พิจารณาการตั้งค่าวัสดุและพารามิเตอร์เพื่อปรับปรุงความแข็งแรงของชิ้นส่วนที่สร้างด้วยเครื่องพิมพ์ 3D แต่ก่อนที่จะทำเช่นนั้น ให้เข้าใจจากมุมมองทางฟิสิกส์ว่าส่วนใดของแบบจำลองเครื่องพิมพ์ 3D จะส่งผลต่อความแข็งแรง เป็นสิ่งสำคัญที่ต้องทำ ในบทความนี้ ผมจะแนะนำแนวคิด 3 ประการเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งให้กับโมเดล

①ทฤษฎีการดัด (Beam Bending Theory)

ชิ้นส่วนที่สร้างแบบจำลองโดยวิธี FFF นั้นแทบจะไม่มีสถานะเป็นของแข็ง ด้านในของชิ้นส่วนส่วนใหญ่จะเป็นรูปเป็นโพรงและมีฝาปิด ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนการขึ้นรูปและเวลาในการขึ้นรูปโดยไม่ลดความแข็งแรงของชิ้นส่วน และลดปัญหาการบิดงอและข้อผิดพลาดของมิติอันเนื่องมาจากอัตราการขยายตัวและหดตัวจากความร้อน
นี่คือคำถาม ความหนาของปลอกหุ้มโมเดลใดหรือความหนาแน่นของวัสดุเติมที่มีผลต่อความแข็งแรงของชิ้นส่วน? คำตอบสามารถเข้าใจได้ด้วยการรู้จัก “ทฤษฎีการดัดงอ”

จุดสำคัญที่ได้รับจาก “ทฤษฎีการดัดงอ” คือพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของชิ้นส่วนจะได้รับแรงสูงสุดเมื่องอและวัสดุจะถูกเพิ่มไปที่ปลายทั้ง 2 ของเหล่านี้เท่านั้นและส่วนแกนก็น้อยที่สุด โดยการตั้งค่าความแข็งแรงของลำแสงสามารถปรับให้เหมาะสมกับน้ำหนักได้ สมมติว่าคุณรองรับลำแสงธรรมดา เช่น ตัวเชื่อม จากทั้งสองด้านและวางน้ำหนักไว้ตรงกลาง ดังแสดงในรูปต่อไปนี้

กล่องพื้นฐานที่มีน้ำหนักตรงกลางชิ้นส่วนติดตั้งบนเสาสองต้น

รูปสามเหลี่ยมต่อไปนี้ถูกสร้างขึ้นโดยเชื่อมต่อจุด 3 จุดที่สัมผัสกับชิ้นส่วน

รูปสามเหลี่ยมที่มีจุดสัมผัสเป็นจุดยอด

เมื่อคุณใช้แรงกับชิ้นส่วนแปรรูปนี้ แรงจะกระจายไปตามรูปสามเหลี่ยม
จุดสัมผัสด้านซ้ายและขวาถูกบีบอัด และใช้แรงตึงกับพื้นผิวด้านล่างและด้านบนของชิ้นส่วนแปรรูป

แรงจะกระจายไปตามรูปสามเหลี่ยม

ในกรณีนี้ ขนาดของแรงในแนวราบจะขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นงาน หากชิ้นงานหนาขึ้นในขณะที่น้ำหนักบรรทุกคงที่ มุมที่ฐานของรูปสามเหลี่ยมจะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ชิ้นงานมีแรงในแนวราบน้อยลง

เมื่อทำให้ชิ้นงานหนาขึ้น มุมของรูปสามเหลี่ยมจะคลายตัวและแรงที่ใช้กับชิ้นงานจะเล็กลง

ยิ่งมุมของรูปสามเหลี่ยมใหญ่เท่าใด ความตึงก็จะยิ่งต่ำลงเท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความจริงที่ว่าชิ้นงานสี่เหลี่ยมจัตุรัสมีความหนา หมายความว่าแรงที่ใช้กับพื้นผิวด้านล่างและด้านบนของชิ้นส่วนแปรรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสจะมีขนาดเล็กแม้ว่าจะใช้แรงแบบเดียวกันก็ตาม กล่าวอีกนัยหนึ่ง ชิ้นงานหนาสามารถรับน้ำหนักได้มาก (แรง) เนื่องจากความเค้นที่ใช้กับระนาบแนวนอนนั้นเล็กกว่าชิ้นส่วนแปรรูปบาง
ในการเชื่อมต่อกับ “ทฤษฎีการดัด” อธิบายได้ว่าการโหลดที่ใหญ่ที่สุดถูกนำไปใช้กับชิ้นส่วนสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ปลายทั้งสองข้าง (ล่างและบน) แรงดัดที่ใช้กับไม้แปรรูปจะถูกแบ่งที่ศูนย์กลางของชิ้นส่วนสี่เหลี่ยมที่เรียกว่า “แกนกลาง” (Neutral Axis) แรงดึงถูกนำไปใช้กับวัสดุที่อยู่ต่ำกว่าแกนกลาง และใช้แรงอัดกับวัสดุที่อยู่เหนือแกนกลาง

โดยเริ่มจากแกนกลาง แรงดึงและแรงอัดจะเพิ่มขึ้นเมื่อลำแสงเข้าใกล้จุดสิ้นสุด

ดังที่คุณเห็นจากรูปด้านบน จะเห็นได้ว่าการกระแทกที่พื้นผิวด้านล่างและด้านบนของชิ้นส่วนนั้นยิ่งใหญ่ที่สุด และส่วนตรงกลางนั้นอยู่ภายใต้ภาระที่ค่อนข้างน้อย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเครื่องพิมพ์ 3D การรับแรงดึงมีความสำคัญเนื่องจากชิ้นส่วนต่าง ๆ เคลือบลามิเนตเพื่อสร้างชิ้นส่วน แต่จะปรับให้เหมาะสมได้ง่ายกว่าเพราะมีประสิทธิภาพเหนือกว่าวิธีการผลิตอื่น ๆ ในแง่ของระดับความอิสระในรูปทรง

นี่คือเหตุผลที่ว่าทำไมท่อกลมและสี่เหลี่ยม I-type และ T-types จึงมักถูกใช้ในการออกแบบสถาปัตยกรรม รูปทรงเหล่านี้ช่วยลดน้ำหนักโดยการเพิ่มรูปทรงเฉพาะส่วนที่มีแรงกดสูงสุดเท่านั้น วงกลมมี “หน้า” 2 ด้านที่ปลายทั้ง 2 ข้าง ซึ่งสามารถรับน้ำหนักได้จากทุกที่ ดังนั้นจึงสามารถรับน้ำหนักได้จากทุกด้าน สี่เหลี่ยมผืนผ้ารูปกล่องสามารถรับน้ำหนักได้จากสี่ด้าน มีพื้นผิวรับแรงดึงและแรงอัดอยู่เสมอ ไม่ว่าคุณจะรับน้ำหนักกับพื้นผิวใด ประเภท I ใช้แรงกับพื้นผิวด้านล่างและด้านบน และประเภท T ได้รับการออกแบบให้รับน้ำหนักจากทิศทางเดียวเท่านั้น และส่วนแนวนอนของรูปร่าง T จะรับน้ำหนัก

ขึ้นอยู่กับชนิดของชิ้นส่วนแปรรูป ส่วนที่ตัดวัสดุจะเปลี่ยนไป โดยพิจารณาว่าจะใช้โหลดประเภทใด

เมื่อสร้างแบบจำลองชิ้นส่วนที่แข็งแรงในทิศทางโค้งงอ จำเป็นต้องออกแบบโดยคำนึงถึง 2 สิ่งต่อไปนี้

1. ชิ้นส่วนหนาแข็งแรงกว่าชิ้นส่วนบาง เนื่องจากยิ่งชิ้นส่วนหนามากเท่าไร แรงที่พื้นผิวก็จะยิ่งรับน้อยลงเท่านั้นภายใต้ภาระเดียวกัน
2. เนื่องจากแรงดัดงอออกแรงที่ใหญ่ที่สุดบนพื้นผิวด้านล่างและพื้นผิวด้านบน การเพิ่มวัสดุบนทั้งสองด้านของลำแสงจะดีกว่าการเพิ่มวัสดุใกล้จุดศูนย์กลางของลำแสง

②ความแข็งแรงของไฟเบอร์

ไฟเบอร์ก็เหมือนเส้นสปาเก็ตตี้ ความแข็งแรงขึ้นอยู่กับทิศทางของแรงที่ใช้

วิดีโอด้านบนแสดงเส้นสปาเก็ตตี้ที่บรรจุภายใต้เงื่อนไขต่าง ๆ โหลดแบบไหนแรงสุด?
หักได้ง่ายโดยใช้แรงดัด นอกจากนี้ แม้ว่าคุณจะกดปลายทั้งสองข้างลงตรงกลางและบีบอัด ปลายทั้งสองข้างก็จะยังหักอยู่ อย่างไรก็ตาม หากคุณรับน้ำหนักขณะดึง คุณสามารถรับน้ำหนักปานกลางได้

วัสดุใด ๆ เช่น เชือก, โซ่, ลวด หรือไหม สามารถเสียรูปหรือหักได้เมื่องอหรือบีบอัดด้วยน้ำหนักที่ค่อนข้างน้อย แต่สามารถดึงเชือกให้มีน้ำหนักที่มากขึ้น ทนทานได้ในการใช้งานทางวิศวกรรมต่าง ๆ วัสดุเหล่านี้ถูกใช้เพื่อใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติแรงดึงของวัสดุ ใน “ทฤษฎีการดัด” คุณจะเห็นได้ว่าพื้นผิวด้านล่าง/ด้านบนของชิ้นงานสี่เหลี่ยมนั้นอยู่ภายใต้แรงดึงอย่างมาก

ความแข็งแรงของแบบจำลองที่สร้างด้วยเครื่องพิมพ์ 3D นั้นพิจารณาจากพันธะระหว่างวัสดุและการกระจายของโหลดเนื่องจากการยึดติด เส้นด้ายทำโดยการทอผ้าขนสัตว์แบบสั้น ดังนั้นเมื่อการทอถูกคลายออก ความแข็งแรงจะลดลง ผลิตภัณฑ์พลาสติกอัดรีด เช่น ที่ใช้ในเครื่องพิมพ์ 3D ถูกปรับปรุงให้แข็งแรงโดยการยึดเกาะของโมเลกุล เมื่อคุณเติม “ฟิลเลอร์” ลงในพลาสติก เช่น Onyx (ไนลอน + คาร์บอนเส้นใยสั้น) ความเค้นของน้ำหนักจะนำไปใช้กับเส้นใยสั้นและเส้นใยแข็ง แต่ความแข็งแรงโดยรวมจะพิจารณาจากการยึดเกาะของพลาสติก ในทำนองเดียวกัน เส้นใยต่อเนื่องที่ทำขึ้นโดยการยึดติดวัสดุเส้นใยที่แข็งแรง เช่น เส้นใยคาร์บอน ในระดับอะตอม จะแข็งแรงกว่า Onyx ซึ่งเป็นส่วนผสมของเส้นใยสั้นและพลาสติก

การไฟเบอร์กลาส (Fiberglass) เป็นแผ่น

นี่คือเหตุผลที่วัสดุเส้นใย เช่น คาร์บอนไฟเบอร์, ไฟเบอร์กลาส และ Kevlar® มีค่ามาก ตัวอย่างเช่น คาร์บอนไฟเบอร์มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักมากที่สุดในโลก สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่ามีการกระจายโหลดที่กำหนดอย่างไร

③รูปร่างแซนวิช

คุณสามารถรวม 2 แนวคิดข้างต้นเพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่าแผงแซนวิช คล้ายกับประเภท I แผงแซนวิชวางการเสริมแรงบนพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของชิ้นส่วนแปรรูป อย่างไรก็ตาม ในขณะที่ประเภท I ประกอบด้วยวัสดุชิ้นเดียว แผงแซนวิชประกอบด้วยวัสดุ 2 ชนิด สิ่งนี้เรียกว่าวัสดุคอมโพสิตซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่ทำขึ้นจากการรวมวัสดุ 2 ชนิดขึ้นไปที่มีคุณสมบัติต่างกัน และการรวมเข้าด้วยกันจะทำให้ชิ้นส่วนมีคุณสมบัติแตกต่างจากส่วนประกอบ ในเครื่องพิมพ์ 3D คอมโพสิตของ Markforged “Onyx” ซึ่งเป็นส่วนผสมของเส้นใยสั้นคาร์บอนและไนลอนเรซิน ถูกใช้เป็นวัสดุพื้นฐาน และเส้นใยต่อเนื่องยาวเคลือบเพื่อเสริมความแข็งแรงของชิ้นส่วน

แผงแซนวิชนั้นคล้ายกับแบบ I มากและเสริมพื้นที่ที่มีโหลดสูงสุด

แผงแซนวิชแบบดั้งเดิมประกอบด้วย “สกิน” 2 แผ่นที่มีองค์ประกอบเดียวกัน โดยมีวัสดุหลักที่เรียกว่า “เมทริกซ์” ประกบอยู่ระหว่างแผ่นทั้งหมด 3 แผ่น ดังที่เราได้เรียนรู้ใน “ทฤษฎีการดัด” แรงส่วนใหญ่จะถูกนำไปใช้กับผิวหนังเมื่องอ ด้วยเหตุนี้ พื้นผิวแผงแบบแซนด์วิชจึงมักเป็นวัสดุที่แข็งแรงและแข็ง และเมทริกซ์มักเป็นวัสดุที่แข็งแรงและทนทานน้อยกว่าในการแยกผิวทั้งสองออกจากกัน
ในโครงสร้างแบบแซนวิช วัสดุที่มีคุณสมบัติแข็งแรงที่สุดจะครอบงำความแข็งแรง ซึ่งหมายความว่าหากความแข็งแรงของเมทริกซ์สูงกว่าความแข็งแรงของพื้นผิว คุณสมบัติของวัสดุของพื้นผิวจะไม่ได้รับผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ และจะแตกหรือฉีกขาดอย่างรวดเร็วภายใต้ภาระ นั่นเป็นสาเหตุว่าทำไมคุณไม่เห็นผิวผสมรอบ ๆ เมทริกซ์โลหะ
เนื่องจากแรงที่มากที่สุดจะถูกนำไปใช้เมื่อชิ้นส่วนงอ พื้นผิวของแผงประกบควรได้รับแรงส่วนใหญ่ และเมทริกซ์ควรรับน้ำหนักน้อยที่สุด ซึ่งหมายความว่าพื้นผิวจะต้องแข็งแรงกว่าเมทริกซ์

ในการดัดชิ้นส่วน ไฟเบอร์ (สีน้ำเงิน) จะมีประสิทธิภาพเมื่อใช้กับพื้นผิวด้านบนและด้านล่างของชิ้นส่วนแปรรูป เนื่องจากได้รับแรงสูงสุด

ทำให้โมเดลนี้มีโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพและน้ำหนักเบา วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงมักมีราคาแพง คุณสามารถลดต้นทุน, วัสดุ และน้ำหนักได้โดยใช้วัสดุที่มีความแข็งแรงสูงเป็นสกินที่ตึงเครียดที่สุด สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการเสริมแรงได้สูงสุดโดยการเพิ่มวัสดุไฟเบอร์ที่ด้านล่าง/ด้านบนของชิ้นส่วนแปรรูป ในกรณีของ Markforged แบบจำลองประกอบด้วยสามส่วนคือ “Roof&Floor Layer” ที่ครอบคลุมพื้นผิวด้านล่าง/ด้านบน เส้นใยยาวต่อเนื่องที่เป็นวัสดุเสริมแรง และ “Onyx” ที่เป็นวัสดุฐาน/หากจำนวนชั้นบนพื้นผิวด้านบนเพิ่มขึ้น เส้นใยยาวต่อเนื่องจะเข้าใกล้เมทริกซ์ “Onyx” และผลกระทบต่อความแข็งแรงจะลดลง สิ่งสำคัญคือต้องวางเส้นใยแบบต่อเนื่องที่มีความแข็งแรงสูงไว้ในชั้นที่ใกล้กับพื้นผิวด้านล่าง/ด้านบนมากขึ้น

การใช้แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์เป็นผิว คุณสามารถทำให้ชิ้นส่วนแข็งขึ้นได้ด้วยการสร้างแบบจำลองหลาย ๆ แบบ

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ แรงดัดที่กระทำบนไม้แปรรูปจะถูกแปลงเป็นแรงดึงและแรงอัดที่กระทำบนแผง ดังนั้น พื้นผิวแผงแซนวิชจะต้องทำจากวัสดุที่เหมาะสมกับแรงตึง ซึ่งปรับให้เหมาะสมได้ง่ายกว่าการอัด เส้นใยต่อเนื่องเหมาะสำหรับพื้นผิวแผงแซนวิช เนื่องจากเส้นใยต่อเนื่องถูกผลิตขึ้นและปรับให้เหมาะสมกับความต้านทานแรงดึง ไม่ว่าจะทอเป็นแผ่น ขึ้นรูปเป็นหลอด หรือขึ้นรูปด้วยเครื่องพิมพ์ 3D วัสดุเส้นใยเหล่านี้จะทำหน้าที่เป็นพื้นผิวสำหรับแผงแซนวิชและให้ผลกระทบสูงสุด โครงสร้างจะถูกสร้างขึ้น