การพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM: ทุกสิ่งที่คุณจำเป็นต้องรู้

สนใจที่จะเรียนรู้เกี่ยวกับหลักพื้นฐานของการพิมพ์ 3 มิติด้วย FDM หรือไม่ บทความนี้จะอธิบายหลักการพื้นฐานของเทคโนโลยี FDM และอธิบายว่าเหตุใดเทคโนโลยีนี้จึงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมและคุ้มต้นทุนสำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว อ่านต่อไปเพื่อรับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติล่าสุด เพื่อช่วยในการตัดสินใจเลือกวิธีการพิมพ์ 3 มิติอย่างชาญฉลาด

สารบัญ
ตลาดการพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM ที่กำลังเติบโต
ความเข้าใจที่ครอบคลุมเกี่ยวกับเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM
ข้อดีและข้อเสียของวิธีการพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM
การประยุกต์ใช้การพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM

ตลาดการพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM ที่กำลังเติบโต

ตลาดการพิมพ์ 3 มิติของโลกมีมูลค่าเป็นเงินดอลลาร์สหรัฐ13.84 พันล้านในปี 2021 และคาดว่าจะเติบโตที่อัตราการเติบโตต่อปีแบบทบต้น (CAGR) 20.8% ระหว่างปี 2020 ถึง 2030 ตลาดนี้เติบโตขึ้นเนื่องจากการลงทุนอย่างมากในการวิจัยและพัฒนาในด้านการพิมพ์ 3 มิติ และความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับแอปพลิเคชันการสร้างต้นแบบในอุตสาหกรรมยานยนต์ การดูแลสุขภาพ และการป้องกันประเทศ

การพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM ได้รับความนิยมมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเนื่องจากมีประสิทธิภาพสูงและมีต้นทุนต่ำ ช่วยให้ธุรกิจประหยัดค่าใช้จ่ายด้านกระบวนการสร้างเครื่องมือได้ถึง 50% ข้อดีอื่นๆ ได้แก่ การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว การพิมพ์ตามต้องการ ความยืดหยุ่นในการออกแบบ ของเสียที่น้อยที่สุด และอื่นๆ

อ่านต่อเพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับพื้นฐานของ FDM เทคโนโลยี 3 มิติ คุณลักษณะ และข้อได้เปรียบเหนือวิธีการพิมพ์อื่น

ความเข้าใจที่ครอบคลุมเกี่ยวกับเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM

เทคโนโลยี FDM สำหรับการพิมพ์ 3 มิติคืออะไร?

การสร้างแบบจำลองการสะสมแบบหลอมรวม (FDM) เป็นเทคนิคการผลิตแบบเติมแต่งที่เกี่ยวข้องกับการอัดวัสดุผ่านหัวฉีดและหลอมรวมวัสดุเหล่านั้นเพื่อผลิตวัตถุสามมิติ เมื่อเปรียบเทียบกับการพิมพ์ 3 มิติสำหรับคอนกรีตและอาหาร กระบวนการ FDM มาตรฐานจะแตกต่างจากเทคนิคการอัดวัสดุอื่นๆ โดยใช้เทอร์โมพลาสติกเป็นวัตถุดิบ โดยปกติจะอยู่ในรูปของเส้นใยหรือเม็ดพลาสติก

โดยทั่วไปแล้ว FDM 3D เครื่องพิมพ์ หลอมวัสดุโดยดันเส้นใยโพลีเมอร์ผ่านหัวฉีดที่อุ่น จากนั้นวัสดุจะถูกวางลงบนแพลตฟอร์มการสร้างเป็นชั้น 2 มิติ ชั้นเหล่านี้จะหลอมรวมกันเพื่อสร้างชิ้นส่วน 3 มิติในที่สุด

โดยรวมแล้ว เครื่องพิมพ์ FDM ถือเป็นวิธีที่เร็วที่สุดในการพิมพ์ 3 มิติ อีกทั้งยังเข้าถึงได้ง่ายและมีประสิทธิภาพ เครื่องพิมพ์ประเภทนี้ครองตลาดการพิมพ์ 3 มิติ เนื่องจากใช้งานง่ายกว่าเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ใช้เรซินและมีราคาถูกกว่าเครื่องพิมพ์แบบผง เช่น SLS 

เทคโนโลยี FDM ได้รับการแนะนำเมื่อใด?

แม้ว่า FDM จะเป็นเทคนิคการพิมพ์ 3 มิติที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบัน แต่ก็ไม่ใช่เทคนิคการพิมพ์ 3 มิติครั้งแรกที่สร้างขึ้น ไม่กี่ปีหลังจากมีการยื่นขอสิทธิบัตรสำหรับการพิมพ์แบบสเตอริโอลีโทกราฟี (SLA) และการหลอมรวมด้วยเลเซอร์แบบเลือกจุด (SLS) สก็อตต์ ครัมป์ก็ได้ยื่นขอสิทธิบัตร FDM ฉบับแรกในปี 1989

เทคโนโลยี FDM ได้รับความนิยมเฉพาะในกลุ่มผู้ใช้ที่ไม่ใช่เชิงพาณิชย์ เช่น นักวิชาการที่มหาวิทยาลัยบาธ ซึ่งสนใจเป็นหลักในการสร้างอุปกรณ์ที่จำลองตัวเองได้ อย่างไรก็ตาม สิทธิบัตร FDM หมดอายุลงในปี 2009 และบุคคลที่เป็นผู้บุกเบิกเทคโนโลยีนี้ได้ก่อตั้ง MakerBot Industries ขึ้นเพื่อนำเทคโนโลยี 3D ออกสู่ตลาด เครื่องพิมพ์.

การพิมพ์ FDM 3D ทำงานอย่างไร

An FDM เครื่องพิมพ์ 3 มิติสร้างวัตถุด้วยการวางวัสดุเส้นใยที่หลอมละลายไว้บนแท่นสร้างทีละชั้นจนกระทั่งได้ชิ้นส่วนที่สมบูรณ์ เครื่องพิมพ์ XNUMX มิติใช้ไฟล์การออกแบบดิจิทัลที่อัปโหลดไปยังเครื่องเพื่อให้ได้ขนาดทางกายภาพ เครื่องพิมพ์เหล่านี้ใช้พอลิเมอร์ เช่น PLA, ABS, PEI และ PETG ซึ่งถ่ายโอนเป็นเส้นด้ายผ่านหัวฉีดที่ให้ความร้อน

บรรจุเส้นใยเทอร์โมพลาสติกลงในเครื่องพิมพ์เพื่อเริ่มใช้งานเครื่องพิมพ์ เมื่อหัวฉีดได้อุณหภูมิที่ต้องการแล้ว เส้นใยจะผ่านหัวพิมพ์และหัวฉีด 

หัวรีดนี้เชื่อมต่อกับระบบสามแกนและสามารถเคลื่อนที่ไปตามแกน X, Y และ Z จากนั้นเครื่องจะรีดวัสดุที่หลอมละลายแล้วในแท่นบางๆ แล้ววางเป็นชั้นๆ ลงในแบบที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ในที่สุด วัสดุจะเย็นตัวและแข็งตัว 

ต้องใช้เวลาหลายรอบจึงจะเสร็จสิ้นโครงการหนึ่งๆ แพลตฟอร์มการสร้างจะเลื่อนลงมา และเครื่องพิมพ์จะเริ่มทำงานในเลเยอร์ถัดไปหลังจากเสร็จสิ้นเลเยอร์ก่อนหน้า ในเครื่องบางเครื่อง หัวอัดจะเคลื่อนขึ้นและลงจนกว่าชิ้นงานจะเสร็จสมบูรณ์

การพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM มีคุณสมบัติอะไรบ้าง?

แม้ว่า FDM 3D เครื่องพิมพ์ แตกต่างกันในแง่ของคุณภาพชิ้นส่วนและระบบการอัดขึ้นรูปขึ้นอยู่กับยี่ห้อและรุ่น โดยมีลักษณะเฉพาะบางประการที่สอดคล้องกันในเครื่องพิมพ์ FDM ทุกเครื่อง 

1. ความเร็วในการสร้างและอุณหภูมิ

ระบบ FDM เกือบทั้งหมดอนุญาตให้ผู้ใช้เปลี่ยนอุณหภูมิ ความเร็วในการพิมพ์ ความเร็วพัดลมระบายความร้อน และความสูงของชั้นได้ตามต้องการ โดยทั่วไปแล้วสิ่งเหล่านี้จะกำหนดโดยผู้ให้บริการการพิมพ์และอาจแตกต่างกันขึ้นอยู่กับวัสดุ

2. สร้างปริมาณ

ปริมาณการสร้างหมายถึงขนาดของชิ้นส่วนที่เครื่องพิมพ์สามารถสร้างได้ เครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบ DIY มักจะมีปริมาณการสร้าง 200 x 200 มม. ในขณะที่เครื่องจักรในอุตสาหกรรมอาจมีปริมาณการสร้าง 1000 x 1000 x 1000 มม. ผู้ใช้จะต้องพิจารณาปริมาณการสร้างของเครื่องพิมพ์และการออกแบบที่เสนอก่อนตัดสินใจซื้อ อย่างไรก็ตาม ยังสามารถพิมพ์โมเดลขนาดใหญ่เป็นชิ้นเล็กๆ ได้ด้วย 

3. การยึดเกาะแบบชั้น

ในการพิมพ์แบบ FDM การยึดติดที่แน่นหนาระหว่างชั้นที่เคลือบบนชิ้นส่วนถือเป็นสิ่งสำคัญ ชั้นที่พิมพ์ไว้ก่อนหน้านี้จะหลอมรวมกับเทอร์โมพลาสติกหลอมเหลวที่เครื่องพิมพ์จะฉีดออกมาผ่านหัวฉีด ชั้นนี้จะหลอมละลายอีกครั้งภายใต้แรงดันและอุณหภูมิสูง ทำให้สามารถยึดติดเข้ากับชั้นก่อนหน้าได้

นอกจากนี้ รูปร่างของวัสดุที่หลอมละลายจะเปลี่ยนเป็นรูปวงรีเมื่อกดทับกับชั้นที่พิมพ์ไว้ก่อนหน้านี้ ไม่ว่าจะใช้ความสูงของชั้นใด ชิ้นส่วน FDM ก็จะมีพื้นผิวเป็นคลื่นเสมอ และคุณสมบัติเล็กๆ เช่น เกลียวหรือรูเล็กๆ อาจต้องผ่านการประมวลผลภายหลัง

4. ความสูงของชั้น

ในเครื่อง FDM ความสูงของชั้นสามารถอยู่ระหว่าง 0.02 มม. ถึง 0.4 มม. ชิ้นส่วนที่เรียบเนียนกว่าจะถูกผลิตขึ้น และรูปทรงเรขาคณิตโค้งจะถูกจับภาพได้อย่างแม่นยำด้วยความสูงของชั้นที่น้อยกว่า ในทางกลับกัน การพิมพ์ชิ้นส่วนที่มีความสูงของชั้นที่สูงกว่านั้นเร็วกว่าและมีต้นทุนน้อยกว่า โดยทั่วไปแล้ว ความสูงของชั้นที่ 0.2 มม. ถือเป็นความสมดุลที่ดีระหว่างเวลา ต้นทุน และคุณภาพ

5. ความหนาของวัสดุเติมและเปลือก

โดยทั่วไปเครื่องพิมพ์ FDM จะไม่ผลิตชิ้นส่วนแข็งเพื่อเร่งเวลาการพิมพ์และสิ้นเปลืองวัสดุ ในทางกลับกัน เครื่องพิมพ์จะวาดเส้นรอบวงด้านนอกของเปลือกหลายครั้งก่อนที่จะเติมส่วนภายในที่เรียกว่า infill ด้วยโครงสร้างภายในที่มีความหนาแน่นต่ำ

ความแข็งแรงของชิ้นส่วนที่พิมพ์นั้นถูกกำหนดโดยความหนาเติมและเปลือก เครื่องพิมพ์ FDM บนเดสก์ท็อปส่วนใหญ่มีความหนาแน่นเติมเริ่มต้นที่ 20% และความหนาของเปลือกที่ 1 มม. ส่งผลให้มีความสมดุลที่สมบูรณ์แบบระหว่างความแข็งแรงและความเร็วสำหรับการพิมพ์ที่รวดเร็ว

6. การแปรปรวน

การบิดเบี้ยวเป็นข้อบกพร่องอย่างหนึ่งของ FDM ที่พบได้บ่อยที่สุด เมื่อวัสดุที่อัดขึ้นรูปแข็งตัว วัสดุจะหดตัวลง นอกจากนี้ ส่วนต่างๆ ของชิ้นส่วนที่พิมพ์จะเย็นตัวในอัตราที่แตกต่างกัน และขนาดของชิ้นส่วนจะเปลี่ยนแปลงไปด้วยความเร็วที่แตกต่างกัน เนื่องจากความเค้นภายในที่เพิ่มขึ้นอันเกิดจากการระบายความร้อนที่แตกต่างกันนี้ ชั้นพื้นฐานจึงเคลื่อนตัวขึ้นด้านบนและบิดเบี้ยว

อย่างไรก็ตาม มีหลายวิธีในการป้องกันการบิดเบี้ยว วิธีหนึ่งคือการตรวจสอบอุณหภูมิของระบบอย่างใกล้ชิด โดยเฉพาะบริเวณแท่นสร้างและห้องสร้าง ขั้นตอนที่สองคือการปรับปรุงการยึดเกาะระหว่างแท่นสร้างและชิ้นส่วน

ข้อดีและข้อเสียของวิธีการพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM

ข้อดี

ประสิทธิภาพ

• ต่างจากวิธีการอื่นๆ เช่น เครื่องพิมพ์ 3 มิติเรซิน FDM เครื่องพิมพ์ สามารถปรับขนาดได้อย่างง่ายดายโดยจำกัดเพียงการเคลื่อนไหวของเครนแต่ละอันเท่านั้น 
• เมื่อพิจารณาถึงวัสดุการพิมพ์แล้ว เส้นใย FDM นั้นมีราคาไม่แพง โดยเฉพาะเมื่อเทียบกับวัสดุที่จำเป็นสำหรับวิธีการอื่นๆ เช่น SLS และการพิมพ์เรซิน
• เมื่อเปรียบเทียบกับคู่แข่ง เครื่องพิมพ์ FDM มีความยืดหยุ่นมากกว่า โดยปรับปรุงและดัดแปลงเพียงเล็กน้อยก็สามารถพิมพ์วัสดุเทอร์โมพลาสติกได้หลากหลายชนิด ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยวิธีการอื่นที่ต้องใช้วัสดุเป็นเรซินหรือผงละเอียด

คุณภาพการพิมพ์

• เครื่องพิมพ์ FDM มีความยืดหยุ่นและสามารถรองรับวัสดุ FDM ที่แตกต่างกันได้ โดยสามารถสร้างชิ้นส่วนที่มีคุณสมบัติและรูปลักษณ์ที่แตกต่างกันได้โดยเพียงแค่เปลี่ยนประเภทของเส้นใย
• คุณภาพการพิมพ์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับรูปลักษณ์เพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพเชิงกลด้วย เมื่อเปรียบเทียบกับงานพิมพ์ 3 มิติด้วยเรซินที่เปราะบาง FDM จะผลิตชิ้นส่วนที่แข็งแรงและทนทาน
• เครื่องพิมพ์ FDM ยังมีความอเนกประสงค์ในแง่ที่สามารถแลกกับคุณภาพการพิมพ์ได้เพื่อความเร็วและความคล่องตัว ซึ่งทำให้เครื่องพิมพ์นี้เป็นเครื่องมือที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างชิ้นส่วนที่สวยงามและใช้งานได้จริง

ข้อเสีย

• การพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM เหมาะที่สุดสำหรับการผลิตชิ้นส่วนขนาดเล็ก แต่ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปอาจมีพื้นผิวขรุขระ และต้องผ่านกระบวนการหลังการผลิตเพื่อให้ได้ผิวที่เรียบเนียนยิ่งขึ้น
• เนื่องจากเครื่องพิมพ์ FDM จะวางเส้นใยเป็นชั้นๆ จึงมีแนวโน้มที่จะแตกหัก ส่งผลให้ผลงานพิมพ์เป็นแบบแอนไอโซทรอปิก
• การพิมพ์ FDM ต้องใช้โครงสร้างรองรับซึ่งอาจทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น

การประยุกต์ใช้การพิมพ์ 3 มิติแบบ FDM

การสร้างแบบจำลองทางสถาปัตยกรรม:เครื่องพิมพ์ 3 มิติเป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในการสร้างแบบจำลองทางสถาปัตยกรรม เนื่องจากเครื่องพิมพ์ประเภทนี้เร็วกว่าและมีราคาถูกกว่าวิธีการทั่วไป เส้นใยหนึ่งม้วนสามารถผลิตแบบจำลองได้ XNUMX-XNUMX แบบ ช่วยประหยัดต้นทุน 

การผลิตยานยนต์:การพิมพ์ 3 มิติมักใช้ในการออกแบบโครงสร้างภายในของรถยนต์ ผู้ใช้สามารถสร้างการวัดที่แม่นยำสำหรับการผลิตยานยนต์ได้โดยใช้ซอฟต์แวร์ 3 มิติ

แบบจำลองการผ่าตัด: FDM เทคโนโลยี 3 มิติทำให้แพทย์สามารถวางแผนการผ่าตัดได้ดีขึ้นโดยให้อวัยวะที่จำลองมาจากตัวผู้ป่วย อวัยวะเหล่านี้มีโครงสร้างที่แม่นยำ สามารถทำเป็นชิ้นเดียวหรือเป็นโพรงได้ และสามารถพิมพ์ออกมาได้ภายในไม่กี่ชั่วโมง