วัสดุสำคัญในการพิมพ์สามมิติที่คุณควรรู้จัก (1)

ด้วยความนิยมและความก้าวหน้าของการพิมพ์ 3 มิติที่เพิ่มมากขึ้นในปัจจุบัน ความต้องการวัสดุเฉพาะทางจึงเพิ่มขึ้นตามไปด้วย บทความนี้ตั้งใจให้ภาพรวมของวัสดุสำคัญในการพิมพ์สามมิติคือ พลาสติก โลหะ และวัสดุอื่น ๆ ที่ได้รับความนิยมและถูกนำมาใช้มากที่สุดมาแนะนำให้รู้จักกัน เพื่อเป็นฐานความรู้ในเรื่องนี้

ปัจจุบันมีการใช้งานวัสดุการพิมพ์ 3 มิติหลากหลายประเภทในอุตสาหกรรม นอกจากพลาสติกแล้ว โลหะยังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อย ๆ โดยวัสดุโลหะนั้นนิยมใช้ในการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ หรือ AM สำหรับการผลิตเครื่องมือในไลน์การผลิตต่างๆ (manufacturing tools)  หรือ การขึ้นรูปแม่พิมพ์รวดเร็ว (Rapid Tooling) หรือ สำหรับส่วนประกอบขั้นสุดท้ายในการผลิตอย่างรวดเร็ว (rapid manufacturing) แต่วัสดุที่ถูกใช้งานมากที่สุดทั้งในภาคอุตสาหกรรมและการใช้งานส่วนตัวก็คือพลาสติกสำหรับการพิมพ์สามมิติ การพิมพ์พลาสติก 3 มิติส่วนใหญ่ใช้ในการสร้างงานต้นแบบ (prototypes) และแบบจำลอง (models)  อย่างไรก็ตาม เวลานี้ ส่วนประกอบขั้นสุดท้าย หรือ final components และผลิตภัณฑ์ทั้งหมดถูกสร้างขึ้นโดยใช้กระบวนการเติมเนื้อโพลีเมอร์มากขึ้น

 

---

• 3 วัสดุพอลิเมอร์ใหม่สำหรับการพิมพ์ 3 มิติประสิทธิภาพสูง
• 3D INSIGHTS | สิ่งที่การพิมพ์สามมิติต้องแก้หากจะเติบโต
• METAL ADDITIVES – สารเติมแต่งโลหะสำหรับตลาดพลาสติกวิศวกรรมที่กำลังเติบโต
• AM TECHNOLOGY: จับเซรามิกส์และโลหะมาขึ้นรูปด้วยเทคโนโลยีระดับนาโน – NPJ

---

อย่างไรก็ตาม ในเงาของวัสดุโพลีเมอร์และโลหะ วัสดุการพิมพ์ 3 มิติประเภทอื่น ๆ ก็กำลังค้นหาพื้นที่ใหม่ ๆ ในการใช้งานมากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งรวมถึงทราย เซรามิก แก้ว และคอนกรีต ทรายเป็นวัสดุที่กำลังได้รับความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ ในด้านการทำแม่พิมพ์อุตสาหกรรม ปัจจุบันโรงหล่อหลายแห่งผลิตแม่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ทราย 3 มิติ (3D sand printer) ส่วนการพิมพ์คอนกรีต 3 มิติก็ได้รับการพัฒนาทางเทคนิคอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตัวอย่างเช่น ในปี 2020 อาคารที่พักอาศัยที่สร้างขึ้นจากการพิมพ์ 3 มิติแห่งแรกในเยอรมนีก็ถูกสร้างขึ้นจากคอนกรีต

เราจะเริ่มกันจากวัสดุพลาสติกที่ใช้ในการพิมพ์สามมิติที่มีความสำคัญที่สุดในเวลานี้คือ:

---

PLA (Polylactide) หรือ โพลีแล็คไทด์

PLA เป็นวัสดุการพิมพ์ 3 มิติที่ได้รับความนิยมมากที่สุดชนิดหนึ่ง เป็นโพลีเมอร์สังเคราะห์ชนิดหนึ่งซึ่งอยู่ในหมวดของโพลีเอสเทอร์ เนื่องจาก PLA ผลิตมาจากวัตถุดิบในธรรมชาติ เช่น แป้งข้าวโพดจึงสามารถย่อยสลายและนำมารีไซเคิลได้

เมื่อเทียบกับวัสดุโพลีเมอร์อื่น เช่น ABS, PLA สามารถแปรรูปได้ด้วยจุดหลอมละลายต่ำเพียงแค่ 70 ° C ทำให้เป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับผู้ใช้งานมือสมัครเล่นเช่นกัน นอกจากนี้ PLA มักจะยังมีความเสถียรทางมิติในระหว่างกระบวนการทำความเย็นและมีการเสียรูปเพียงเล็กน้อย ประโยชน์อีกข้อของ PLA ที่สามารถนำมาพิมพ์ได้ก็คือมีสีสันให้เลือกหลากหลายสี อย่างไรก็ตาม เราไม่สามารถใช้ PLA สำหรับส่วนประกอบที่มีความเค้นสูงได้ เนื่องจาก PLA ไม่สามารถทนกับงานโหลดหนัก ๆ และความร้อนได้

นอกจาก PLA แล้วก็ยังมีการพัฒนาพอลิเมอร์ที่สามารถย่อยสลายได้ทางชีวภาพอื่น ๆ อีกจำนวนหนึ่ง

ABS หรือ Acrylonitrile Butadiene Styrene

นอกเหนือจาก PLA แล้ว ABS ยังเป็นวัสดุพลาสติกชนิดหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการพิมพ์ 3 มิติ พอลิเมอร์สังเคราะห์นี้ทำจากอะคริโลไนไตรล์ 1.3 บิวทาไดอีนและสไตรีน ข้อดีสำคัญของ ABS คือความแข็งแกร่ง ความเหนียว และความทนทาน ดังนั้นจึงเหมาะสำหรับการผลิตทั้งผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายและการสร้างต้นแบบ

อย่างไรก็ตาม ความต้านทานต่อสภาพอากาศยังไม่ดีนักแต่ก็ยังดีกว่า PLA นอกจากนี้ ABS ยังมีราคาค่อนข้างถูกและมีให้เลือกหลายสี อย่างไรก็ตาม สำหรับผู้ใช้มือสมัครเล่น วัสดุ ABS มีข้อเสียอย่างชัดเจนคือ มีจุดหลอมเหลวสูง สามารถพิมพ์ได้ที่อุณหภูมิระหว่าง 220 ถึง 250 ° C  เย็นช้า ดังนั้น ขอแนะนำให้ใช้ระบบห้องความร้อน หรือ ฐานวางชิ้นงานแบบร้อน (Heat Printing Bed) ซึ่งเป็นวิธีเดียวที่จะทำให้มั่นใจได้ว่าส่วนประกอบต่าง ๆ จะเย็นลงโดยมีการควบคุมซึ่งจะช่วยป้องกันการเสียรูปของชิ้นงานได้

---

PEEK (Polyetheretherkton)

PEEK เป็นโพลีเมอร์สังเคราะห์จากกลุ่มของพอลิเอเทอร์อีเทอร์ จึงเหมาะกับการผลิตชิ้นส่วนที่มีความยืดหยุ่นสูงและยังทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดีอีกด้วย นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติทางชีวภาพ (biocompatible) และทนต่อสารเคมี PEEK มีน้ำหนักเบากว่าโลหะที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกันประมาณ 70% แต่ยังมีเสถียรภาพในการทนต่อความร้อนและทางกลใกล้เคียงกัน ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ PEEK เป็นวัสดุยอดนิยมในอุตสาหกรรมยานยนต์, เคมี และอวกาศ เนื่องจาก PEEK มีอุณหภูมิในการโปรเซสอยู่ที่ 360 ถึง 380 ° C โดยทั่วไปจึงไม่เหมาะสำหรับผู้ใช้มือสมัครเล่น แน่นอนว่าอุณหภูมิการพิมพ์ที่สูงระดับนี้ต้องใช้ระบบห้องความร้อนซึ่งทำให้ชิ้นส่วนเย็นลงอย่างช้า ๆ โดยไม่เสียรูป

HIPS หรือ High Impact Polystyrene

พอลิเมอร์เทอร์โมพลาสติกชนิดนี้ผลิตด้วย polymerising polybutadiene ไปเป็น Polysterol HIPS มีข้อดีคือ ความแข็งมากและสามารถรองรับแรงกระแทกได้สูงมาก ซึ่งแตกต่างจากวัสดุ เช่น ABS คุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของ HIPS ก็คือความสามารถในการละลายได้ในสารเคมีบางชนิด ด้วยลิโมนีนซึ่งมักถูกใช้ในอุตสาหกรรม เนื่องจากความสามารถในการละลายนี้จึงทำให้ HIPS เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเป็นวัสดุสนับสนุนสำหรับพอลิเมอร์ชนิดอื่น

---

PA (Nylon/Polyamide)

แต่เดิมไนลอนได้รับการพัฒนาเพื่อทดแทนผ้าไหม ด้วยคุณสมบัติมีความต้านทานแรงดึงสูง ไม่เป็นพิษและมีจุดหลอมเหลวที่ประมาณ 250 ° C การใช้ไนลอนในการพิมพ์ 3 มิติยังค่อนข้างใหม่ อย่างไรก็ตามก็ได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากเป็นวัตถุพิมพ์ที่มีความเหนียวและทนต่อความเสียหายได้ และเนื่องจากไนล่อนถูกใช้อย่างแพร่หลายอยู่แล้วในอุตสาหกรรมอื่น จึงมีราคาไม่แพงและยังไม่ถูกทำลายจากสารเคมีทั่วไป

ไนลอนต้องใช้อุณหภูมิในการพิมพ์สูงประมาณ 250 ° C ซึ่งสูงกว่าที่เครื่องพิมพ์มือสมัครเล่นทั่วไปจำนวนมากจะสามารถจัดการได้ นอกจากนี้ยังเป็นเรื่องยากที่จะทำให้ไนลอนยึดติดกับฐานรองชิ้นงานหรือ print bed เมื่อเทียบกับ ABS หรือ PLA โดยปกติจะต้องใช้ทั้งฐานรองแบบร้อนและกาว (white glue) เพื่อยึดติดระหว่างการพิมพ์

PET (polyethylene terephthalate)

หลายคนคุ้นเคยกับ PET ในรูปแบบขวดเครื่องดื่ม ข้อได้เปรียบที่สำคัญของวัสดุชนิดนี้คือ ความปลอดภัยสำหรับการสัมผัสกับอาหารและสามารถใช้เป็นบรรจุภัณฑ์ได้ นอกจากนี้ยังไม่มีไอระเหยเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการหลอมละลาย เนื่องจากไม่จำเป็นต้องมีระบบห้องความร้อนในการพิมพ์  PET จึงได้รับความนิยมเป็นพิเศษสำหรับผู้ใช้การพิมพ์ 3 มิติทั่วไปแบบส่วนตัว นอกจากนี้ PET ยังค่อนข้างแข็งแรงและยังมีความยืดหยุ่นในเวลาเดียวกัน ดังนั้นจึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับผู้ใช้มือสมัครเล่นที่พิมพ์อุปกรณ์ หรือสิ่งของในชีวิตประจำวันทั่วไป

PETG (PET with glycol)

PETG เป็น PET ที่ถูกดัดแปลงด้วยการเติม ไกลคอล / glycol ลงไป การปรับเปลี่ยนนี้ช่วยให้เกิดวัสดุที่มีความโปร่งใสสูงและทำให้คุณสมบัติในการพิมพ์ดีขึ้นด้วย สามารถพิมพ์ได้ที่อุณหภูมิหลอมเหลวต่ำและเกิดการตกผลึกน้อย นอกจากนี้ PETG ยังสามารถอัดขึ้นรูปได้เร็วขึ้น เนื่องจากมีความหนืด (ความเหนียว) ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ PET นอกจากนี้ เนื่องจาก PETG มีความทนทานต่อสภาพอากาศ จึงมักถูกใช้สำหรับการผลิตภาชนะ เช่น แจกัน โคมไฟหรือเฟอร์นิเจอร์และอุปกรณ์ที่ใช้ในสวน ทนร้อนตั้งแต่ 75 ºC จนไปถึง 200 ºC ในบางชนิด ใช้อุณหภูมิในการพิมพ์ 220-260 ºC ดังนั้นเครื่อง 3D Printer ทั่วไปสามารถใช้งานได้

---

อ้างอิง: https://www.etmm-online.com/these-are-the-most-important-3d-printing-materials-a-1004480/

บทความที่เกี่ยวข้อง:

DMG Mori Lasertec 30 Dual SLM | เครื่องพิมพ์โลหะ 3 มิติเลเซอร์พลังงานสูง

Felix Bio Printer | เครื่องพิมพ์ชีวภาพใหม่ล่าสุดจาก Felix

Additive manufacturing in toolmaking | โครงการดีๆ สำหรับ AM ในการผลิตเครื่องมือ