‘Voxelfill’ การพิมพ์ส่วนประกอบ 3 มิติ ที่มีความแข็งแกร่ง สม่ำเสมอ และน้ำหนักเบา

ทำไมหลังคาบ้านต้องเป็นลอน? ทำไมผนังอิฐต้องวางอิฐสลับตำแหน่งกัน? เหตุผล คือ การเพิ่มความแข็งแรงที่นอกเหนือจากความแข็งแรงจากเนื้อวัสดุ ขอบวัสดุที่โค้งจะรับน้ำหนักได้ดีกว่าแผ่นเรียบ หรือ การวางอิฐสลับกันเป็นการออกแบบโครงสร้างที่ช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการรับน้ำหนัก

สิ่งนี้เกี่ยวเนื่องมาถึงความสามารถในการใช้งานจริงได้ของวัสดุที่พิมพ์ 3 มิติ โดยการพิมพ์ 3 มิติจะสามารถนำมาใช้งานเป็นผลิตภัณฑ์จริงได้หรือไม่นั้นมีหลายปัจจัย ต้นทุนต้องแข่งขันได้ คุณสมบัติเชิงกลต้องผ่านเกณฑ์ โดย Aim 3D เป็นบริษัทการพิมพ์ 3 มิติที่มุ่งมั่นผลักดันให้การพิมพ์ 3 มิติสามารถใช้งานจริงได้ในเชิงพาณิชย์ผ่าน 2 มาตรการ อย่างแรกเพื่อตอบโจทย์เรื่องต้นทุน คือ การทำให้เครื่องพิมพ์สามารถใช้วัตถุดิบแบบเม็ด (Pallet) ที่ใช้ในกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิม และต้นทุนลดลงประมาณ 20 เท่า อย่างที่ 2 เพื่อตอบโจทย์ทั้งเรื่องต้นทุนและคุณสมบัติเชิงกล คือ กระบวนการ ‘Voxelfill’ เป็นการพิมพ์แบบรังผึ้งเพื่อให้การกระจายแรงดีขึ้น และแก้ปัญหาความเปราะในแนวแกน Z เนื่องจากการพิมพ์ที่เป็นชั้น ๆ ซึ่งปัญหานี้ไม่เกิดกับแนวแกน X และ Y ดังนั้นการรับแรงในแนวแกน Z สามารถชดเชยด้วยกระบวนการ Voxelfill กระบวนการนี้สามารถทำได้ด้วยการสนับสนุนของซอฟต์แวร์ Slicing แบบจำลอง 3 มิติ เพื่อสั่งการให้เครื่องพิมพ์พิมพ์ตามแบบในคอมพิวเตอร์ โดย Voxelfill จะเติมเนื้อวัสดุลงในโครงตาข่ายแบบสลับกัน เพื่อให้แรงสามารถกระจายออกไปได้เท่า ๆ กัน ในขณะที่กระบวนการนี้ยังสามารถเลือกความหนาแน่นของวัสดุเฉพาะจุดได้อีกด้วย

Voxelfill หมายถึง การเติม Voxel ซึ่งความหมายคล้ายกับ Pixel ที่เป็นสี่เหลี่ยมเล็ก ๆ ประกอบกันเป็นรูปภาพ โดยที่ Pixel นั้นใช้กับภาพ 2 มิติ แต่ Voxel เป็นแบบ 3 มิติ แต่ละหน่วยจะเป็นลูกบาศก์ 3 มิติ (ที่มา: Aim3D)

บริษัทซอฟต์แวร์สัญชาติเดนมาร์ก ‘Create it Real’ และบริษัทผู้ผลิตเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ‘Aim 3D’ ร่วมมือกันพัฒนาโซลูชันซอฟต์แวร์ ‘Slicex’ เพื่อรวมกระบวนการ Voxelfill เข้าไปในระบบการพิมพ์ Exam 255 และ Exam 510 ของ Aim 3D เพื่อสร้างส่วนประกอบ 3 มิติที่แข็งแกร่งและสม่ำเสมอมากขึ้นในวัสดุหลากหลายประเภทรวมทั้งเหล็กและเซรามิก ตลอดจนสามารถเลือกความหนาแน่นของชิ้นงานเฉพาะจุดได้ (เสริมให้ความแข็งแกร่งมากกว่าในบริเวณที่รับแรง ตลอดจนปรับจุดศูนย์ถ่วงของชิ้นงานได้ตามต้องการ) 

Visualisation of Slice EX บนอินเตอร์เฟสผู้ใช้ของ ExAM 510 จาก Aim 3D

(ที่มา: Aim 3D)

Voxelfill เพิ่มประสิทธิภาพ ลดอุปสรรคการพิมพ์ 3 มิติมาใช้งานจริงในวงกว้าง

• เพิ่มความแข็งแกร่งและความยืดหยุ่นได้มากในแนวแกน Z ขั้นตอนการพิมพ์ 3 มิติทีละชั้น ทำให้เกิดความแข็งแกร่งที่ไม่สม่ำเสมอ มีความเปราะในแนวแกน Z ตลอดจนความต้านทานต่อแรงดึงและแรงดัดต่ำ ในขณะที่แกน X และ Y ให้ความแข็งแกร่งที่ใกล้เคียงกับการฉีดขึ้นรูปแบบเดิม กระบวนการ Voxelfill ใช้การเติมวัสดุข้ามชั้นทำให้เกิดการกระจายแรงที่สม่ำเสมอเพิ่มความแข็งแกร่งตามแนวแกน Z ในขณะที่การเติมวัสดุเพียงครึ่งเดียวในโครงตาข่ายทำให้ได้ข้อดีอีก 3 ประการ
• ความเร็วในการพิมพ์เพิ่มขึ้น
• น้ำหนักเบาลง 
• ประหยัดต้นทุนวัสดุ 

2 ขั้นตอนในกระบวนการ Voxelfill

• ขั้นแรก เค้าโครงของส่วนประกอบถูกสร้างขึ้นก่อน รูปแบบตาข่าย (Lattice) ถูกสร้างภายในส่วนประกอบ ซึ่งกำหนดขอบเขตของหน่วยปริมาตรที่จะเติม โครงสร้างนี้มีลักษณะคล้ายรวงผึ้ง
• ขั้นที่สอง โพรง (Voxel) ถูกเติมด้วยวัสดุเทอร์โมพลาสติกฉีดด้วยเครื่องอัดรีด (Extruder) เป็นการเติมสับหว่างกันแบบ ‘พันธะแบบอิฐ’ การทำเช่นนี้ช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งได้เป็นอย่างมากและเพิ่มความยืดหยุ่นในทิศทางแกน Z

Voxelfill สามารถกำหนดวัสดุแบบไฮบริดได้

วัสดุเติม Voxelfill และโครงสร้าง/โครงร่างของผนังด้านในสามารถที่จะใช้วัสดุแตกต่างกันได้ คุณสมบัติของวัสดุสามารถ ‘ปรับแต่งได้’ น้ำหนักส่วนประกอบที่กำหนด คุณสมบัติการหน่วง ความยืดหยุ่นหรือการเปลี่ยนจุดศูนย์ถ่วงสามารถปรับให้เข้ากับการใช้งานได้ การเลือกเติมบางช่อง Voxel ทำให้เลือกความหนาแน่นได้ คุณสมบัติของวัสดุสามารถกำหนดได้บนพื้นฐานของการจำลอง FE (Finite Element) การเติมส่วนประกอบใน Voxel เฉพาะที่จำเป็นต่อการไหลของแรง ส่วนประกอบที่ผลิตด้วยวิธีนี้เมื่อดูจากภายนอกจะเหมือนชิ้นส่วนธรรมดา และยังสามารถได้ประโยชน์จากกระบวนการตกแต่งได้

การใช้วัสดุเสริมไฟเบอร์ร่วมกับ Voxelfill

กระบวนการ Voxelfill ช่วยลดวัสดุและน้ำหนัก ทำให้สามารถผลิตส่วนประกอบที่มีน้ำหนักเบาได้ ยิ่งเมื่อใช้กับวัสดุเสริมไฟเบอร์ กระบวนการ CEM สามารถควบคุมทิศทางของไฟเบอร์ได้ การเติมไฟเบอร์ให้มีทิศทางในแนวแกน Z ในกระบวนการ Voxelfill จะยิ่งช่วยยกระดับคุณสมบัติเชิงกลให้ดีขึ้นไปอีกVoxelfill ช่วยให้ประสิทธิภาพการพิมพ์ที่เร็วขึ้น ประหยัดวัสดุ ส่วนประกอบที่แข็งแรง และมีน้ำหนักเบา เป็นอีกก้าวสำคัญที่จะทำให้การพิมพ์ 3 มิติสามารถนำมาใช้งานจริงได้มากขึ้น

บทความอ้างอิง: https://www.etmm-online.com/

บทความที่น่าสนใจ

• AIM3D ยกระดับความแข็งแกร่งของชิ้นส่วนจากการพิมพ์ 3 มิติ ด้วยสิทธิบัตรเฉพาะอย่าง Voxelfill
• ใช้ AI ผ่านแว่น AR เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการประกอบชิ้นส่วนและควบคุมคุณภาพ 

About The Author