หลักการออกแบบและเคล็ดลับใช้งานจริงสำหรับการพิมพ์ 3D

• การออกแบบสำหรับการพิมพ์ 3D แตกต่างจากวิธีการผลิตแบบดั้งเดิมอย่างมาก และต้องใช้ แนวคิดการออกแบบ ที่ต่างออกไปโดยสิ้นเชิง
• แม้จะมีข้อมูลพื้นฐานอยู่มากบนออนไลน์ แต่ เอกสารที่รวบรวมแนวทางเชิงลึกหรือเคล็ดลับที่ใช้งานได้จริงนั้นหาได้ยาก
• คู่มือนี้รวบรวม หลักการออกแบบและตัวอย่างที่เน้นการพิมพ์ 3D แบบ FDM/FFF ไว้ในที่เดียว
• บทความนี้มุ่งเน้นที่ การพิมพ์แบบ FDM/FFF และอาจใช้ไม่ได้กับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุประเภทอื่น
• หัวใจสำคัญคือ การออกแบบชิ้นส่วนเชิงฟังก์ชัน โดยมุ่งไปที่โครงสร้างที่พิมพ์ได้ง่ายโดยแทบไม่ต้องปรับจูนละเอียด
• เป้าหมายหลักคือ ลดงานหลังการพิมพ์, ลดการสิ้นเปลืองวัสดุ, และ ทำให้ผลิตได้ง่าย
• เน้น ความสมบูรณ์ทางกลมากกว่าความสวยงาม และชิ้นส่วนที่ออกแบบมาดีย่อมมีความงามในตัวเอง

Goals of Design Engineering

• การออกแบบทางกล คือการค้นหาคำตอบที่เหมาะสมที่สุดท่ามกลางเป้าหมายหลายข้อและข้อจำกัดต่าง ๆ อยู่เสมอ
• เป้าหมายหลัก:
  • ออกแบบตามภาระโหลด: สร้างโครงสร้างที่รับแรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ
  • ออกแบบให้เหมาะกับกระบวนการผลิต (DFM): ปรับให้เป็นโครงสร้างที่พิมพ์ได้ง่าย
  • เพิ่มประสิทธิภาพต้นทุน: ลดทั้งวัสดุและเวลาในการพิมพ์
• วิศวกรรมการออกแบบ มุ่งปรับโครงสร้างชิ้นส่วนให้เหมาะกับวิธีการผลิต มากกว่าการปรับปรุงเครื่องจักรผลิต
• ชิ้นส่วนในอุดมคติมุ่งสู่ การออกแบบที่พกพาได้สูง (Portable Design) ซึ่ง สามารถพิมพ์ได้บนเครื่องพิมพ์ 3D หลายประเภท
• เนื่องจากเครื่องพิมพ์และซอฟต์แวร์พัฒนาอย่างต่อเนื่อง กฎบางข้ออาจมีความสำคัญลดลงเมื่อเวลาผ่านไป

Terminology

• Layer: โครงสร้างที่สร้างขึ้นจากการแบ่งชิ้นส่วนเป็นหน้าตัดแนวนอนแล้วพอกซ้อนกัน
• Perimeter: เส้นที่เป็นขอบนอกของแต่ละเลเยอร์
• Shell: โครงสร้างกลวงที่ในแต่ละเลเยอร์เหลือไว้เฉพาะเส้นขอบนอก
• Infill: โครงสร้างตาข่ายที่เติมอยู่ภายใน shell
• Infill Percentage: สัดส่วนความหนาแน่นของการเติมด้านใน
• Overhang: โครงสร้างที่ยื่นออกด้านบนโดยไม่มีส่วนรองรับด้านล่าง
• Bridge: โครงสร้างที่พาดข้ามช่องว่างโดยมีปลายทั้งสองด้านได้รับการรองรับ
• Seam: จุดเริ่มต้น/สิ้นสุดของการพิมพ์เส้นขอบนอก ซึ่งมักมองเห็นได้ชัด

The Standard Printer Profile

• เพื่อให้ได้ การออกแบบที่นำไปใช้ได้กว้าง จำเป็นต้องกำหนดสภาพแวดล้อมของเครื่องพิมพ์พื้นฐานที่ใช้เป็นสมมติฐาน
• ด้านล่างนี้คือเกณฑ์การออกแบบโดยอิงจาก เครื่องพิมพ์ FDM ทั่วไป:
  • เส้นผ่านศูนย์กลางหัวฉีด: 0.4mm
  • ความสูงเลเยอร์: 0.2mm
  • การจัดแนวและการคาลิเบรตแกน XY อยู่ในสภาพดี
  • ความเร็วในการพิมพ์อยู่ในระดับมาตรฐาน แต่ต้องเผื่ออาร์ติแฟกต์เล็กน้อย
  • การพิมพ์ bridge และ overhang ทำได้โดยไม่มีปัญหา
  • มี แรงยึดเกาะกับฐานพิมพ์ที่เหมาะสม

1. Designing for Part Strength

• ชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3D มี โครงสร้างกลวงและถูกสร้างแบบซ้อนเลเยอร์ จึงมี แอนไอโซทรอปี (Anisotropy) ซึ่งทำให้คุณสมบัติทางกลเปลี่ยนไปตามทิศทาง
• นอกเหนือจากกฎการออกแบบด้านความแข็งแรงทั่วไปแล้ว ยังต้องคำนึงถึงปัจจัยเพิ่มเติมที่เหมาะกับคุณลักษณะของการพิมพ์ 3D

• Part Orientation

  • R1.1 — จัดแนวแรงดึงให้ขนานกับระนาบการพิมพ์
  • แรงดึงจะเปราะบางเมื่อกระทำในทิศทางที่แยกชั้นเลเยอร์ออกจากกัน ดังนั้น การเลือกทิศทางการพิมพ์ โดยพิจารณาทิศทางของแรงจึงสำคัญมาก
  • โดยเฉพาะชิ้นส่วนที่โค้งงอได้ เช่น โครงสร้างแบบคลิป มีความเสี่ยงต่อการเสียหายจากการใช้งานซ้ำ ขึ้นอยู่กับทิศทางการพิมพ์
  • เพื่อป้องกันไม่ให้ผู้ใช้อื่นพิมพ์โมเดลผิดทิศทาง ควร บันทึกไฟล์โมเดลไว้ในทิศทางการพิมพ์ที่ถูกต้อง

• When no orientation works

  • สำหรับชิ้นส่วนซับซ้อนที่ไม่มีทิศทางการพิมพ์ใดเหมาะอย่างชัดเจน การ แบ่งพิมพ์เป็นหลายชิ้นแล้วนำมาประกอบ เป็นวิธีที่ได้ผล
  • R1.2 — หากไม่มีทิศทางที่เหมาะสมที่สุด ให้แยกชิ้นส่วนแล้วพิมพ์
  • ข้อต่อแบบ dovetail เป็นโครงสร้างที่พิมพ์ได้ง่ายในหลายทิศทางและเหมาะกับการประกอบ

• To infill or not to infill

  • การเพิ่ม infill เป็น 100% ไม่ได้ทำให้ความแข็งแรงเพิ่มขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพเสมอไป
  • เนื่องจาก ความแข็งแรงมักกระจุกอยู่ที่ผิวด้านนอก การเพิ่ม shell (perimeters) จึงมีประสิทธิภาพมากกว่า
  • R1.3 — ความแข็งแรงถูกกำหนดโดยผิวด้านนอกมากกว่าส่วนภายใน
  • infill อาจนำไปสู่การสิ้นเปลืองวัสดุและทำให้เวลาในการพิมพ์เพิ่มขึ้น
  • ภาระเชิงโครงสร้างจะสูงที่สุดที่ขอบด้านนอกซึ่งอยู่ไกลจากแกนเป็นกลาง ดังนั้นการกระจายวัสดุไปยังบริเวณนั้นจึงมีประสิทธิภาพกว่า

• The Flow of Forces

  • การพิจารณา เส้นทางการไหลของแรง (Force Lines) ภายในชิ้นส่วนช่วยให้ ลดความเค้นผ่านการเปลี่ยนรูปทรง ได้
  • R1.4 — นำทางการไหลของแรงให้เป็นเส้นตรงมากที่สุดเท่าที่ทำได้
  • ใช้ fillet ที่มุม เพื่อลดการกระจุกตัวของความเค้นและลดความเสี่ยงของการแตกหัก

• Cross-sectional Considerations

  • ในการพิมพ์ 3D โครงสร้างส่วนใหญ่ เป็นโพรงภายใน ดังนั้นเมื่อเทียบกับการลดพื้นที่หน้าตัดแล้ว การลดพื้นที่ผิว จะช่วยประหยัดวัสดุได้มากกว่า
  • R1.5 — รูปทรงที่หนามักได้เปรียบกว่ารูปทรงที่บาง
  • ตัวอย่าง: โครงสร้าง I-beam ที่แข็งแรงในทางวิศวกรรมแบบดั้งเดิม อาจกลับกลายเป็นว่า หน้าตัดสี่เหลี่ยมจัตุรัสให้ทั้งความแข็งแรงและประสิทธิภาพการพิมพ์ที่ดีกว่า ในงานพิมพ์ 3D

• Simulation Struggles

  • ในการผลิตแบบดั้งเดิม การจำลองเป็นเครื่องมือหลัก แต่สำหรับการพิมพ์ 3D นั้นการทำนายอย่างแม่นยำทำได้ยาก เนื่องจาก โครงสร้างที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน
  • ดังนั้น การพิมพ์และทดสอบจริงโดยตรง จึงเป็นทางเลือกที่ทำได้ในต้นทุนต่ำ
  • อย่างไรก็ตาม แม้ว่า การทดสอบด้วยการพิมพ์จริงจะเหมาะกับการทดสอบความแข็งแรงเชิงกล แต่ ไม่แนะนำให้ใช้เพื่อตรวจสอบความแม่นยำของมิติ
  • Topology Optimization ไม่สอดคล้องกับกระบวนการแบบ FFF และไม่สามารถให้รูปทรงที่เหมาะต่อการพิมพ์ได้ในอุดมคติ

2. ค่าคลาดเคลื่อนในการผลิตและผิวงานชิ้นส่วน (Manufacturing Tolerance and Part Finish)

• Chamfers vs. Fillets

  • R2.1 — ใช้ chamfer กับขอบที่ขนานกับระนาบการพิมพ์ และใช้ fillet กับขอบที่ตั้งฉาก เพื่อให้ได้คุณภาพการพิมพ์ดีที่สุด
  • ฟิลเลตในแนวนอนทำให้เกิด overhang ที่ชันมาก ส่งผลให้คุณภาพผิวลดลงและพิมพ์ได้ยาก
  • ในแนวตั้ง fillet ช่วย ลดการเร่งของหัวพิมพ์ จึงมีประสิทธิภาพในการลดตำหนิบนผิวงาน
  • chamfer รักษาความชันให้คงที่ ทำให้เกิด เส้นเลเยอร์ที่สม่ำเสมอในแต่ละชั้น และให้รูปลักษณ์ที่เรียบร้อย

• Horizontal Holes

  • รูวงกลมในแนวนอนก่อให้เกิด ปัญหา overhang ขนาดใหญ่ จึงควรแทนที่ด้วย รูปทรงหยดน้ำ 90 องศา (teardrop) หรือ โครงสร้างหลังคาแบน
  • R2.2 — รูในแนวนอนควรออกแบบเป็นรูปทรงหยดน้ำหรือโครงสร้างหลังคา
  • บริเวณ bridge อาจแอ่นลงเล็กน้อย จึงควร เผื่อระยะ clearance เพิ่มเติม

• Seemingly Seamless

  • perimeter seam คือจุดเริ่ม/จบของการพิมพ์ ซึ่งอาจทำให้เกิด ความคลาดเคลื่อนด้านขนาดและทำให้รูปลักษณ์ลดลง ได้ ขึ้นอยู่กับตำแหน่ง
  • ในชิ้นงานทรงกลมสมบูรณ์หรือมุมที่มีองศาเท่ากันทั้งหมด การกำหนดตำแหน่ง seam ทำได้ยาก จึงมีโอกาสเกิดข้อผิดพลาดสูง
  • R2.3 — สำหรับรูแนวตั้ง ให้ใช้รูปทรงหยดน้ำเพื่อหลีกเลี่ยง seam
  • R2.4 — เพื่อไม่ให้ seam กระทบต่อการใช้งานหรือรูปลักษณ์ ควรเพิ่มมุมเว้าแหลมเพื่อชักนำตำแหน่ง seam

• Expectable Tolerances of FFF/FDM

  • การออกแบบควรคำนึงถึงข้อจำกัดของกระบวนการผลิต โดย ความคลาดเคลื่อนของผิวประมาณ 0.1 มม. ถือเป็นระดับปกติ
  • ชิ้นส่วนที่มีมุมคมและรูปทรงเรขาคณิตซับซ้อนจะเกิด ความคลาดเคลื่อนเพิ่มขึ้นจากการเร่งความเร็ว
  • R2.5 — ปรับปรุงค่าคลาดเคลื่อนด้วยการออกแบบเส้นทางที่หัวพิมพ์เคลื่อนที่ได้ง่าย
  • การหดตัวและการบิดงอ (warping) จะเกิดน้อยลงในชิ้นส่วนที่มีพื้นผิวโค้งมากและมีปริมาตรใหญ่
  • R2.6 — หากต้องการป้องกันการบิดงอ ให้ทำพื้นผิวโค้งมนและมีปริมาตรมาก รูปทรงในอุดมคติคือทรงกลม

• Perfect Precision

  • วิธีหาขนาดที่เหมาะสมที่สุดด้วยการพิมพ์ทดสอบแบบ Goldilocks approach แม้จะทำซ้ำได้ดี แต่กลับลดทอน portability ของแบบออกแบบ
  • R2.7 — ถ้าทำให้แม่นยำไม่ได้ ก็จงทำให้ปรับได้
  • ตัวอย่างกลไกการปรับ:
    • รูทรงรี: ปรับตำแหน่งได้ แต่ปรับละเอียดได้ยาก
    • โครงสร้างสกรูที่หันเข้าหากัน: เหมาะกับการปรับความสูงอย่างแม่นยำ แต่ต้องเข้าถึงได้จากทั้งสองด้าน
    • สปริงร่วมกับสกรู: ปรับได้ง่าย และสามารถใช้สกรูเพิ่มเพื่อยึดตรึงได้
    • การรองชิม (shimming): ซ้อนแผ่นเหล็กบางหรือแผ่นที่พิมพ์ 3D เพื่อปรับความสูง

• Engineering Fits

  • ระบบค่าคลาดเคลื่อน (เช่น H6) ที่ใช้ในการผลิตแบบดั้งเดิมนั้น ไม่สมจริง สำหรับการพิมพ์ FDM
  • หากจำเป็น สามารถ รีมเมอร์แต่งภายหลัง เพื่อให้ได้ค่าคลาดเคลื่อนที่แม่นยำ แต่ถ้าไม่ใช่กรณีพิเศษก็มักไม่มีประสิทธิภาพนัก
  • กรณีง่าย ๆ ให้เลือกใช้ clearance fit หรือ interference fit

• Circles Considered Harmful

  • ในการประกอบแบบ interference fit รูวงกลมมีพื้นที่ให้วัสดุเปลี่ยนรูปน้อย จึงเพิ่มความเสี่ยงต่อการแตกหัก
  • รูหกเหลี่ยมหรือสี่เหลี่ยม สามารถดูดซับการแทรกแน่นผ่านการเปลี่ยนรูปได้ จึงยืดหยุ่นกว่า
  • R2.8 — สำหรับ interference fit ให้ใช้รูหกเหลี่ยมหรือสี่เหลี่ยมแทนรูวงกลม

• Crush Ribs

  • crush ribs เป็นโครงสร้างที่เหมาะกับ interference fit ที่ประกอบเพียงครั้งเดียว
  • สามารถดูดซับค่าคลาดเคลื่อนจากการพิมพ์ผ่านการเปลี่ยนรูปของ rib จึงช่วยให้แรงแทรกแน่นมีความสม่ำเสมอ
  • เนื่องจากเป็นรายละเอียดขนาดเล็ก ความคลาดเคลื่อนจากการพิมพ์จึงสูงกว่า และโดยทั่วไปจะพิมพ์ออกมา เล็กกว่าขนาด
  • R2.9 — ใช้ crush ribs กับ interference fit ที่ไม่ต้องถอดประกอบซ้ำ

• Grip Fins

  • grip fins ใช้ การเปลี่ยนรูปแบบยืดหยุ่น เพื่อสร้างโครงสร้าง interference ที่ถอดประกอบซ้ำได้หลายครั้ง
  • ต่างจาก crush ribs ตรงที่ สามารถยึดประกอบและถอดซ้ำได้ต่อเนื่อง จึงเหมาะกับชิ้นส่วนที่ต้องใช้งานซ้ำ
  • R2.10 — สำหรับ interference fit ที่ต้องประกอบซ้ำ ให้ใช้ grip fins

3. การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ (Process Optimization)

• Support Material

  • R3.1 — โดยหลักการแล้วควรหลีกเลี่ยงการใช้วัสดุซัพพอร์ต
  • ซัพพอร์ตทำให้เกิดปัญหาอย่าง งานหลังการพิมพ์เพิ่มขึ้น, สิ้นเปลืองวัสดุ, ความแม่นยำด้านขนาดลดลง, และ คุณภาพผิวแย่ลง
  • ในกรณีส่วนใหญ่ สามารถ ปรับดีไซน์เล็กน้อยเพื่อลดความจำเป็นของซัพพอร์ตได้
  • เพียงแค่เปลี่ยนทิศทางการพิมพ์ก็อาจตัดซัพพอร์ตออกได้

• Diagonal Orientation

  • หากวางชิ้นงานเอียง 45 องศาจากแกนการพิมพ์ จะช่วย ลด bridge และ รักษาคุณภาพของทุกพื้นผิวให้สม่ำเสมอ
  • R3.2 — การจัดวางแบบเอียงสามารถช่วยกำจัดซัพพอร์ตได้
  • อย่างไรก็ตาม มีความเสี่ยงที่จะล้ม จึงควรเพิ่ม brim

• Divide and Conquer

  • หากหลีกเลี่ยงซัพพอร์ตไม่ได้ ก็สามารถ พิจารณาแบ่งชิ้นส่วนออกเป็นหลายชิ้นแล้วนำมาประกอบ ได้
  • R3.3 — หากหลีกเลี่ยงซัพพอร์ตไม่ได้ไม่ว่าทิศทางใด ให้แบ่งชิ้นส่วนแล้วพิมพ์แยก

• Sacrificial Layers

  • รู counterbore ที่เจาะจากบนลงล่างนั้นพิมพ์โดยไม่มีซัพพอร์ตได้ยาก
  • หากเพิ่ม ชั้นเสียสละ (sacrificial layer) ก็จะช่วยคงโครงสร้างไว้ได้โดยไม่ต้องใช้ซัพพอร์ต
  • หลังพิมพ์สามารถ เอาชั้น bridge บาง ๆ ออกด้วยมีดหรือสว่าน เพื่อให้ได้รูปทรงที่ต้องการ
  • R3.4 — ใช้ชั้นเสียสละแทนซัพพอร์ตสำหรับ overhang ภายใน

• Overhanging Counterbore Trick

  • เป็นวิธีที่พัฒนาต่อจากชั้นเสียสละอีกขั้น โดย วาง bridge ในทิศทางที่ไม่ขวางรูภายใน เพื่อสร้างโครงสร้างให้สมบูรณ์เป็นลำดับ
  • ให้ผลการพิมพ์ที่เรียบร้อยโดยไม่ต้องทำงานหลังการพิมพ์ และมีประสิทธิภาพอย่างยิ่งกับรูขนาดเล็ก
  • R3.5 — สำหรับ counterbore แบบ overhang ให้ใช้เทคนิค bridge layer

• Layers of Bridges

  • สามารถสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนขึ้นโดยไม่ต้องใช้ซัพพอร์ต ด้วยการ ซ้อน bridge หลายชั้นเป็นลำดับชั้น
  • sequential bridging ถูกนำไปใช้ในโครงการ OpenFlexure ด้วย
  • R3.6 — สามารถพิมพ์รูปทรงซับซ้อนโดยไม่ใช้ซัพพอร์ต ด้วย bridge ที่อาศัย bridge อีกชั้นหนึ่ง

• Well Meant Material Saving

  • รูปทรง I-beam หรือรูที่ไม่จำเป็น อาจ กลับทำให้สิ้นเปลืองวัสดุและเพิ่มเวลาพิมพ์
  • ในงานพิมพ์ 3D พื้นที่ผิวมีผลต่อการใช้วัสดุมากกว่าภายในชิ้นงาน
  • R3.7 — แทนที่จะเจาะรูเพื่อลดวัสดุ ให้คงรูปทรงที่มีปริมาตรไว้

• Optimizing Bed Adhesion

  • ควร ปรับพื้นที่สัมผัสระหว่างชิ้นงานกับเบดให้เหมาะสม เพื่อให้พิมพ์และแกะออกได้ง่ายในการผลิตจำนวนมาก
  • ถ้าน้อยเกินไปจะเสี่ยงล้ม ถ้ามากเกินไปจะถอดออกยาก
  • R3.8 — ในการผลิตจำนวนมาก ให้ลดพื้นที่สัมผัสกับเบดให้น้อยที่สุด

• Mouse Ears

  • หากใช้ โครงสร้าง Mouse Ear ที่ออกแบบไว้ใน CAD โดยตรงแทน brim จะช่วยเพิ่มการยึดเกาะและทำให้งานหลังการพิมพ์ง่ายขึ้น
  • สามารถถอดออกได้ง่ายทั้งแบบ ติดกับตัวชิ้นส่วนโดยตรง หรือแบบ เป็นปุ่มแยกออกมา
  • R3.9 — เพิ่ม Mouse Ear ให้กับชิ้นส่วนที่ยึดเกาะกับเบดยาก

4. การรวมฟังก์ชัน (Functional Integration)

• การรวมหลายฟังก์ชันไว้ในชิ้นส่วนเดียว ช่วยลดการประกอบและต้นทุนได้ แต่มีข้อเสีย เช่น ข้อจำกัดด้านทิศทางการพิมพ์ และการทำต้นแบบซ้ำที่ทำได้ยาก
• ในบางกรณีควรพิจารณาแยกฟังก์ชันออกจากกันเพื่อให้ทำต้นแบบและซ่อมแซมได้ง่าย

• Zip tie Channels

  • หาก เพิ่มช่องครึ่งวงกลมขนาดเล็กบนพื้นผิวชิ้นส่วน ก็จะสามารถ ใช้ซิปไทร์ยึดสายไฟได้
  • R4.1 — ใช้ช่อง Zip tie สำหรับการยึดสายเคเบิล

• Flexures

  • เฟล็กเชอร์ (flexure) คือ โครงสร้างที่อนุญาตให้เกิดการเคลื่อนไหว โดยอาศัยความยืดหยุ่นของวัสดุ
  • หากออกแบบให้บางและยาว จะ เคลื่อนที่ได้มากขึ้นภายในช่วงยืดหยุ่น
  • สามารถวางเฟล็กเชอร์บางหลายชิ้นแบบขนานเพื่อ ปรับสมดุลความแข็งและระยะการเคลื่อนที่ ได้
  • R4.2 — ใช้เฟล็กเชอร์เพื่อรวมฟังก์ชันการเคลื่อนไหวเข้าไว้ด้วยกัน
  • R4.3 — ออกแบบเฟล็กเชอร์ให้เปลี่ยนรูปได้เฉพาะภายในช่วงยืดหยุ่น
  • R4.4 — ติดตั้งสต็อปเปอร์ในเฟล็กเชอร์เพื่อป้องกันการเคลื่อนที่มากเกินไป

• Clips

  • คลิปเป็นตัวอย่างการใช้งานเฟล็กเชอร์ที่พบได้บ่อย และสามารถยึดได้โดยไม่ต้องใช้สกรูประกอบ
  • ทิศทางการพิมพ์มีความสำคัญ และ คลิปที่พาดข้ามเลเยอร์จะอ่อนแอมาก
  • หาก ใช้วิธียึดแบบ form-locking จำเป็นต้องมีพื้นที่สำหรับปลดคลิป
  • R4.5 — ออกแบบคลิปให้มีช่วงการเคลื่อนที่ต่ำสุดเพื่อไม่ให้หัก
  • R4.6 — คลิปแบบ form-locking ควรมีโครงสร้างที่ปลดออกได้

• Living Hinges

  • ลิฟวิ่งฮินจ์ คือบานพับที่ทำงานด้วยการงอของพลาสติกบาง เป็น การออกแบบที่เรียบง่ายและประหยัด
  • ฮินจ์บางต้องพิมพ์ในแนวขนานกับเตียงพิมพ์เท่านั้น
  • ฮินจ์ที่ทำด้วยการ bridging มีประสิทธิภาพต่ำกว่า

• Printed Bearings

  • ในกรณีที่ต้องใช้แบริ่งขนาดใหญ่ สามารถรวมแบริ่งเข้ากับชิ้นส่วนได้โดยออกแบบราง race ไว้ภายในชิ้นส่วนและ ประกอบลูกเหล็กเข้าไป
  • ยังสามารถเพิ่ม เคจที่พิมพ์ขึ้นมา เพื่อรักษาระยะห่างได้

• Print-in-place Mechanisms

  • print-in-place คือวิธี พิมพ์หลายชิ้นส่วนพร้อมกันในครั้งเดียวโดยไม่ต้องประกอบ
  • สามารถพิมพ์โครงสร้างที่ประกอบภายหลังไม่ได้ เช่น ชุดเฟือง จึงเป็นเทคนิคการออกแบบแบบบูรณาการที่ทรงพลังมาก
  • แต่ก็ ออกแบบยาก เนื่องจากมีข้อจำกัด เช่น การยึดติดกับทิศทางการพิมพ์ และการเอาซัพพอร์ตออกทำได้ยาก
  • ระหว่างชิ้นส่วนที่สัมผัสกันควร เว้นระยะอย่างน้อย 0.3 mm
  • R4.7 — ใช้โครงสร้าง breakaway ที่แยกออกได้เพื่อรองรับรูปทรงลอยตัว
  • R4.8 — เว้นระยะให้เพียงพอเพื่อป้องกันการสัมผัสกันระหว่างการพิมพ์

5. ก้าวข้ามพลาสติก (Beyond Plastic)

• Nuts and Bolts

  • Screw Preload
    • แรงอัด (preload) ที่เกิดจากการขันสกรู เป็นตัวกำหนดความเสถียรของการยึดต่อ แต่ ชิ้นส่วนพิมพ์ 3D มีความแข็งต่ำ จึงใช้การคำนวณแบบดั้งเดิมไม่ได้ผล
    • เพื่อรับมือกับ แรงสั่นสะเทือนและโหลดแบบไดนามิก แนะนำให้ใช้ threadlocker หรือ locknut
    • R5.1 — สกรูที่รับโหลดแบบไดนามิกควรใช้ร่วมกับอุปกรณ์ช่วยล็อก
  • Screw Length
    • ควร ออกแบบให้สกรูยาวที่สุดเท่าที่ทำได้ เพื่อ กระจายแรงอัดไปทั่วทั้งชิ้นส่วนและป้องกันการขันแน่นเกินไป
    • R5.2 — ออกแบบความยาวสกรูให้ยาวที่สุดเท่าที่ทำได้
  • Threads in Printed Parts
    • สามารถ ต๊าปเกลียวบนชิ้นส่วนพลาสติกโดยตรง หรือสร้างเกลียวด้วย CAD ได้ แต่ เสียหายได้ง่ายเมื่อขันแน่นเกินไป
    • สำหรับการยึดต่อที่รับโหลดต่ำและ ไม่ได้มีการขันซ้ำบ่อย สามารถใช้เกลียวที่ต๊าปได้
    • R5.3 — ใช้การต๊าปเกลียวสำหรับการยึดต่อที่นำกลับมาใช้ซ้ำน้อย
  • Rib Thread Forming
    • วิธี สร้างเกลียวโดยอาศัยการเปลี่ยนรูปของ crush rib ทำให้ขันยึดได้ง่ายโดยไม่ต้องมีขั้นตอนหลังการพิมพ์
    • R5.4 — การสร้างเกลียวด้วยริบเหมาะกับการยึดต่อแบบง่ายที่ไม่ได้ใช้ซ้ำบ่อย
  • Threaded Inserts
    • อินเสิร์ตโลหะแบบฝังด้วยความร้อน ให้เกลียวที่แข็งแรงและมั่นคง เหมาะกับการประกอบซ้ำหลายครั้ง
    • R5.5 — แนะนำให้ใช้อินเสิร์ตเพื่อความแข็งแรงสูงและการใช้งานซ้ำได้ดี
  • Embedded Nuts
    • การ ใส่น็อตมาตรฐานไว้ภายในชิ้นส่วน เป็นวิธีที่ประหยัด และ เหมาะอย่างยิ่งเมื่อใช้ร่วมกับสกรูยาว
    • สามารถใส่น็อตได้ด้วย การออกแบบช่องตัดด้านข้างหรือด้านหลัง
    • R5.6 — ออกแบบช่องตัดสำหรับการใส่น็อตมาตรฐาน
  • Thread Strength
    • วิธีการทำเกลียวส่วนใหญ่ให้ความแข็งแรงเพียงพอสำหรับโหลดทั่วไป และ ควรตัดสินใจด้านการออกแบบโดยเน้นความทำซ้ำได้และความง่ายในการประกอบ

• Dowel Pins

  • พินกำหนดตำแหน่ง (dowel pin) สำหรับการยึดตำแหน่งอย่างแม่นยำ ใช้ไม่บ่อยนักเพราะข้อจำกัดของค่าคลาดเคลื่อนในการพิมพ์
  • แต่ก็ยังมีประโยชน์สำหรับ ฟิกซ์เจอร์ที่ต้องการความแม่นยำ และสามารถใช้การแต่งผิวภายหลังหรือ hex hole/crush rib ได้

• Embedded Hardware

  • วิธี ฝังฮาร์ดแวร์ระหว่างการพิมพ์ ช่วยทำให้การยึดต่อหรือการประกอบง่ายขึ้น
  • ใช้วิธี หยุดการพิมพ์ชั่วคราวระหว่างงานเพื่อใส่ชิ้นส่วน แล้วจึงพิมพ์ต่อ เพื่อยึดไว้ภายในโครงสร้าง
  • ตัวอย่าง: แผ่นใส, แม่เหล็ก, ตะแกรงโลหะ เป็นต้น
  • R5.7 — รวมฟังก์ชันด้วยการฝังฮาร์ดแวร์แทนการใช้การยึดต่อที่ซับซ้อน

• Printing on Fabric

  • สามารถสร้าง โครงสร้างที่ยืดหยุ่น ได้โดยคลุม ผ้าบาง (เช่น tulle) ระหว่างการพิมพ์
  • ใช้เป็นหลักใน งานเสื้อผ้าและคอสเพลย์ โดยชิ้นส่วนแต่ละชิ้นจะถูกยึดอยู่บนผ้า
  • ปรับความยืดหยุ่นได้ ตามเรขาคณิต

6. การออกแบบรูปลักษณ์ (Appearance)

• Complex Shapes

  • การพิมพ์ 3D สามารถสร้างพื้นผิวโค้งซับซ้อนและรูปทรงออร์แกนิกได้โดยไม่เพิ่มภาระต้นทุน
  • จึงสามารถหลุดจากงานออกแบบแบบมุมฉากดั้งเดิม และ ใช้รูปทรงซับซ้อนอย่างเต็มที่เพื่อปรับปรุงรูปลักษณ์หรือการยศาสตร์
  • R6.1 — ใช้รูปทรงซับซ้อนอย่างเต็มที่เพื่อปรับปรุงรูปลักษณ์หรือการยศาสตร์

• Shadow Lines

  • สามารถเพิ่ม ช่องว่างเล็ก ๆ และริบ (เส้นนูน) ที่รอยต่อของชิ้นส่วนประกอบ เพื่อ ทำให้รอยต่อดูเรียบร้อยแม้ความแม่นยำไม่สูงมาก
  • หากต้องการเพิ่มคุณสมบัติการซีลด้วย ก็สามารถเพิ่ม ริบคู่ด้านใน เพื่อสร้าง โครงสร้างแบบเขาวงกต ได้
  • R6.2 — เพิ่ม shadow line ที่รอยต่อของชิ้นส่วนเพื่อปรับปรุงรูปลักษณ์

• Surface Texture

  • มีข้อจำกัดคือ กำจัดเส้นเลเยอร์บนพื้นผิวแนวตั้งได้ยาก
  • หากใช้ textured build plate ก็ ช่วยปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวด้านล่างได้ แต่ยังมีข้อจำกัด
  • ฟังก์ชัน Fuzzy Skin จะสร้างความไม่สม่ำเสมอแบบตั้งใจ เพื่อ อำพรางเส้นชั้นและปรับสัมผัสให้ดีขึ้น
  • R6.3 — ปรับพื้นผิวให้มีเท็กซ์เจอร์เพื่อลดความรู้สึกแบบชิ้นงานพิมพ์ 3D

• Printed Text

  • สามารถ สลักข้อความลงบนชิ้นส่วนได้โดยไม่ต้องใช้เลเซอร์มาร์กกิงหรือฉลาก
  • สามารถสลักหมายเลขชิ้นส่วนหรือเวอร์ชันเพื่อ ให้จัดการและติดตามการแก้ไขได้ง่าย
  • การสลักลึก (engraving) ให้ผลลัพธ์เรียบร้อยกว่าการทำตัวนูน (embossing)
  • R6.4 — เพิ่มข้อความโดยใช้การสลักเป็นค่าเริ่มต้น
  • R6.5 — จัดวางข้อความในแนวตั้งเพื่อให้พิมพ์ได้แม่นยำ
  • หากมีความกว้างเส้นอย่างน้อย 0.6mm และความลึกอย่างน้อย 0.5mm ก็จะไม่มีปัญหากับเครื่องพิมพ์ส่วนใหญ่

• Vase Mode Design

  • Vase Mode พิมพ์ผนังชั้นเดียวแบบเกลียว จึง พิมพ์ได้รวดเร็วและเรียบง่าย
  • ไม่มีรอยต่อของเลเยอร์จึงได้รูปลักษณ์เรียบลื่น, ไม่มีปัญหา stringing, และ ใช้วัสดุน้อย
  • เนื่องจากไม่มีโครงสร้างรองรับภายในจึง มีความแข็งต่ำ แต่สามารถชดเชยได้ตามรูปทรง
  • R7.1 — ใช้ beading pattern เพื่อเพิ่มความแข็งให้ชิ้นส่วนแบบ Vase Mode

• Beading Patterns

  • beading pattern (Sickening Pattern) ที่ใช้เสริมความแข็งแรงแผ่นโลหะสามารถนำมาประยุกต์ใช้กับงานพิมพ์ได้เช่นกัน
  • การเพิ่มโครงแบบริบให้กับโครงสร้างเชลล์บางจะช่วย เพิ่มความแข็ง
  • CNC-Kitchen ได้แสดงตัวอย่างโดยละเอียดไว้

• Unconventional Vase Mode

  • Vase Mode ไม่ได้จำกัดแค่แจกัน แต่ยัง สามารถพิมพ์ชิ้นส่วนเชิงฟังก์ชันได้ผ่านการจัดการเชิงเรขาคณิต
  • ถาดหกเหลี่ยมของ FPacheco เป็น ตัวอย่างที่ใช้ข้อดีของ Vase Mode แม้จะไม่ใช่รูปแบบ Vase Mode ทั่วไป
  • เมื่อต้องผลิตจำนวนมาก ก็สามารถได้ทั้งเวลาและคุณภาพ

เช็กลิสต์

• 1. การทำให้ชิ้นส่วนมีความแข็งแรงเพียงพอ

  • R1.1 จัดแนวแรงดึงให้ขนานกับระนาบการพิมพ์
  • R1.2 หากปรับทิศทางให้เหมาะสมได้ยาก ให้แยกเป็นหลายพาร์ต
  • R1.3 ความแข็งแรงขึ้นอยู่กับความหนาผิวมากกว่าการเติมเนื้อภายใน
  • R1.4 ส่งผ่านแรงให้เป็นทางตรงที่สุดเท่าที่ทำได้
  • R1.5 ให้พิจารณาหน้าตัดที่หนากว่าก่อนหน้าตัดที่เรียว

• 2. ค่าคลาดเคลื่อนในการผลิตและการเก็บผิว

  • R2.1 ใช้ chamfer กับขอบแนวนอน และใช้ fillet กับขอบแนวตั้ง
  • R2.2 สำหรับรูแนวนอน ให้ใช้รูปทรงหยดน้ำหรือส่วนบนแบบแบน
  • R2.3 รูแนวตั้งก็ควรใช้รูปทรงหยดน้ำเพื่อชดเชยความแม่นยำ
  • R2.4 กำหนดตำแหน่ง seam ไปยังมุมเว้าเพื่อรักษาความเที่ยงตรง
  • R2.5 ออกแบบโครงสร้างเรขาคณิตโดยคำนึงถึงเส้นทางการเคลื่อนที่ของหัวพิมพ์
  • R2.6 ใช้รูปทรงที่มีปริมาตรมากและพื้นผิวโค้งลื่นไหลเพื่อป้องกันการบิดงอ
  • R2.7 หากยากต่อการคุมความแม่นยำ ให้เผื่อความสามารถในการปรับแต่งไว้
  • R2.8 สำหรับ interference fit ให้ใช้รูหกเหลี่ยมหรือสี่เหลี่ยมแทนรูวงกลม
  • R2.9 สำหรับ press fit แบบใช้ครั้งเดียว ให้ใช้ Crush Rib
  • R2.10 สำหรับ fit ที่ถอดประกอบได้ ให้ใช้ Grip Fin

• 3. การปรับกระบวนการให้เหมาะสม

  • R3.1 ลดความจำเป็นในการใช้ support ให้มากที่สุด
  • R3.2 หลีกเลี่ยง support ด้วยการปรับทิศทางของพาร์ต
  • R3.3 หากเลี่ยง support ไม่ได้ ให้แยกพาร์ตออกเป็นหลายชิ้น
  • R3.4 ใช้ sacrificial layer เพื่อป้องกัน overhang ภายใน
  • R3.5 ใช้เทคนิค Overhanging Counterbore
  • R3.6 ใช้โครงสร้าง multi-bridge เพื่อสร้างรูปทรงที่ซับซ้อน
  • R3.7 ลดพื้นที่ผิวให้ต่ำที่สุด แต่คงโครงสร้างที่มีปริมาตรไว้
  • R3.8 เมื่อผลิตจำนวนมาก ให้ลดพื้นที่สัมผัสกับ bed ให้น้อยที่สุด
  • R3.9 หากมีปัญหาการยึดเกาะ ให้เพิ่ม Mouse Ear

• 4. การรวมฟังก์ชัน

  • R4.1 ใช้ช่อง Zip Tie สำหรับยึดสายเคเบิล
  • R4.2 ใช้ Flexure เพื่อรวมกลไกการเคลื่อนที่เข้าไว้ด้วยกัน
  • R4.3 ออกแบบให้เกิดการเสียรูปได้เฉพาะภายในช่วงยืดหยุ่นเท่านั้น
  • R4.4 ใส่โครงสร้างจำกัดทางกายภาพเพื่อไม่ให้เกินขีดจำกัดของ Flexure
  • R4.5 ออกแบบ Clip ให้มีระยะเคลื่อนที่น้อยที่สุดเพื่อป้องกันการแตกหัก
  • R4.6 สำหรับ Clip ที่ถอดได้ ให้เผื่อพื้นที่สำหรับการเข้าถึงด้วยเครื่องมือ
  • R4.7 สำหรับการออกแบบ Print-in-Place ให้ใช้ผิว support ที่สามารถหักออกได้
  • R4.8 เผื่อระยะห่างให้เพียงพอเพื่อป้องกันการชนกันระหว่างชิ้นส่วน

• 5. นอกเหนือจากพลาสติก – องค์ประกอบทางกล

  • R5.1 สำหรับสกรูที่รับแรงแบบไดนามิก ให้ใช้อุปกรณ์ล็อกเสริม เช่น locknut หรือกาว
  • R5.2 ออกแบบความยาวสกรูให้มากที่สุดเท่าที่ทำได้
  • R5.3 สกรูสำหรับการประกอบที่ไม่บ่อย ให้ทำเกลียวโดยตรง
  • R5.4 การใส่สกรูแบบอาศัย Crush Rib ช่วยตัดขั้นตอนหลังการผลิตได้
  • R5.5 ใช้ Heat-Set Insert เพื่อให้ได้จุดยึดสกรูที่แข็งแรงและใช้งานซ้ำได้
  • R5.6 ออกแบบร่องไว้เพื่อให้สามารถใส่น็อตทั่วไปได้
  • R5.7 นอกจากสกรูแล้ว ยังสามารถใส่ฮาร์ดแวร์ระหว่างการพิมพ์เพื่อให้การประกอบง่ายขึ้น

• 6. รูปลักษณ์ภายนอก

  • R6.1 แม้เป็นรูปทรงซับซ้อนก็สามารถใช้เพื่อปรับปรุงรูปลักษณ์หรือการยศาสตร์ได้โดยไม่มีต้นทุนเพิ่ม
  • R6.2 เพิ่ม shadow line ที่รอยต่อของสองพาร์ตเพื่อให้ได้รูปลักษณ์ที่พรีเมียม
  • R6.3 ปรับพื้นผิวสัมผัสเพื่อลดความรู้สึกว่าเป็นงานพิมพ์ 3D
  • R6.4 สำหรับข้อความ ให้เลือกแบบ Engrave มากกว่า Emboss
  • R6.5 จัดวางข้อความแบบแกะสลัก/นูนให้ตั้งฉากกับระนาบการพิมพ์

• 7. การออกแบบเฉพาะสำหรับ Vase Mode

  • R7.1 ใช้ Beading Pattern เพื่อเพิ่มความแข็งของชิ้นงานใน Vase Mode

[judy002626]

จากข้อมูลที่ผมเคยเห็นมา ดูเหมือนว่านี่จะเป็นหนึ่งในข้อมูลขั้นสูงที่ดีมากและหาได้ยากจริง ๆ ดีใจมากที่ได้อ่านเนื้อหาแบบนี้เป็นภาษาเกาหลี

ในกรณีของเกลียว น่าเสียดายที่ผมยังเป็นมือใหม่ เลยใช้วิธีที่ถ่ายทอดกันมาแบบอาศัยประสบการณ์จากคนรอบตัว คือไม่ได้ทำสันเกลียวแยกต่างหาก แต่ทำเสาทรงกระบอกที่แคบกว่าขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของสกรูประมาณ 0.4 มม. แล้วทำ chamfer มุมสูงสั้น ๆ ไว้ที่ทางเข้า ไม่ทราบว่าคุณคิดเห็นอย่างไรกับวิธีนี้ครับ?

ตัวอย่างเช่น ถ้าเป็น M3 ผมใช้รู 2.6 มม. และทำ chamfer ที่ปากรู 80° ยาว 0.3 มม. สำหรับ SLA ผมให้ความหนาผนังของเสามากกว่า 2 มม. ส่วน FDM แม้จะไม่ทราบสเปกของคนที่พิมพ์ให้ชัดเจน แต่ก็ใช้ได้กับ FDM เช่นกัน

มันไม่ใช่ชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงมากหรือเน้นความแข็งแรงเชิงกลสูง ออกจะใกล้เคียงกับการยึดแบบธรรมดามากกว่า แต่พอเห็นว่าทำตกไปหลายครั้งแล้วยังไม่เป็นอะไร ก็ดูเหมือนว่าจะใช้ได้ดีกว่าที่คิด 🤔

[1206good]

ถ้าไม่ใช่ชิ้นส่วนที่ต้องถอดประกอบซ้ำ ๆ อย่างต่อเนื่อง ดูเหมือนว่าแค่ระวังปัญหาการแยกออกตามทิศทางของเลเยอร์ ก็แทบไม่รู้สึกว่าเป็นปัญหาแม้จะหมุนสกรูเข้าไปในเสาธรรมดา ๆ ก็ตาม

แต่ถ้าจำเป็นต้องถอดประกอบซ้ำ ๆ บ่อย ๆ ก็ดูเหมือนว่าการใส่ insert จะดีกว่าการพิมพ์เกลียวรวมไปกับชิ้นงาน

ในแท็บความคิดเห็น
"วิธีทำเกลียวบนชิ้นส่วนที่พิมพ์โดยตรงนั้น สกรูไม้ได้ผลดี

สกรูไม้สามารถสร้างเกลียวได้เองโดยไม่ต้องต๊าป
ถ้าพิมพ์ด้วย PETG ความแข็งแรงก็เพียงพอ แต่ PLA อาจแตกร้าวได้ในรูที่ขนานกับชั้นเลเยอร์"
ผมเห็นด้วยกับส่วนนี้ครับ

[GN⁺]

ความคิดเห็นจาก Hacker News

• เริ่มหลงใหลในการพิมพ์ 3D เริ่มจาก A1 Mini แต่ตอนนี้พิมพ์ทั้งโปรเจ็กต์สร้างสรรค์และชิ้นส่วนใช้งานจริง

  • พิมพ์แร็กเซิร์ฟเวอร์ขนาด 6 นิ้วสำหรับ GLi.net Beryl และ Apple TV
  • การพิมพ์ 3D ใช้เวลามาก แต่ถ้าใช้ A1 กับ Claude ก็ถือว่าสนุกพอสำหรับเป็นงานอดิเรก
  • จำเป็นต้องมีทักษะ CAD แต่การเริ่มต้นโดยไม่มี LLMs ก็รู้สึกหนักพอสมควร

• บทความนี้อยู่ในระดับที่สูงกว่าชิ้นส่วนทั่วไปบน Thingiverse หรือ Printables

  • แม้ออกแบบในโหมด "plastics" ของ Fusion 360 แต่แยกไม่ออกว่าเป็นชิ้นงานพิมพ์หรือชิ้นงานขึ้นแม่พิมพ์
  • สงสัยว่ามี CAD engine ที่ทำ "การออกแบบโดยคำนึงถึงการผลิต" ให้สอดคล้องกับความสามารถของเครื่องจักรมาตรฐานได้หรือไม่

• วิธีทำเกลียวบนชิ้นส่วนที่พิมพ์โดยตรงคือใช้สกรูไม้ ซึ่งได้ผลดี

  • สกรูไม้สามารถสร้างเกลียวได้เองโดยไม่ต้องใช้ tap
  • ถ้าพิมพ์ด้วย PETG ความแข็งแรงเพียงพอ แต่ PLA อาจร้าวในรูที่ขนานกับชั้นพิมพ์

• ข้อจำกัดด้านการออกแบบของการใส่สกรูคือไม่น่าเชื่อถือเมื่อใส่สกรูจากด้านหลัง

  • แก้ได้โดยสอดสกรูจากด้านหลังก่อนการประกอบ จากนั้นหมุนให้เข้ากับ insert แล้วติดตั้งไปพร้อมกัน

• ใช้เครื่องพิมพ์ 3D มา 7 ปี และประกอบเองที่บ้านช่วงโรคระบาด

  • บางหัวข้อในบทความนี้รู้มาก่อนแล้วจากประสบการณ์
  • แต่ก็ยังน่าทึ่งกับระดับความละเอียดในการค้นคว้าและอธิบายทุกอย่าง

• วิธีที่มีประโยชน์ในการลดการใช้วัสดุในการพิมพ์คือไม่ต้องพิมพ์พื้นผิว

  • ถ้าพื้นผิวนั้นไม่สำคัญต่อการใช้งาน ก็สามารถตัดออกได้
  • การใช้ planar infill อาจทำให้ชิ้นส่วนดูสวยได้

• "Structures" ของ J. E. Gordon ช่วยให้เข้าใจแนวคิดด้านการออกแบบเครื่องกลได้

• Bambu Labs P1S ใช้งานง่ายมาก จนพิมพ์บ่อยกว่า Ender เครื่องก่อนถึง 100 เท่า

  • มันเป็นแรงจูงใจให้ไปเรียนรู้ Fusion360

• ปัญหาการชนกันระหว่างขอบฟิเลตกับขอบคม

  • สำหรับกล่องทรงสี่เหลี่ยม อาจพิจารณาทำฟิเลต 3 ใน 4 มุม และปล่อยอีกมุมหนึ่งให้คม

• ดีไซน์ที่แบ่งทรงกลมออกเป็นสองส่วนแล้วขันยึดเข้าหากันด้วยสกรูมีประโยชน์มาก

• ไม่มีเหตุผลที่จะไม่ใส่ข้อความลงบนชิ้นส่วนที่พิมพ์

  • แต่หน้าตาของข้อความแบบพิมพ์ 3D มักน่าผิดหวัง
  • เทคนิค toner transfer ดูมีอนาคต และวิธีพ่นสีแล้วใช้เลเซอร์เขียนข้อความทับก็น่าสนใจ