Related Posts
เทคโนโลยี 3D Printer สำหรับวิศวกรรม
ตอนที่ 1 ซื้อ 3D Printer
https://www.facebook.com/anet3dprinterthailand
Anet3d printer thailand – Machi_go
K1 vs K1C
Creality K1C All Metal Extruder Update – When All Really Is Not All!
Ender3 V3 SE / PRINT3DPRO=6,890 KORAT=
PLA, PETG, TPU(95A)
Nozzle Temperature:260℃ Heatbed Temperature:100℃
3D Ender-3 S1 Pro / mamamoo1.th = 10,416
ตอนที่ 2
ABS
| 3D PRINTING FILAMENT | ABS |
|---|---|
| Density(g/cm3) | 1.04 |
| Heat Distortion Temp(℃,0.45MPa) | 78 |
| Melt Flow Index(g/10min) | 12(220℃/10kg） |
| Tensile Strength(MPa) | 43 |
| Elongation at Break(%) | 22 |
| Flexural Strength(MPa) | 66 |
| Flexural Modulus(MPa) | 1177 |
| IZOD Impact Strength(kJ/㎡) | 29 |
| Durability | 8/10 |
| Printability | 8/10 |
| Recommended printing parameters | |
| Extruder Temperature(℃) | 230 – 270℃ Recommended temperature：240℃ |
| Bed temperature(℃) | 95 – 110°C |
| Fan Speed | 0% |
| Printing Speed | 40 – 100mm/s |
| Heated Bed | Required |
| Recommended Build Surfaces | High temperature tape, PVP solid glue |
ePLA
| 3D PRINTING FILAMENT | ePLA-ST |
|---|---|
| Density(g/cm3) | 1.25 |
| Heat Distortion Temp(℃,0.45MPa) | 52 |
| Melt Flow Index(g/10min) | 3.2（190℃/2.16kg） |
| Tensile Strength(MPa) | 34.3 |
| Elongation at Break(%) | 90 |
| Flexural Strength(MPa) | 43 |
| Flexural Modulus(MPa) | 1477 |
| IZOD Impact Strength(kJ/㎡) | 63 |
| Durability | 4/10 |
| Printability | 9/10 |
| Recommended printing parameters | |
| Extruder Temperature(℃) | 200 – 230℃ Recommended temperature：215℃ |
| Bed temperature(℃) | 45 – 60°C |
| Fan Speed | 100% |
| Printing Speed | 40 – 100mm/s |
| Heated Bed | Optional |
| Recommended Build Surfaces | Masking paper, PVP solid glue, PEI |
PLA+
| D PRINTING FILAMENT | PLA+ |
|---|---|
| Density(g/cm3) | 1.23 |
| Heat Distortion Temp(℃,0.45MPa) | 53 |
| Melt Flow Index(g/10min) | 5（190℃/2.16kg） |
| Tensile Strength(MPa) | 63 |
| Elongation at Break(%) | 20 |
| Flexural Strength(MPa) | 74 |
| Flexural Modulus(MPa) | 1973 |
| IZOD Impact Strength(kJ/㎡) | 9 2/10 |
| Durability | 4/10 |
| Printability | 9/10 |
| Recommended printing parameters | |
| Extruder Temperature(℃) | 210 – 230℃ Recommended temperature：215℃ |
| Bed temperature(℃) | 45 – 60°C |
| Fan Speed | 100% |
| Printing Speed | 40 – 100mm/s |
| Heated Bed | Optional |
| Recommended Build Surfaces | Masking paper, PVP solid glue, PEI |
Product Name: Hyper Series PLA
Wire Diameter: 1.75±0.03mm
Net Weight: 1Kg/2.2lb
Gross Weight: 1.29Kg/2.8lb
Package Size: 210*210*70mm
Printing Temperature: 190-230°C
Hot Bed Temperature: 25℃~60℃
Printing Speed: 30-600mm/s
Fan: 100%
Printing Platform: Carbon Silicon, PEI Platform Board, Textured Paper, PVP Solid Glue
Density: 1.25g/cm³
Tensile Strength (X-Y): 52.991Mpa
Tensile Modulus (X-Y): 1146.064
Elongation at Break: 6.304%
Bending Strength (X-Y): 92.381Mpa
Flexural Modulus: (X-Y): 2490.178Mpa
Charpy Impact Strength (X-Y): 8.8344kJ/m2
PETG
| PRINTING FILAMENT | PETG |
|---|---|
| Density(g/cm3) | 1.27 |
| Heat Distortion Temp(℃,0.45MPa) | 64 |
| Melt Flow Index(g/10min) | 20（250℃/2.16kg) |
| Tensile Strength(MPa) | 52.2 |
| Elongation at Break(%) | 83 |
| Flexural Strength(MPa) | 58.1 |
| Flexural Modulus(MPa) | 1073 |
| IZOD Impact Strength(kJ/㎡) | 4.7 |
| Durability | 8/10 |
| Printability | 9/10 |
| Recommended printing parameters | |
| Extruder Temperature(℃) | 230 – 250℃ Recommended temperature：240℃ |
| Bed temperature(℃) | 75 – 90°C |
| Fan Speed | 100% |
| Printing Speed | 40 – 100mm/s |
| Heated Bed | Required |
| Recommended Build Surfaces | Masking paper, PVP solid glue |
eTPU-95A
| 3D PRINTING FILAMENT | eTPU-95A |
|---|---|
| Density(g/cm3) | 1.21 |
| Heat Distortion Temp(℃,0.45MPa) | / |
| Melt Flow Index(g/10min) | 1.2(190℃/2.16kg) |
| Tensile Strength(MPa) | 35 |
| Elongation at Break(%) | ≥800 |
| Flexural Strength(MPa) | / |
| Flexural Modulus(MPa) | / |
| IZOD Impact Strength(kJ/㎡) | / |
| Durability | 9/10 |
| Printability | 6/10 |
| Recommended printing parameters | |
| Extruder Temperature(℃) | 220 – 250℃ Recommended temperature：240℃ |
| Bed temperature(℃) | 45 – 60°C |
| Fan Speed | 100% |
| Printing Speed | 20 – 50mm/s |
| Heated Bed | Optional |
| Recommended Build Surfaces | Masking paper, PVP solid glue, PEI |
ตอนที่ เทคโนโลยี PA
เปรียบเทียบ PA ยี่ห้อต่างๆ https://all3dp.com/2/carbon-fiber-filament-explained-and-compared/
eSUN ePA-CF 1.75 mm Filament 1 KG ราคา 1750
eSUN Nylon PA12 Filament 1.75mm 3D Printer Filament 1KG 3D Printing Filament for 3D Printer ราคา 2000
ePA-CF
eSUN ePA-CF is a robust filament developed based on Nylon 6/66 copolymer and enriched with 20% carbon fibre. It has increased strength, rigidity and toughness and can replace metal materials in many cases. Its self-lubricating wear resistance makes the filament ideal for printing gears.
| Filament Properties Table | |
|---|---|
| 3D PRINTING FILAMENT | ePA-CF |
| Density(g/cm3) | 1.24 |
| Heat Distortion Temp(℃,0.45MPa) | 155 |
| Melt Flow Index(g/10min) | 11.46(275℃/5kg） |
| Tensile Strength(MPa) | 140 |
| Elongation at Break(%) | 10.61 |
| Flexural Strength(MPa) | 140 |
| Flexural Modulus(MPa) | 4363 |
| IZOD Impact Strength(kJ/㎡) | 18.67 |
| Durability | 10/10 |
| Printability | 8/10 |
| Recommended printing parameters | |
| Extruder Temperature(℃) | 260 – 300℃ Recommended temperature：280℃ |
| Bed temperature(℃) | 45 – 60°C |
| Fan Speed | 0% |
| Printing Speed | 40 – 100mm/s |
| Heated Bed | Optional |
| Recommended Build Surfaces | Masking paper, PVP solid glue, PEI |
SUN Nylon PA12 ePA12-CF
| Filament Properties Table | |
|---|---|
| 3D PRINTING FILAMENT | ePA12-CF |
| Density(g/cm3) | 1.24 |
| Heat Distortion Temp(℃,0.45MPa) | 94.1 |
| Melt Flow Index(g/10min) | 8.91(270℃/2.16kg) |
| Tensile Strength(MPa) | 108.18 |
| Elongation at Break(%) | 9.02 |
| Flexural Strength(MPa) | 116.58 |
| Flexural Modulus(MPa) | 3335 |
| IZOD Impact Strength(kJ/m2) | 11.33 |
| Durability | 10/10 |
| Printability | 8/10 |
| Recommended printing parameters | |
| Extruder Temperature(℃) | 270 – 300℃ Recommended temperature：280℃ |
| Bed temperature(℃) | 45 – 60°C |
| Fan Speed | 0% |
| Printing Speed | 40 – 100mm/s |
| Heated Bed | Optional |
| Recommended Build Surfaces | Masking paper, PVP solid glue, PEI |
ความทนต่อแรงดึง (Tensile Strength) คือ ความเค้นดึงสูงสุดต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ของชิ้นงานที่ได้รับจนเกิดการขาด
MELT FLOW INDEX TESTER เป็นเครื่องทดสอบหาค่า MFI. ( Melt Flow Index ), MFR. ( Melt Flow Rate ) หรือ MI คือ ดัชนีการหลอมไหลหรืออัตราการไหลของเม็ดพลาสติก
ความแข็งแกร่งแรงดัด (Flexural strength) หมายถึง การที่วัสดุสามารถทนทานต่อแรงที่จะท าให้วัสดุเกิดการ โค้งงอ หรือความแข็งดัดของวัสดุหนึ่งๆ
Flexural modulus = property that is computed as the ratio of stress to strain in flexural deformation,
ตอนที่ 3 All materials
การอธิบายคุณสมบัติของวัสดุสำหรับงานพิมพ์ 3D ในเชิงวิศวกรรมการออกแบบหุ่นยนต์ (Robotics Engineering) จำเป็นต้องอ้างอิงคุณสมบัติทางกล (Mechanical Properties) และพฤติกรรมทางความร้อน (Thermal Properties) ตามหลักวัสดุศาสตร์ ดังรายละเอียดต่อไปนี้ครับ
โพลีแลคติกแอซิด (Polylactic Acid หรือ PLA)
ราคาประมาณ 300 – 500 บาท/กิโลกรัม มีค่าความเค้นดึงสูงสุด (Ultimate Tensile Strength: UTS) ประมาณ 50 MPa และมีค่าโมดูลัสความยืดหยุ่น (Modulus of Elasticity หรือ Young’s Modulus) สูงถึง 3,000 MPa ทำให้โครงสร้างมีความแข็งเกร็ง (Stiffness) สูง แต่มีค่าความทนทานต่อแรงกระแทก (Impact Strength) ต่ำเพียง 15 kJ/m² วัสดุมีพฤติกรรมการแตกหักแบบเปราะ (Brittle Fracture) เมื่อรับความเค้นเกินจุดคราก (Yield Point) มีอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Glass Transition Temperature: $T_g$) ต่ำมากเพียง 55-60°C ทำให้เกิดปรากฏการณ์การคืบ (Creep) และการคลายความเค้น (Stress Relaxation) ได้ง่ายมากภายใต้โหลดคงที่ ไม่เหมาะสมอย่างยิ่งในการทำเฟืองเกียร์เนื่องจากมีสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน (Coefficient of Friction: CoF) สูง ทำให้เกิดการสึกหรอแบบยึดติด (Adhesive Wear) อย่างรวดเร็ว การพิมพ์ทำได้ง่ายมาก ไม่ต้องใช้ตู้ควบคุมอุณหภูมิ (Enclosure) ความเร็วการพิมพ์ที่แนะนำ 60 – 150 mm/s อายุการใช้งานระบบส่งกำลังที่มีแรงกระชาก (Shock Load) อยู่ที่ 10 – 50 ชั่วโมง
โพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลตไกลคอล (Polyethylene Terephthalate Glycol หรือ PETG)
ราคาประมาณ 350 – 600 บาท/กิโลกรัม มีค่า UTS ประมาณ 45 MPa และโมดูลัสความยืดหยุ่น 2,000 MPa วัสดุมีความเป็นพลาสติก (Plasticity) สูงกว่า PLA โดยมีค่า Impact Strength 25 kJ/m² อุณหภูมิ $T_g$ อยู่ที่ประมาณ 70-80°C วัสดุแสดงพฤติกรรมหนืดหยุ่น (Viscoelastic Behavior) อย่างชัดเจน เมื่อเจอกับแรงกดทับอย่างต่อเนื่อง (เช่น การขันน็อตยึดมอเตอร์) จะเกิดการคืบตัวแบบค่อยเป็นค่อยไป (Time-dependent Strain) ทำให้ชิ้นส่วนเสียรูปถาวร (Plastic Deformation) และน็อตคลายตัว การต้านทานการสึกหรอ (Wear Resistance) ต่ำมากเนื่องจากผิววัสดุมีความหนืด เมื่อนำไปทำเกียร์จะเกิดความร้อนสะสมและการสึกหรออย่างหนัก อัตราการดูดซับความชื้น (Hygroscopicity) ต่ำ ความเร็วการพิมพ์ที่แนะนำ 40 – 80 mm/s การพิมพ์ทำได้ง่ายแต่มักเกิดปัญหาเส้นใยยืด (Stringing) อายุการใช้งานภายใต้โหลดต่อเนื่องประมาณ 50 – 100 ชั่วโมง
อะคริโลไนไตรล์บิวทาไดอีนสไตรีน (Acrylonitrile Butadiene Styrene หรือ ABS)
ราคาประมาณ 400 – 700 บาท/กิโลกรัม มีค่า UTS 35-40 MPa และโมดูลัสความยืดหยุ่น 1,800-2,000 MPa ค่า Impact Strength 30 kJ/m² มีอุณหภูมิบิดเบี้ยวเนื่องจากความร้อน (Heat Deflection Temperature: HDT) สูงถึง 85-95°C โครงสร้างอสัณฐาน (Amorphous Structure) ของ ABS ช่วยให้ต้านทานการคืบ (Creep Resistance) ที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิห้องได้ดี มีสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานต่ำกว่ากลุ่ม PLA/PETG สามารถใช้ทำชิ้นส่วนกลไกที่มีการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ได้ระดับหนึ่ง แต่การพิมพ์มีความท้าทายสูง ต้องใช้ตู้ควบคุมอุณหภูมิ (Heated Chamber) เพื่อควบคุมอัตราการหดตัวทางความร้อน (Thermal Shrinkage) ป้องกันการปริแยกของชั้นพิมพ์ (Interlayer Delamination) ความเร็วการพิมพ์ที่แนะนำ 40 – 60 mm/s อายุการใช้งานในระบบขยับต่อเนื่อง 200 – 500 ชั่วโมง
อะคริโลไนไตรล์สไตรีนอะคริเลต (Acrylonitrile Styrene Acrylate หรือ ASA)
ราคาประมาณ 600 – 900 บาท/กิโลกรัม สมบัติทางกลส่วนใหญ่เทียบเคียงได้กับ ABS โดยมีค่า UTS 40 MPa โมดูลัสความยืดหยุ่น 2,000 MPa และอุณหภูมิ HDT 95°C พฤติกรรมการรับความเค้น (Stress-Strain Behavior) และอัตราการเกิดการคืบอยู่ในระดับที่ใช้งานกับจุดยึดมอเตอร์ได้ จุดเด่นทางเคมีคือการต้านทานการเสื่อมสภาพจากปฏิกิริยาออกซิเดชันด้วยแสง (Photo-oxidative Degradation) ทนทานต่อรังสี UV สูงมาก เหมาะสำหรับหุ่นยนต์ที่ใช้งานกลางแจ้ง การพิมพ์ต้องใช้ตู้ควบคุมอุณหภูมิเช่นเดียวกับ ABS ความเร็วการพิมพ์ที่แนะนำ 40 – 60 mm/s อายุการใช้งานกลไก 200 – 500 ชั่วโมง
โพลีเอไมด์ (Polyamide หรือ Nylon)
ราคาประมาณ 900 – 1,500 บาท/กิโลกรัม ค่า UTS 50-60 MPa ค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นค่อนข้างต่ำที่ 1,200 MPa (มีความยืดหยุ่นสูง) แต่โดดเด่นด้วยค่า Impact Strength ที่สูงถึง 60 kJ/m² อุณหภูมิ HDT ประมาณ 70-90°C สมบัติทางกลศาสตร์ที่สำคัญที่สุดสำหรับงานหุ่นยนต์คือ สัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน (CoF) ต่ำมาก และมีพฤติกรรมหล่อลื่นในตัว (Self-lubricating) ต้านทานการสึกหรอ (Abrasive และ Adhesive Wear) ได้ดีเยี่ยม จึงเป็นวัสดุพิมพ์ 3D ชนิดพลาสติกล้วนที่ดีที่สุดในการทำเฟืองเกียร์ เมื่อรับความเค้นเกินพิกัด วัสดุจะยืดออก (Elongation) แทนการแตกหักแบบเปราะ ข้อเสียร้ายแรงคือความเป็นวัสดุชอบน้ำ (Highly Hygroscopic) ความชื้นจะทำหน้าที่เป็นสารเพิ่มความอ่อนตัว (Plasticizer) ทำให้สมบัติทางกลลดลงอย่างหนัก ต้องอบแห้งก่อนและระหว่างพิมพ์เสมอ ความเร็วการพิมพ์ 30 – 60 mm/s อายุการใช้งานเกียร์ 500 – 1,000 ชั่วโมง
โพลีคาร์บอเนต (Polycarbonate หรือ PC)
ราคาประมาณ 1,000 – 1,800 บาท/กิโลกรัม ค่า UTS 70 MPa โมดูลัสความยืดหยุ่น 2,300 MPa เป็นวัสดุที่ทนแรงกระแทกได้สูงลิ่วถึง 70 kJ/m² อุณหภูมิ HDT สูงทะลุ 110-120°C โครงสร้างโมเลกุลมีความแข็งแรงสูงมาก ทำให้มีค่าขีดจำกัดความล้า (Fatigue Limit) สูง และต้านทานพฤติกรรมการคืบ (Creep Resistance) แม้ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง เหมาะสมกับการทำโครงสร้างรับโหลดหนักๆ และ Motor Mount แต่เป็นวัสดุที่พิมพ์ยากที่สุด ต้องใช้อุณหภูมิหัวฉีดสูง (280-300°C+) และตู้อบควบคุมอุณหภูมิเพื่อป้องกันการเกิดความเค้นตกค้าง (Residual Stresses) ภายในชิ้นงาน ความเร็วการพิมพ์แนะนำที่ 30 – 50 mm/s อายุการใช้งานเชิงโครงสร้าง 1,000 – 2,000 ชั่วโมง
โพลีเอทิลีนเทเรฟทาเลตไกลคอลผสมเส้นใยคาร์บอน (Polyethylene Terephthalate Glycol Carbon Fiber หรือ PETG-CF)
ราคาประมาณ 800 – 1,200 บาท/กิโลกรัม การเสริมแรงด้วยเส้นใยคาร์บอนสับสั้น (Chopped Carbon Fiber Reinforcement) ช่วยดันค่า UTS ขึ้นไปที่ 55 MPa และเพิ่มค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นสูงถึง 4,500 MPa ทำให้โครงสร้างแข็งเกร็ง (High Stiffness) และลดอัตราการเกิด Creep ได้ดีกว่า PETG ปกติมาก อุณหภูมิ HDT ขยับขึ้นมาที่ 75-80°C อย่างไรก็ตาม เส้นใยคาร์บอนทำให้วัสดุเปราะลง ค่า Impact Strength ลดเหลือ 20 kJ/m² และในแง่ของระบบส่งกำลัง เส้นใยคาร์บอนที่แทรกอยู่จะทำหน้าที่เสมือนกระดาษทราย (Abrasive Particles) ทำให้อัตราการสึกหรอแบบขัดสี (Abrasive Wear Rate) สูงขึ้นอย่างรุนแรง จึง ห้ามนำมาทำเฟืองเกียร์เด็ดขาด เหมาะสำหรับทำแขนโครงสร้าง (Links) การพิมพ์ทำได้ง่ายเทียบเท่าวัสดุพื้นฐานแต่บังคับใช้หัวฉีดเหล็กชุบแข็ง (Hardened Steel Nozzle) เพื่อป้องกันหัวฉีดสึกหรอ ความเร็วการพิมพ์ 40 – 80 mm/s
โพลีเอไมด์ผสมเส้นใยคาร์บอน (Polyamide Carbon Fiber หรือ PA-CF)
วัสดุคอมโพสิตเกรดวิศวกรรม ราคาประมาณ 2,500 – 4,500+ บาท/กิโลกรัม ให้ค่า UTS สูง 85-100 MPa ค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นมหาศาล 6,500-8,000 MPa ค่า Impact Strength 50 kJ/m² อุณหภูมิ HDT พุ่งสูงถึง 140-190°C (หลังผ่านการทำ Annealing) เส้นใยคาร์บอนทำหน้าที่รับความเค้นทางกลหลักแทนสายโซ่โพลิเมอร์ (Load Transfer Mechanism) ทำให้ขจัดปัญหาการคืบ (Creep) ได้เกือบสมบูรณ์แบบ ในขณะเดียวกัน เมทริกซ์ของ Nylon ยังคงให้ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทาน (CoF) ที่ต่ำ วัสดุจึงทนทานต่อการสึกหรอ (Wear Resistance) สูงสุด เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับทำเฟืองในเกียร์ Cycloidal ระบบส่งกำลัง และ Motor Mount ทนความร้อนสูง การพิมพ์มีความท้าทาย ต้องอบไล่ความชื้น ใช้ตู้คุมอุณหภูมิ และหัวฉีดเหล็กชุบแข็ง ความเร็วการพิมพ์ที่แนะนำ 30 – 60 mm/s อายุการใช้งานในระบบโหลดหนักยาวนานระดับอุตสาหกรรมที่ 2,000 – 5,000 ชั่วโมง
พฤติกรรมที่พลาสติกมีอาการ “ยืดหรือย้วยตัวเมื่อถูกกดทับอย่างต่อเนื่อง” ในทางวัสดุศาสตร์และกลศาสตร์วัสดุ (Mechanics of Materials) เรียกว่า “การคืบ” (Creep) หรือในบางบริบทเรียกว่า Cold Flow
พฤติกรรมนี้มีความแตกต่างอย่างสิ้นเชิงระหว่างพลาสติก (โพลิเมอร์) และโลหะ (เช่น เหล็ก หรืออะลูมิเนียม) ดังคำอธิบายเชิงวิชาการต่อไปนี้ครับ
1. พฤติกรรมการคืบในพลาสติก (Creep in Polymers)
พลาสติกหรือโพลิเมอร์จัดอยู่ในกลุ่ม วัสดุหนืดหยุ่น (Viscoelastic Materials) ซึ่งหมายความว่าตัววัสดุมีคุณสมบัติผสมกันระหว่าง “ของแข็งที่ยืดหยุ่นได้ (Elastic)” และ “ของเหลวที่มีความหนืด (Viscous)”
- กลไกการเกิด: เมื่อพลาสติกได้รับ ความเค้นคงที่ (Constant Stress, $\sigma$) อย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน สายโซ่โพลิเมอร์ (Polymer Chains) ภายในโครงสร้างจะค่อยๆ คลายตัวและลื่นไถลออกจากกัน (Chain Disentanglement and Slipping)
- ผลลัพธ์: ทำให้เกิด ความเครียดที่แปรผันตามเวลา (Time-dependent Strain, $\epsilon(t)$) หรือการเสียรูปถาวรเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามระยะเวลา “แม้ว่าความเค้นที่มากระทำนั้นจะมีค่าน้อยกว่าค่าจุดคราก (Yield Strength, $\sigma_y$) ของวัสดุก็ตาม”
- ตัวแปรสำคัญ: อัตราการคืบ (Creep Rate) ของพลาสติกจะไวต่ออุณหภูมิมาก หากอุณหภูมิการใช้งานขยับเข้าใกล้ค่า อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Glass Transition Temperature, $T_g$) พลาสติกจะสูญเสียความแข็งเกร็ง (Stiffness) และเกิดการคืบอย่างรวดเร็ว
2. พฤติกรรมของโลหะทั่วไป (Metals / Steel)
เหล็กหรือโลหะทั่วไปมี โครงสร้างแบบผลึก (Crystalline Structure) ที่ยึดเหนี่ยวกันด้วยพันธะโลหะ (Metallic Bonds) ที่มีความแข็งแรงสูงและมีการจัดเรียงตัวเป็นระเบียบ
- ที่อุณหภูมิห้อง (Room Temperature): โลหะจะมีพฤติกรรมแบบ ยืดหยุ่นเชิงเส้น (Linear Elastic Behavior) ตามกฎของฮุก (Hooke’s Law) หากความเค้น ($\sigma$) ที่มากระทำยังไม่เกินค่า Yield Strength โลหะจะเกิดความเครียด ($\epsilon$) คงที่ ไม่แปรผันตามเวลา (Time-independent) เมื่อปล่อยโหลด โลหะจะคืนรูปกลับ 100% โดยไม่มีการย้วยตัวสะสม
- เงื่อนไขการเกิด Creep ในโลหะ: โลหะจะเกิดการคืบได้ก็ต่อเมื่อไปใช้งานใน อุณหภูมิที่สูงมาก (High-temperature Creep) โดยตามหลักวิชาการ โลหะจะเริ่มมีพฤติกรรม Creep อย่างมีนัยสำคัญเมื่ออุณหภูมิใช้งาน ($T$) สูงกว่า 0.3 ถึง 0.4 เท่าของจุดหลอมเหลวสัมบูรณ์ ($T_m$)
- ตัวอย่าง: เหล็กกล้า (Steel) มีจุดหลอมเหลวที่ประมาณ 1,500°C ดังนั้นเหล็กจะเริ่มเกิดการคืบ (Creep) ที่อุณหภูมิประมาณ 400°C – 500°C ขึ้นไป (เช่น ในใบพัดเครื่องยนต์เจ็ท หรือท่อไอน้ำแรงดันสูง) ส่วนที่อุณหภูมิห้อง โอกาสที่เหล็กจะเกิด Creep ถือว่า เป็นศูนย์ (Negligible) ในทางวิศวกรรม
เปรียบเทียบความแตกต่างเมื่อนำมาสร้างหุ่นยนต์
การทำความเข้าใจความแตกต่างของ Viscoelastic (พลาสติก) และ Elastic (โลหะ) สำคัญมากในการออกแบบระบบส่งกำลังของหุ่นยนต์ ดังนี้ครับ:
1. ปัญหาในจุดยึดน็อต (Bolted Joints) และสายพาน
- ชิ้นส่วนโลหะ: เมื่อเราขันน็อตยึดมอเตอร์เข้ากับเพลทเหล็ก หรือขึงสายพาน ความเค้นที่เกิดขึ้นจะคงที่ไปตลอดอายุการใช้งาน น็อตจะไม่คลายตัว สายพานจะไม่หย่อน (หากไม่มีแรงสั่นสะเทือน)
- ชิ้นส่วนพลาสติก (3D Print): เมื่อขันน็อตบีบชิ้นงานพลาสติก หรือขึงสายพาน พลาสติกจะพยายามหนีแรงบีบนั้นโดยการคืบตัวหนี (Creep) ปรากฏการณ์คู่ขนานนี้เรียกว่า การคลายความเค้น (Stress Relaxation) ผลคือเมื่อเวลาผ่านไปหลายสัปดาห์หรือหลายเดือน น็อตที่เคยขันแน่นจะหลวมหลุดเอง และสายพานจะหย่อนจนข้ามร่องฟัน แม้หุ่นยนต์จะตั้งอยู่เฉยๆ ก็ตาม
2. การรับโหลดที่ปลายแขน (Static Payload)
- แขนโลหะ: หากหุ่นยนต์โลหะถือของน้ำหนัก 2 กิโลกรัมค้างไว้ แขนจะแอ่นตัวลงเล็กน้อย (Deflection) และจะหยุดอยู่แค่นั้น ไม่แอ่นลงไปมากกว่าเดิมตามระยะเวลา
- แขนพลาสติก: หากหุ่นยนต์พลาสติกถือของ 2 กิโลกรัมค้างไว้ แขนจะแอ่นตัวลงในตอนแรก และหากปล่อยทิ้งไว้ แขนจะค่อยๆ ตกลงมาเรื่อยๆ (Sagging) จากพฤติกรรม Creep และเมื่อปล่อยของออก แขนพลาสติกอาจจะไม่ดีดกลับไปที่จุดศูนย์ (Zero Position) เดิม ทำให้ค่า Calibration ของหุ่นยนต์ผิดเพี้ยนไป (Loss of Accuracy)
บทสรุปทางวิศวกรรม: ด้วยเหตุนี้ วัสดุที่ต้านทานการคืบ (Creep Resistance) ได้ดีที่สุดในกลุ่ม 3D Print จึงต้องอาศัย เส้นใยคาร์บอน (Carbon Fiber) เข้าไปแทรกตัวอยู่ในเมทริกซ์ของโพลิเมอร์ (เช่น PA-CF หรือ PETG-CF) เพื่อทำหน้าที่รับความเค้นแทนสายโซ่โพลิเมอร์ และป้องกันไม่ให้สายโซ่โพลิเมอร์ลื่นไถลออกจากกันนั่นเองครับ
