ประสิทธิภาพของเครื่องพิมพ์ 3 มิติขนาดใหญ่: ความเร็ว ขนาด และความแม่นยำ

ปริมาตรการพิมพ์สูงสุดของดอเวลล์ (รุ่น DL1824-16) มีขนาด 1,800 × 2,400 × 1,600 มม. รุ่นนี้มีโครงสร้างกรอบทำจากอลูมิเนียมอัลลอยที่หนา 80 ซม. ซึ่งแข็งแรงมาก มีความสามารถในการพิมพ์ความเร็วสูงถึง 500 มม./วินาที และระบบปรับระดับอัตโนมัติแบบความแม่นยำสูง ซึ่งช่วยให้บรรลุสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างความเร็ว ขนาด และความแม่นยำ

ขนาด ความเร็ว และความแม่นยำ มักถูกนำเสนอเป็นข้อกำหนดสามประการที่แยกจากกัน อย่างไรก็ตาม ใน เครื่องพิมพ์สามมิติแบบฟอร์แมตใหญ่ ทั้งสามข้อนี้ใช้ทรัพยากรเดียวกันที่เรียกว่า "งบประมาณ" — กล่าวคือ แต่ละข้อจำกัดซึ่งกันและกัน การปรับปรุงด้านใดด้านหนึ่งมักจำเป็นต้องยอมลดทอนประสิทธิภาพในอีกสองด้านที่เหลือ

ส่วนต่อไปนี้อธิบายหลักการทำงานของ "งบประมาณ" นี้ และให้คำแนะนำเกี่ยวกับวิธีจัดลำดับความสำคัญของตัวชี้วัดทั้งสามประการนี้ ตามความต้องการการผลิตเฉพาะของคุณ

สามข้อกำหนด หนึ่งงบประมาณ

Noเครื่องพิมพ์ 3D อุตสาหกรรม สามารถรักษาทั้งสามข้อไว้ได้เต็มที่ อย่างไรก็ตาม ค่าความแม่นยำในการวางตำแหน่งที่วัดได้ 0.02 มม. บนระยะทางการเคลื่อนที่ 300 มม. กับค่าความแม่นยำเดียวกันที่วัดได้บนระยะทาง 2,400 มม. ไม่ใช่ความสำเร็จแบบเดียวกันเพียงแต่ตัวเลขต่างกัน

ความแข็งแกร่ง มวลที่เคลื่อนที่ และระยะการเคลื่อนที่ ล้วนเพิ่มขึ้นตามขนาดของโครงสร้าง ในขณะที่ส่วนประกอบของโครงและแรงบิดของมอเตอร์ต้องเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วกว่านั้นเพื่อรักษาผลลัพธ์เดิมไว้ นี่คือปัญหาสามทางในหนึ่งประโยค: สามารถเลือกสองสิ่งได้ตามต้องการ ส่วนที่สามจึงกลายเป็นสิ่งที่ต้องยอมรับด้วยความเสียสละ ถ้าจับคู่โครงสร้างขนาดใหญ่เข้ากับความแม่นยำสูง ก็จะต้องแลกกับความเร็ว ถ้าจับคู่ความเร็วกับความแม่นยำสูง โครงสร้างก็จะยังคงมีขนาดจำกัด แต่ถ้าจับคู่โครงสร้างกับความเร็วพร้อมกัน ความแม่นยำก็จะกลายเป็นแนวคิดเชิงสัมพัทธ์

เหตุใดขนาดจึงทำให้เวลาพิมพ์เพิ่มขึ้นเร็วกว่าอัตราการขยายตัวของโครงสร้าง

ปริมาตรการพิมพ์ของเครื่องพิมพ์สามมิติคือสิ่งที่ผู้ซื้ออ่านจากแผ่นข้อมูลจำเพาะ ฟิลาเมนต์คือสิ่งที่เครื่องวางลงจริง และปริมาณนั้นเปลี่ยนแปลงตามกำลังสาม ถ้าขยายชิ้นงานขึ้นร้อยละห้าสิบ — จากโครงสร้างขนาด 1,200 มิลลิเมตรไปเป็น 1,800 มิลลิเมตร — รูปทรงเรขาคณิตแบบเดิมจะใช้ฟิลาเมนต์มากกว่าเดิม 3.4 เท่า

อัตราการหลอมละลายเป็นสมบัติของหัวพิมพ์ ไม่ใช่ของโครงสร้าง DOWELL DMplus series สูงสุดใกล้เคียงกับ 400 กรัมต่อชั่วโมง; เครื่อง DMpro, DL และ DF รองรับได้ 1,000 กรัม; เครื่องขับเกลียวแบบ DP-A ที่ป้อนเม็ดพลาสติก (pellets) แทนเส้นใย (strand) สามารถทำได้ถึง 4,000–5,000 กรัม ขยายขอบเขตการทำงานแล้วเพดานอัตราการสะสมวัสดุยังคงอยู่ที่เดิม

แล้วเครื่องพิมพ์ 3 มิติรูปแบบขนาดใหญ่จริง ๆ นั้นให้อะไร? ไม่ใช่ความเร็วที่เพิ่มขึ้นแม้แต่วินาทีเดียว แต่คือการผลิตชิ้นส่วนหนึ่งชิ้นให้เสร็จสมบูรณ์ในครั้งเดียว โดยเปลือกภายนอกขนาดเต็มที่พิมพ์ออกมาในรอบเดียวจะแทนที่การประกอบชิ้นส่วน 4 ส่วนที่ต้องเชื่อมต่อ ปรับแนว และตกแต่งให้เรียบร้อย — ซึ่งใช้เวลาหลายชั่วโมง รวมทั้งยังมีรอยต่อเกิดขึ้นทุกจุดที่มีการเชื่อม

ระยะทางการเคลื่อนที่คือค่าใช้จ่ายที่ต้องจ่ายเพื่อความแม่นยำ

ความคลาดเคลื่อนเชิงมุมจะแปลงเป็นความคลาดเคลื่อนเชิงเส้นตามสัดส่วนของระยะทาง ความคลาดเคลื่อนเชิงมุมเพียง 1 arc-minute — ซึ่งตาเปล่ามองไม่เห็น — จะทำให้หัวฉีดเคลื่อนที่ผิดตำแหน่งไป 0.47 มิลลิเมตรเมื่อเคลื่อนที่ระยะ 1,600 มิลลิเมตร และผิดตำแหน่งเพียง 0.06 มิลลิเมตรเมื่อเคลื่อนที่ระยะ 200 มิลลิเมตร ไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลงเกี่ยวกับตัวเครื่องเลย เพียงแต่ขอบเขตการทำงาน (envelope) เปลี่ยนไป

การขยายตัวจากความร้อนเป็นไปตามกฎเดียวกัน ความยาวของเหล็กเพิ่มขึ้นประมาณ 12 ไมโครเมตรต่อเมตร ต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ 1 องศาเซลเซียส ดังนั้นโครงสร้างที่ยาว 1,800 มิลลิเมตรจะคลาดเคลื่อนประมาณ 0.065 มิลลิเมตรเมื่ออุณหภูมิในโรงงานเปลี่ยนไป 3 องศา ในขณะที่โครงสร้างที่ยาว 300 มิลลิเมตรจะคลาดเคลื่อนเพียง 0.011 มิลลิเมตร ตัวเลขตัวเดียวกันอาจพิมพ์อยู่บนแผ่นข้อมูลจำเพาะสองฉบับ แต่หลังจากโรงงานอุ่นขึ้นแล้ว กลับมีเพียงฉบับเดียวเท่านั้นที่ยังคงถูกต้อง

นี่คือเหตุผลว่าทำไมการอ้างอิงค่า 0.02 มิลลิเมตรจึงไม่มีความหมายเลย จนกว่าจะระบุระยะทางและอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องมาด้วย เครื่องพิมพ์ 3D ขนาดใหญ่ หากคำตอบครอบคลุมทั้งสองประเด็นนี้ ก็แสดงว่ากำลังอธิบายถึงกระบวนการผลิตจริง แต่หากไม่ตอบคำถามใดๆ เลย ก็หมายความว่ากำลังอธิบายแค่แผ่นพับโฆษณา

การโก่งตัวเพิ่มขึ้นตามกำลังสามของช่วงความยาว

คานที่รองรับทั้งสองปลายจะโก่งตัวลงตามกำลังสามของความยาวส่วนที่ไม่มีการรองรับ กล่าวคือ หากความยาวส่วนที่ไม่มีการรองรับเพิ่มเป็นสองเท่า จุดกึ่งกลางจะหย่อนต่ำลงมากถึงแปดเท่า ภายใต้หน้าตัดเดียวกัน นี่คือหลักคณิตศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังโครงสร้างที่หนาทุกชิ้นในกลุ่มนี้ และยังเป็นเหตุผลที่โครงสร้างแบบหนักพิเศษขนาด 80 มิลลิเมตรถูกนำมาใช้รองรับซีรีส์ DL

เมื่อขยายขนาดไปยังตำแหน่งการรองรับตัวเคลื่อนที่ (carriage) ให้มีความแม่นยำถึงเศษส่วนของมิลลิเมตรในระดับร้อยละหนึ่ง ซึ่งอยู่ห่างจากจุดหมุน (bearings) มากกว่าหนึ่งเมตร ความแข็งแกร่ง (stiffness) จำเป็นต้องมาจากแหล่งใดแหล่งหนึ่ง: การใช้เหล็กโครงสร้างเพิ่มมวล มวลที่เพิ่มขึ้นก็เพิ่มแรงที่ต้องใช้ในการขับเคลื่อน และแรงนั้นจะส่งผ่านกลับไปยังโครงหลัก (frame) อีกครั้ง ขณะที่ตัวเคลื่อนที่หยุดนิ่ง ระบบมอเตอร์เบรกบนแกนเดียวกันจะรักษาตำแหน่งไว้ ทำให้แรงโน้มถ่วงไม่มีบทบาทระหว่างการเคลื่อนที่แต่ละครั้ง

จุดที่เครื่องจักรขนาดใหญ่สามารถเร่งความเร็วได้ และจุดที่มันทำไม่ได้

มีสองปัจจัยหลักที่กำหนดความเร็วในการผลิตชิ้นส่วนขนาดใหญ่: ความสามารถของหัวพิมพ์ (hotend) ในการหลอมวัสดุ และความหนาของเส้นใย (bead) ที่ยอมรับได้ ทั้งสองปัจจัยนี้ล้วนเป็นการตัดสินใจเกี่ยวกับลักษณะของชิ้นส่วนนั้นๆ

เปลือกชิ้นส่วนขนาดเต็มที่จะผ่านกระบวนการขัด ทาสี หรือเชื่อมต่อภายหลัง มักไม่จำเป็นต้องมีผิวชั้นนอกที่ละเอียดมาก จึงสามารถใช้เส้นใยเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.2 มม. หรือ 1.6 มม. หรือแม้แต่รูเจาะสำหรับเม็ดพลาสติก (pellet) ขนาด 3.0 มม. พร้อมวางชั้นวัสดุที่หนาได้ อย่างไรก็ตาม พื้นผิวที่ใช้สำหรับการประกอบ (mating face) บนชิ้นส่วนชิ้นเดียวกันนั้นไม่สามารถใช้วิธีนี้ได้ สิ่งนี้คือการแลกเปลี่ยนระหว่างความเร็วกับความแม่นยำในทางปฏิบัติ: รูเจาะขนาดใหญ่ให้ความเร็วสูงแต่ให้พื้นผิวหยาบ ซึ่งความหยาบดังกล่าวส่งผลโดยตรงต่อค่าความคลาดเคลื่อน (tolerance) ของพื้นผิวใดๆ ที่ต้องสัมผัสหรือประกอบเข้ากับพื้นผิวอื่น

ความแม่นยำในการจัดตำแหน่งเป็นเพียงหนึ่งในสามปัจจัยที่ส่งผลต่อความแม่นยำโดยรวมในระดับนี้ และมักไม่ใช่ปัจจัยที่มีผลกระทบมากที่สุด ปัจจัยที่สองคือการหดตัวของวัสดุ: โพลิเมอร์ ABS และ ASA จะหดตัวประมาณร้อยละ 0.5–0.8 ขณะเย็นตัว ซึ่งไม่สังเกตเห็นได้บนโครงยึดขนาด 20 มิลลิเมตร แต่มีผลอย่างชัดเจนต่อเปลือกชิ้นงานขนาดเต็ม โดยรูสำหรับสกรูที่วางห่างกัน 1,500 มิลลิเมตร อาจเบี่ยงเบนจากตำแหน่งที่กำหนดไว้ในไฟล์ได้สูงสุดถึง 12 มิลลิเมตร ปัจจัยที่สามคือเส้นใยพลาสติก (bead) เอง ซึ่งไม่สามารถสร้างรายละเอียดที่เล็กกว่าความกว้างของตัวมันเองได้ เครื่องพิมพ์ 3D ความแม่นยำสูง แม้แกนหมุนจะมีความคลาดเคลื่อนเพียง 0.02 มิลลิเมตร ก็ยังไม่สามารถให้การเข้ากันได้ตามต้องการ หากไม่จัดการกับสองปัจจัยข้างต้นอย่างเหมาะสม

การจัดลำดับความสำคัญของขนาด ความเร็ว และความแม่นยำ ตามลักษณะชิ้นงาน

เริ่มต้นจากการประมวลผลชิ้นงานที่ความคลาดเคลื่อน (tolerance) ไม่ใช่ประเด็นหลัก เช่น เปลือกชิ้นงานขนาดเต็ม แม่พิมพ์ต้นแบบ และอุปกรณ์ช่วยในการผลิต ซึ่งยอมรับขอบเขตความคลาดเคลื่อนที่กว้างได้ในทั้งสามด้าน และสามารถใช้หัวฉีดขนาดใหญ่สุดได้ ดังนั้น ขนาดภายนอก (envelope) และความสามารถในการหลอมวัสดุ (melt capacity) จึงเป็นเกณฑ์หลักในการเลือกเครื่องจักร เพิ่มโครงสร้างที่ต้านทานการโก่งตัวได้ดีเข้าไปอีก ก็จะได้รายการครบสมบูรณ์แล้ว — ความแม่นยำสูงจึงไม่ใช่เกณฑ์ตัดสินใจหลักในกรณีนี้

อุปกรณ์ยึดจับ แม่พิมพ์ และชุดประกอบที่ต้องเข้ากันได้จะกลับข้อกำหนดนั้นทั้งหมด การสลับใช้แทนกันได้คือเกณฑ์วัด — ชิ้นส่วนชิ้นที่สิบต้องสามารถติดตั้งเข้ากับชิ้นแรกได้ — และตำแหน่งของสกรูหรือจุดยึดต้องตรงกันอย่างแม่นยำ ดังนั้นระบบควบคุมแบบปิดวงจร (closed-loop control) และความแม่นยำในการจัดวางตำแหน่งที่ระบุไว้ในระยะทางหนึ่งจึงมีความสำคัญเหนือกว่าขนาดพื้นที่ทำงานโดยรวม (envelope) ที่ใหญ่เป็นพิเศษ งานประเภทนี้จึงเหมาะสมที่สุดกับเครื่องจักรที่มีขนาดการผลิตปานกลาง ไม่ใช่เครื่องที่ใหญ่ที่สุดในโรงงาน

ชิ้นส่วนรายละเอียดที่ผลิตเป็นล็อตย่อยจะมีความต้องการในทางตรงข้าม: ต้องเจาะรูให้แม่นยำมาก ใช้พื้นที่ทำงานขนาดพอเหมาะ และให้ความเร็วเป็นลำดับแรก ความแม่นยำสูงในการเจาะรูกับพื้นที่ทำงานขนาดใหญ่ขัดแย้งกันโดยธรรมชาติ — ทุกรายละเอียดที่คมชัดจะทำให้เส้นใย (bead) แคบลง และทุกชั้นที่บางจะทำให้เวลาการผลิตยาวขึ้น ดังนั้นชิ้นส่วนที่เน้นรายละเอียดควรผลิตบนเครื่องจักรขนาดเล็ก ส่วนชิ้นส่วนขนาดเต็มควรผลิตบนเครื่องจักรขนาดใหญ่

มีเพียงการผลิตชิ้นส่วนขนาดกลางแบบทำครั้งเดียว (one-off) เท่านั้นที่ต้องการสมดุลระหว่างปัจจัยทั้งสาม: พื้นที่ทำงานขนาดกลาง ช่วงอุณหภูมิหลอมละลายที่อยู่ตรงกลาง และช่วงความคลาดเคลื่อนที่ระบุเป็นมิลลิเมตร ไม่ใช่เป็นร้อยของมิลลิเมตร

ข้อสรุป

เครื่องจักรหนึ่งเครื่องไม่สามารถมีประสิทธิภาพสูงสุดในทั้งสามด้านพร้อมกันได้ เพราะโครงสร้าง กรอบเครื่อง มวล และระยะการเคลื่อนที่นั้นเหมือนกันทั้งหมด ซึ่งส่งผลต่อค่าใช้จ่ายโดยรวม เครื่องพิมพ์สามมิติขนาดใหญ่ ซื้อชิ้นส่วนหนึ่งชิ้นในครั้งเดียว และคิดค่าบริการตามจำนวนชั่วโมงที่ใช้ — รวมทั้งช่วงความคลาดเคลื่อนที่กว้างขึ้นตามระยะทางการขนส่งทุกเมตร

โรงงานของเราครอบคลุมพื้นที่ 12,000 ตารางเมตร และเราใช้เวลากว่า 12 ปีในการพัฒนาเครื่องจักรเหล่านี้ มีช่างเทคนิคมากกว่า 220 ท่าน ให้การสนับสนุนลูกค้าที่ร่วมมือกันมากกว่า 9,600 ราย — นานพอที่จะเข้าใจว่างานแต่ละงานต้องการแบบใดจากสามแบบที่มี

ส่งชิ้นส่วน ขนาดที่สำคัญที่สุดของชิ้นส่วนนั้น และปริมาณที่ต้องการมาให้เรา — วิศวกรของเราจะแจ้งกลับมาพร้อมแบบจำลองและช่วงความคลาดเคลื่อนที่เราจะเสนอราคา