การออกแบบชิ้นงานสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ / Designing for 3D Printing

การพิมพ์ 3 มิติคือการเปลี่ยนไฟล์ 3D ในคอมพิวเตอร์ให้กลายเป็นวัตถุจริงๆ ก่อนจะพิมพ์ชิ้นงานด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติได้ ต้องมีการวาดแบบ 3D ขึ้นมาก่อน โปรแกรมออกแบบ 3 มิติทำให้เรามีอิสระในการออกแบบชิ้นงานได้ตามต้องการโดยไร้ขีดจำกัด สามารถวาดรูปทรงที่มีขนาดและความซับซ้อนเท่าไหร่ก็ได้ แต่การพิมพ์ชิ้นงาน 3 มิติมีข้อจำกัดบางอย่าง เช่นแรงโน้มถ่วง การหดตัวและขยายตัวของพลาสติก ที่อาจทำให้ชิ้นงานที่ออกมาต่างไปจากที่ออกแบบไว้ตอนแรก สิ่งที่เราต้องไม่ลืมคือ "3D printer (ในปัจจุบัน) ไม่สามารถพิมพ์ได้ทุกอย่าง" ในบทความนี้เราจะพูดถึงสิ่งที่ควรระวังในการออกแบบชิ้นงานสำหรับการพิมพ์ 3 มิติ เพื่อให้ได้ชิ้นงานพิมพ์ที่มีคุณภาพสูงสุด โดยจะเน้นการพิมพ์แบบ FDM (เส้นพลาสติก) เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่แพร่หลายที่สุด

ระวังมุมองศาของ Overhang

Overhang คือส่วนของชิ้นงานที่ยื่นออกมากลางอากาศ เกิดจากการที่พลาสติกชั้นบนถูกรองรับเพียงบางส่วนจากด้านล่าง ชิ้นงานที่พิมพ์ด้วยเครื่องแบบ FDM จึงไม่ควรให้มีส่วน Overhang เกิน 45 องศา มิฉะนั้นอาจทำให้เส้นพลาสติกย้อยตัวลงตามแรงโน้มถ่วง ทำให้ผิวชิ้นงานไม่เรียบดังรูป หากหลีกเลี่ยงไม่ได้จริงๆสามารถแก้ปัญหาได้โดยการใส่ Support

ระวังส่วน Bridging

Bridging แปลตรงตัวก็คือการทอดสะพาน เกิดขึ้นเมื่อเครื่องพิมพ์ต้องเชื่อมสะพานเพื่อปิดช่องว่างระหว่างสองจุดบนชิ้นงาน เนื่องจากชั้นด้านล่างไม่มีอะไรมารองรับ เส้นพลาสติกที่เป็นสะพานจึงมักจะย้อยลง ทางแก้คือพยายามลดขนาดของช่องว่างที่ต้องทำการ Bridging หรือใช้วิธีใส่ Support เพื่อป้องกันพลาสติกย้อยลงมา

หลีกเลี่ยงการใช้ Support

หากเป็นไปได้ควรพยายามหลีกเลี่ยงการใช้ Support ในชิ้นงาน เนื่องจากผิวของชิ้นงานที่สัมผัสกับ Support มักจะมีความขรุขระ ไม่เรียบเนียน ต้องนำไปขัดแต่งเพิ่มเติม ดังรูปประกอบด้านล่าง

การหลีกเลี่ยงการใช้ Support ทำได้หลายวิธี ดังนี้

แบ่งส่วนชิ้นงาน

การแยกชิ้นงานเป็นส่วนย่อยๆเพื่อพิมพ์ทีละส่วนสามารถลดความจำเป็นของ Support ได้ เช่นรูปลูกบอลด้านล่าง นอกจากนี้ยังช่วยลดความซับซ้อนและเวลาในการพิมพ์ชิ้นงานได้ด้วย (หลังพิมพ์เสร็จแล้วสามารถนำมาประกอบกันได้)

จัดวางทิศทางชิ้นงานให้เหมาะสม

สามารถจัดวางทิศทางชิ้นงานเพื่อลดการใช้ Support ดังเช่นตัวอย่างต่อไปนี้

จัดวางชิ้นงานให้ส่วนที่เป็นรูหันขึ้นด้านบน เพื่อลดการใช้ Support

จัดให้ชิ้นงานมีมุมเอียงเล็กน้อย เพื่อลดการใช้ Support และให้ Support อยู่ด้านล่างของฐาน ทำให้รอยแกะ Support ไม่เด่นชัด

เปลือกชิ้นงานบางเกินไป (Wall Thickness)

Wall Thickness คือความหนาของกำแพงหรือเปลือกชิ้นงาน เครื่องพิมพ์ 3 มิติไม่สามารถพิมพ์กำแพงที่มีขนาดบางเกินไปได้ เนื่องจากหัวฉีดของเครื่องทั่วไปมีขนาด 0.4 mm ตามหลักการจึงไม่สามารถฉีดเส้นพลาสติกออกมาขนาดบางกว่า 0.4 mm ได้ ในความเป็นจริงเราแนะนำให้ตั้งความหนาของชิ้นงานไว้อย่างน้อย 1 mm เนื่องจากชิ้นงานที่บางเกินไปจะไม่แข็งแรง

ขอบชิ้นงานแอ่นตัว (Warping)

Warping หรือการแอ่นตัวของชิ้นงานโดยเฉพาะ ABS หรือ Nylon เกิดจากการที่พลาสติกที่ฉีดออกมาเย็นลงและหดตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้ขอบชิ้นงานโก่ง ในขั้นตอนการออกแบบสามารถลดโอกาสที่จะเกิดการ Warp โดยการหลีกเลี่ยงรูปทรงที่มีฐานแบนๆใหญ่ๆ หรือชิ้นงานที่มีขนาดยาว นอกจากนี้ยังสามารถแก้ปัญหาได้โดยการ Calibrate เครื่องพิมพ์ให้ดี การเตรียมพื้นผิวฐานพิมพ์ หรือใช้วัสดุอื่นที่หดตัวน้อยกว่าเช่น PLA หรือ HIPS

นอกจากนี้การปรับแต่งรูปทรงของชิ้นงานยังมีส่วนช่วยป้องกันการแอ่นตัวได้ด้วย เช่นชิ้นงานที่มีขอบโค้งมน (Fillet) จะมีโอกาสแอ่นตัวน้อยกว่าชิ้นงานที่มีขอบเหลี่ยมๆตรงๆ (เกิดจากแรงดึงจากการหดตัวของเส้นพลาสติกในชิ้นงานที่มีมุมแหลม) ดังเช่นตัวอย่างชิ้นงานด้านล่าง เป็นรูปทรง Prism คว่ำหน้า จะเห็นได้ว่าชิ้นงานที่หน้าสัมผัสกับฐานพิมพ์เป็นมุมแหลมจะเกิดการแอ่นตัวได้ง่ายกว่า ส่วนชิ้นงานที่มีขอบโค้งมนจะไม่เกิดการแอ่นตัว

เปรียบเทียบการแอ่นตัวของชิ้นงานที่มีขอบตรง (บน) และขอบโค้งมน (ล่าง)

เห็น Idea คร่าวๆกันไปแล้ว จะเห็นได้ว่าการออกแบบชิ้นงานเพื่อนำไปพิมพ์ 3 มิตินั้นมีปัจจัยที่ต้องคำนึงถึงอยู่หลายอย่าง หลายๆครั้งเราอาจต้องแก้แบบ 3D ในบางจุดเพื่อให้ชิ้นงานที่พิมพ์ออกมามีพื้นผิวและความแข็งแรงที่เหมาะสมที่สุด ในครั้งหน้าเราจะมาดูเทคนิคการออกแบบเพื่อการพิมพ์ 3 มิติชนิดอื่นๆ ติดตามความรู้ดีๆได้ในบทความจาก X3D ถัดไปครับ