำหรับฐาน แล้วพิมพ์ไวขึ้นเมื่อเริ่มเติมภายใน เป็นต้น

รู้จักกับการตั้งค่ามากมายก่ายกองเสร็จแล้ว ก็มาเริ่มพิมพ์กันเสียครับ

การตั้งค่าก่อนพิมพ์ และขั้นตอนการพิมพ์สามมิติ!

การเริ่มพิมพ์สามมิตินั้นเริ่มต้นด้วยการเปิดไฟล์ขึ้นมาเสียก่อน เพื่อง่ายต่อการอธิบาย บทความนี้จะลองพิมพ์อะไรง่ายๆ อย่างป้ายติดกระเป๋าเดินทาง ว่าแล้วก็เปิดไฟล์ .STL กันเลย จากไอคอนรูปโฟลเดอร์ที่อยู่ด้านซ้ายบนของหน้าแสดงโมเดลสามมิติครับ



เปิดมาแล้วจะได้หน้าตาแบบนี้ครับ ที่มุมซ้ายบนใต้ปุ่มตั้งค่าจะเป็นเวลาการพิมพ์สามมิติโดยประมาณ ขนาด และปริมาณพลาสติกที่ใช้ (สามารถคลิกขวาแล้วลากเพื่อเปลี่ยนมุมมองได้)





ด้านซ้ายล่างจะเป็นตัวเลือกสำหรับปรับโมเดลสามมิติก่อนพิมพ์ โดยตัวเลือกแรกสุดเอาไว้สำหรับหมุนตัวแบบ ตามแกน X, Y และ Z ครับ



ตัวเลือกที่สองไว้สำหรับขยายขนาด สามารถปรับได้ทั้งเป็นสเกล และเป็นขนาดตามมาตรวัดมม.



ตัวเลือกสุดท้ายมีไว้สำหรับกลับวัตถุ (mirroring) ทำได้ทั้งแกน X, Y และ Z เช่นกัน



สำหรับการพิมพ์นั้นสามารถเพิ่มแบบพิมพ์เข้าไปได้จนกว่าจะเต็มพื้นที่ แน่นอนว่ายิ่งมากชิ้นก็ยิ่งทำให้ใช้เวลานานขึ้นเป็นเงาตามตัว



พอตั้งค่าเรียบร้อยก็สามารถกดสั่งพิมพ์ ตัวเครื่องก็จะเริ่มทำงานตามคำสั่งที่วางไว้ เริ่มต้นด้วยการถอยเส้นพลาสติก ไปที่มุม และลากเข้ามาเพื่อร่างกรอบครอบส่วนที่จะพิมพ์ ตามภาพครับ





เมื่อร่างขอบเรียบร้อยแล้ว เครื่องพิมพ์จะเริ่มพิมพ์ฐานซึ่งสำคัญมากในการพิมพ์สามมิติ แนวการพิมพ์จะเป็นแนวแทยง เพื่อให้ได้พื้นที่ต่อการขยับหัวฉีดที่มากขึ้น





ในการพิมพ์ฐาน สิ่งที่ควรระวังคือตำแหน่งของฐานความร้อนที่อาจจะไม่เท่ากัน บางครั้งทำให้หัวฉีดไม่แตะกับฐานมากพอ ส่วนฐานจะบาง และอาจทำให้งานล้มเหลวได้ (แต่ทำให้ฐานไม่เรียบแน่ๆ แล้วหนึ่งอย่าง)



เมื่อพิมพ์ฐานชั้นล่างได้ความหนาตามที่ตั้งค่าไว้แล้ว จะเข้าสู่การเติมภายใน (in fill) โดยหัวฉีดจะพิมพ์ในแนวแทยงสลับกันไปมา ทำให้การพิมพ์แต่ละชั้นใช้เวลาน้อยลง





เนื่องจากอันนี้เป็นงานพิมพ์อย่างง่าย ใช้เวลาไม่นานนัก ก็ออกมาเป็นรูปเป็นร่างแล้ว เพื่อให้งานออกมาเรียบร้อย เครื่องพิมพ์จะพิมพ์ขอบบนหนาตามที่เราตั้งค่าไว้ครับ (ในที่นี้คือ 0.6 มม.)





การพิมพ์สามมิตินั้น ยิ่งซับซ้อนมากขึ้นเท่าไหร่ ยิ่งต้องการปรับแต่งมากขึ้นเท่านั้น และเพื่อให้งานออกมาสวยงาม ต้องมีการขับด้วยกระดาษทรายเพื่อเก็บงาน และพ่นสีทับอีกครับ

ปัญหาที่มักจะเกิดกับการพิมพ์สามมิติ และการแก้ไข

ปัญหาหลักๆ ของการพิมพ์สามมิติแบบหัวฉีด (FDM) คือการยกตัวของพลาสติก ABS อันเนื่องจากอุณหภูมิ ซึ่งส่งผลให้งานพิมพ์คลาดเคลื่อนจนถึงล้มเหลวไปเลย เมื่อเกิดการยกตัวจะเป็นแบบนี้ครับ



วิธีการแก้ไขปัญหายกตัวมีตั้งแต่แก้เฉพาะหน้าอย่างการเอาเทปมาแปะไม่ให้ยกตัวมากขึ้นไปกว่านี้ ไปจนถึงการแก้ไขตั้งแต่เนิ่นๆ อย่างการพิมพ์ส่วนเสริมมาช่วยครับ



แปะเทปซะ!

ในกรณีที่คาดการณ์ไว้ก่อนแล้วว่าแบบอาจจะยกตัวได้ การแก้ไขด้วยตัวเครื่องคือการพิมพ์ส่วนเสริมจากงานพิมพ์ออกมา ในภาพคือการพิมพ์ฐานยึด (Brim) มาคอยยึดตัวแบบไว้ไม่ให้ยกตัว โดยสามารถฉีกออกได้โดยง่าย (แต่กว่าจะออกจากฐานได้ ยาก...)



สำหหรับการพิมพ์งานบางแบบที่มีการลอยตัว เช่นที่หนีบ ส่วนโค้งที่ฐาน จะมีการพิมพ์ส่วนเสริมมาช่วยให้สามารถพิมพ์ได้ง่าย ตามภาพด้านล่าง ซึ่งตรงนี้สามารถเอาออกได้ภายหลังในระหว่างเก็บงานได้มายากนัก



ปิดท้ายบทความนี้กันด้วยงานพิมพ์แบบอื่นๆ ที่ใช้ชิ้นส่วนหลายอันมาประกอบกัน อย่างเครื่องยิงเหรียญอันนี้ครับ





ประกอบร่าง!

สำหรับใครที่ยังมีข้อสงสัยเกี่ยวกับการพิมพ์สามมิติ สามารถทิ้งคำถามเอาไว้ได้นะครับ และขอขอบคุณทาง The Startup Factory ที่เอื้อเฟื้อเครื่องพิมพ์สามมิติมาให้ทดลองใช้ในครั้งนี้ด้วยครับ



3D Printing, In-Depth