Tools/3D Proto-Invention printer นวพร เหล่ำวัฒนธรรม
เครื่องพิมพ 3 มิติ เพื่อการศึกษาและงาน DIY แนะนําเครื่องพิมพ 3 มิติฝมือคนไทยที่ สรางสรรคงานประดิษฐจากภาพฝน สูชิ้นงานจริง ภายใตงบประมาณ ที่สมเหตุสมผล หลังจำกใน TPE ฉบับที่ 37 ได้น�ำเสนอบทควำมเพื่อแนะน�ำเทคโนโลยี ของเครื่องพิมพ์ 3 มิติให้ได้รู้จักกันไปแล้ว มำถึงฉบับนี้ถือเป็นโอกำสอันดี ที่จะเปดตัวเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่มีกำรพัฒนำและท�ำขึ้นจำกผีมือของคนไทย อุปกรณ์ชิ้นส่วนต่ำงๆ สำมำรถหำซื้อได้ภำยในประเทศ ด้วยคุณสมบัติที่ สู้กับเครื่องพิมพ์ 3 มิติในเชิงพำณิชย์ได้อย่ำงไม่เขอะเขิน ที่ส�ำคัญยังเป็น เครื่องพิมพ์ 3 มิติในแบบซอร์สเปดหรือ Open Source มีกำรเปดเผยถึง รำยละเอียดส่วนต่ำงๆ ด้วยเจตนำเพื่อประโยชน์ด้ำนกำรศึกษำล้วนๆ นี่คือ Inventor-3D เครื่องพิมพ์ 3 มิติจำกบริษัท อินโนเวตีฟ เอ็กเพอริเมนต์ จ�ำกัด หรือ INEX
âครงสร้างแบบ DIY เ¾ื่อการÈÖกÉา Inventor-3D เป็นเครือ่ งพิมพ์ 3 มิตทิ มี่ โี ครงสร้ำงแบบ DIY ผูส้ นใจ สำมำรถเลือกได้ทงั้ แบบประกอบเอง ทีจ่ ดั มำพร้อมกับคูม่ อื ทีบ่ อกรำยละเอียด ทั้งหมดในกำรประกอบและกำรใช้งำน หรือแบบประกอบเสร็จพร้อมใช้งำน โดยควำมตัง้ ใจของผูผ้ ลิตต้องกำรสือ่ สำรให้ผสู้ นใจและผูใ้ ช้งำนเข้ำใจถึงหลัก กำรและกำรท�ำงำนของเครือ่ งพิมพ์ 3 มิตทิ ใี่ ช้เทคนิค Fused Deposition Modeling (FDM) เพือ่ ท�ำให้ผใู้ ช้งำนสำมำรถต่อยอด ดัดแปลงรูปร่ำงให้กลำย เป็นเครือ่ งพิมพ์ 3 มิต ิ ในแบบของตนเองได้ อีกทัง้ ต้องกำรส่งเสริมองค์ควำม รู้ของเทคโนโลยีนี้แก่นักเรียน นักศึกษำทั้งในระดบัมัธยมศึกษำตอนปลำย อำชีวศึกษำ และมหำวิทยำลัย ตัวโครงสร้ำงของเครื่องพิมพ์ Inventor-3D ใช้พลำสติกอะครีลิกหนำ ถึง 6 มม. ตัดด้วยเครื่องตัดเลเซอร์ควำมแม่นย�ำสูง มีให้เลือก 3 สีคือ สีใส สีชำ และสีด�ำ ออกแบบให้แต่ละส่วนยึดติดกันด้วยสลัก, สกรู และนอต สแตนเลสคุณภำพสูง ปลอดสนิม ท�ำให้ตัวโครงสร้ำงหรือตัวถังมีควำมแข็ง แรงและสวยงำมในแบบ DIY คุณภำพสูง
คุ³สมบัµÔ·างเ·คนÔค ´ŒÒ¹¡ÒþÔÁ¾ • ใช้เทคโนโลยีกำรพิมพ์แบบ Fused Deposition Modeling (FDM) • สร้ำงชิน้ งำน 3 มิต ิ ขนำดสูงสุด 18 x 18 x 16 ซม. • ควำมละเอียดในกำรสร้ำงชิน้ งำนแต่ละชัน้ 0.1 มม. • รองรับเส้นวัสดุแบบ PLA ขนำดเส้นผ่ำนศูนย์กลำง 1.75 มม. • ขนำดของรูหวั ฉีดหรือนอซเซิล 0.4 มม.
´ŒÒ¹â¤Ã§ÊÌҧ • เป็นพลำสติกอะครีลิกหนำ 6 มม. เชื่อมต่อผ่ำนสลักและยึดด้วยสกรูและนอต สแตนเลส ปลอดสนิม • ขนำดของตัวเครื่องพิมพ์ 34 x 35 x 50 ซม. หรือ 42 x 35 x 50 ซม. หำกรวม ม้วนของเส้นวัสดุ • น�้ำหนัก 10 กก. • ฐำนวำงชิน้ งำนเป็นอะลูมเิ นียม ท�ำให้มกี ำรกระจำยควำมร้อนของชิน้ งำนได้ดี • ใช้ระบบสำยพำนในกำรเลื่อนต�ำแหน่งในกำรเคลื่อนที่ในแนวแกน X-Y-Z ส่วน แกน X-Y เคลื่อนที่อยู่บนแท่งลิเนียร์สไลด์ (linear slide) ท�ำให้มีควำมแม่นย�ำสูง • ใช้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ไบโพล่ำร์ ควำมละเอียด 1.8 องศำ/สเต็ป หมุนด้วยควำม ละเอียดสูงสุด 1/16 ไมโครสเต็ป จ�ำนวน 4 ตัว • มีพัดลมติดที่หัวฉีดส�ำหรับลดอุณหภูมิของชิ้นงำน เพื่อช่วยให้กำรพิมพ์ในแนว ตั้งมีคุณภำพสูง
´ŒÒ¹«Í¿áÇà • ซอฟแวร์ในกำรควบคุมเครื่องเข้ำกันได้กับเครื่องพิมพ์ 3 มิติอนุกรม RepRap ซึ่งเป็นซอฟต์แวร์แบบโอเพ่นซอร์ส • ซอฟแวร์ที่เชื่อมต่อกับผู้ใช้งำนชื่อ Cura • รองรับไฟล์โมเดล 3 มิติ นำมสกุล .stl และ obj • รองรับระบบปฏิบตั กิ ำรวินโดวส์ XP (32 บิต), วินโดวส์ 7 และ 8 ทัง้ 32 และ 64 บิต , MacOS X (10.6) และ Linux (Ubuntu 12.04+) • กำรรับไฟล์ของเครื่องพิมพ์ ท�ำได้ 2 ทำงคือ ผ่ำนกำรเชื่อมต่อผ่ำนพอร์ต USB และใช้ไฟล์จำก SD กำร์ด (เป็นไฟล์รหัส G-code ที่บรรจุลงใน SD กำร์ด) • ใช้พลังงำนไฟฟ้ำ 220Vac มีแหล่งจ่ำยไฟตรงแบบสวิตชิ่ง 12V 8A ติดตั้งใน เครื่องพิมพ์
2
The Prototype Electronics
การ»รับระÂะË‹างระËว‹าง°านวางªÔ้นงานกับËัว©Õด ระยะห่ ำ งระหว่ ำ งฐำนวำงชิ้ น งำนกั บ หั ว ฉี ด ถื อ ว่ ำ เป็ น ป จ จั ย ที่ ส�ำคัญมำกในเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ใน Inventor-3D ใช้ฐำนวำงชิ้นงำนแบบ ปกติ ชิ้นงำนที่พิมพ์จะติดอยู่บนฐำนวำงชิ้นงำนจนเสร็จสิ้นกระบวนกำร พิมพ์ กำรฉีดวัสดุในชั้นแรกให้ติดด้วยระยะที่เหมำะสมนับเป็นขั้นตอน ที่ส�ำคัญ ผู้ใช้งำนสำมำรถปรับแต่งปรับระยะนี้ได้ง่ำย เพียงขันสกรูขึ้น หรือลงเท่ำนั้น
รูปที่ 1 หน้าตาภาพรวมของ Inventor-3D เครือ่ งพิมพ์ 3 มิตเิ พื่อการศึกษาและงาน DIY
รูปที่ 2 ตัวถังอะครีลกิ หนา 6 มม. พร้อมป้าย ชือ่ Inventor-3D ทีส่ ลักด้วยเครือ่ งตัดเลเซอร์
ระบบการเคลื่อน·Õ่¢องกลäก
กำรเคลื่อนที่ในแนวแกน X-Y-Z ของเครื่องพิมพ์มีควำมส�ำคัญมำก เพรำะมันจะส่งผลถึงคุณภำพของชิ้นงำนที่พิมพ์ออกมำ ใน Inverntor-3D ใช้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ 4 ตัวเชื่อมต่อกับระบบสำยพำนและตัวเลื่อนเชิง เส้นหรือลิเนียร์สไลด์ (linear slide) ที่จะพบในเครื่องจักรกลคุณภำพสูงใน โรงงำนอุตสำหกรรม ท�ำให้มีควำมแม่นย�ำในกำรเคลื่อนที่ไปมำสูงมำก กำรเคลื่อนที่ในแนวแกน Z ใช้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ที่เชื่อมต่อกับแกน สตัดเกลียวผ่ำนระบบสำยพำน และแท่งอะลูมิเนียมเพื่อช่วยรับน�้ำหนักของ ฐำนวำงชิ้นงำน อีกทั้งระบบจ�ำกัดระยะเพื่อตรวจสอบต�ำแหน่งเริ่มต้นใช้ลิ มิตสวิตช์ส�ำหรับงำนอุตสำหกรรม
รูปที่ 7 ชิ้นส่วนส�าหรับปรับระยะฐานวางชิ้นงาน
°านวางªÔ้นงาน ส�ำหรับเครื่องพิมพ์ Inventor-3D ติดตั้งฐำนวำงชิ้นงำนที่ท�ำจำก แผ่นอะลูมิเนียม มีเทปสีฟ้ำติดที่ผิวของแผ่นฐำน เพื่อช่วยให้กำรน�ำ ชิ้นงำนออกจำกฐำนวำงหลังพิมพ์งำนเสร็จท�ำได้ง่ำยขึ้น อีกทั้งยังถอด ออกมำได้โดยเลื่อนสกรูเพียง 2 ตัว และที่ตัวฐำนมีจุดส�ำหรับปรับให้ แผ่นฐำนอยู่ในแนวระนำบที่ได้ระดับเที่ยงตรง ไม่เอียง โดยที่จุดปรับใช้ สกรูและสปริงที่มีควำมยืดหยุ่นเพื่อให้กำรปรับแต่งระดับของแผ่นฐำน ท�ำได้อย่ำงอิสระและปรับได้ละเอียด รูปที่ 8 ฐานวางชิ้น งานที่ ท� า จากแผ่ น อะลูมิเนียมติดด้วย เทปสี ฟ ้ า ส� า หรั บ งานพิมพ์ 3 มิติ
รูปที่ 3 กลไกเคลื่อนที่ด้วย สเต็ปเปอร์มอเตอร์แบบไบโพล่าร์ที่ เชื่อมต่อกับสายพาน
รูปที่ 4 การเคลื่อนที่ที่แม่นย�าเป็นผลงานของ แกนเลื่อนเชิงเส้นหรือลิเนียนร์สไลด์คุณภาพสูง
ระบบระบาÂความร้อน
รูปที่ 5 การเคลื่อนที่ในแนว แกน Z ใช้แกนสตัดเกลียว และ แท่งอะลูมิเนียม
รูปที่ 6 ระบบจ�ากัดระยะเพื่อตรวจ สอบต�าแหน่งใช้ลิมิตสวิตช์ส�าหรับ งานอุตสาหกรรม
ส� ำ หรั บ ระบบระบำยควำมร้ อ นมี 2 ส่ ว นคื อ ส่ ว นแรกเป็ น กำร ระบำยควำมร้อนให้กับวงจรขับสเต็ปเปอร์มอเตอร์เพื่อให้สเต็ปเปอร์ มอเตอร์ท�ำงำนได้อย่ำงต่อเนื่อง อีกส่วนหนึ่งคือ พัดลมพร้อมท่อลมเพื่อ เป่ำชิ้นงำนให้เย็นตัวเร็วขึ้น ซึ่งมีควำมส�ำคัญมำกในกรณีที่สร้ำงชิ้นงำน ที่มีควำมสูงมำกขึ้น อย่ำงขวดหรือแจกัน เพรำะหำกไม่ระบำยควำม ร้อนให้กับชิ้นงำน ส่วนยอดของชิ้นงำนจะเกิดควำมร้อนสะสม ท�ำให้ เกิดกำรหลอมละลำย จนขึ้นรูปชิ้นงำนในแนวสูงไม่ได้
The Prototype Electronics
3
รูปที่ 12 เลือกและควบคุม การท�ำงานของเครื่องพิมพ์ Inventor-3D ด้วยสวิตช์เข้า รหัสแบบหมุน แสดงเมนูและ สถานะการท�ำงานผ่านจอ LCD 20 ตัวอักษร 4 บรรทัด
ระบบบรรจุเส้นวัสดุ รูปที่ 9 ระบบระบายความร้อนของ Inventor-3D ในส่วนของบอร์ด ควบคุมและขับมอเตอร์
การบรรจุเส้นวัสดุหรือ filament ลงไปยังหัวฉีดของ Inventor-3D ใช้ สเต็ปเปอร์มอเตอร์เป็นอุปกรณ์ขับเคลี่อนหลัก โดยติดตั้งแกนหมุนของ มอเตอร์เข้ากับหัวทองเหลืองที่บากร่องไว้ส�ำหรับรีดเส้นวัสดุที่ถูกประกบ จากร่องของตลับลูกปืน (Ball Bearing) เป็นการบังคับให้เส้นวัสดุถูกสอด ลงไปยังรูของหัวฉีด เพื่อฉีดออกมาเป็นเส้น อีกทั้งยังมีที่วางตลับเส้นวัสดุ เพื่อช่วยในการป้อนเส้นวัสดุเข้าสู่หัวฉีด โดยมีตลับลูกปืนขนาดเล็กช่วยใน การหมุนตลับเส้นวัสดุเมื่อถูกดึงจากมอเตอร์ ตลับลูกปืนที่ติดตั้งอยู่บนแกน หมุน จะช่วยให้ตลับเส้นวัสดุหมุนไปได้อย่างราบรื่น โดยที่วางตลับเส้นวัสดุ แบบมีตลับลูกปืนตามรูปที่ 14
รูปที่ 10 ติดตั้งพัดลม ขนาดเล็กที่หัวฉีดเพื่อ ระบายความร้อนให้กับ ชิ้นงานที่ก�ำลังพิมพ์
การควบคุมเครื่องและจอแสดงผล
ส�ำหรับการควบคุมเครือ่ งพิมพ์ 3 มิต ิ Inventor-3D ท�ำได้ 2 วิธี
1. การเชือ่ มต่อกับคอมพิวเตอร์ผา่ นพอร์ต USB โดยควบคุมการท�ำงาน ผ่านซอฟต์แวร์ Cura 2. ใช้ซอฟต์แวร์ Cura สร้างไฟล์ G-code แล้วคัดลอกลงใน SD การ์ด จากนัน้ น�ำไปเสียบเข้ากับซ็อกเก็ต SD การ์ดทีต่ วั เครือ่ ง เพือ่ ให้เครือ่ งพิมพ์อา่ น ไฟล์ แล้วพิมพ์ชนิ้ งานออกมา Inventor-3D มีจอแสดงผลแสดงรายการควบคุม, ใช้แจ้งสถานะการ ท�ำงาน, แจ้งอุณหภูมขิ องหัวฉีด, ต�ำแหน่งพิกดั ของการพิมพ์ในแนวแกน X-Y-Z และเวลาทีใ่ ช้ในการพิมพ์ โดยมีสวิตช์เข้ารหัส 4 ต�ำแหน่งแบบหมุนท�ำหน้าที่ เลือกการท�ำงาน
รูปที่ 11 เชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ผ่านพอร์ต USB เพื่อส่งไฟล์ของชิ้นงานมาพิมพ์
4
The Prototype Electronics
รูปที่ 13 กลไกการบรรจุเส้นวัสดุเพือ่ ฉีดชิน้ งาน รูปที่ 14 ชิ้นส่วนช่วยในการป้อนเส้น วั ส ดุ จ ากม้ ว นวั ส ดุ เ ข้ า สู ่ หั ว ฉี ด ของ Inventor-3D ในการดึงเส้นวัสดุเพื่อป้อนให้แก่หัวฉีดยังมีอีกหนึ่งอุปกรณ์ที่ช่วยดึง และจัดให้เส้นวัสดุไหลเข้าไปได้สะดวกขึ้นนั่นคือ ชุดล้อพยุงเส้นวัสดุดัง แสดงในรูปที่ 15 เส้นวัสดุไหลเข้าไปในหัวฉีดที่มีรูขนาด 0.4 มม. ด้วยการ หมุนแกนของสเต็ปเปอร์มอเตอร์ในแบบไมโครสเต็ป ช่วยให้เส้นวัสดุที่ออก มาจากหัวฉีดมีขนาดที่เล็ก ละเอียด และเย็นตัวได้เร็ว นอกจากนั้นที่หัวฉีด ยังเพราะมีพัดลมที่ช่วยเป่าลมออกมาผ่านทางท่อดรีดลมไปยังชิ้นงาน เพื่อ ให้เย็นตัวลงได้เร็วเพียงพอ ก่อนที่จะรองรับการฉีดในชั้นต่อไป
รูปที่ 16 ท่อรีดลมท�ำหน้าที่รีดลมที่ได้มาจาก พัดลมระบายความร้อนซึ่งติดตั้งอยู่กับหัวฉีก พ่นไปยังชิ้นงานโดยตรง เพื่อลดอุณหภูมิ เป็น รูปที่ 15 ล้อพยุงเส้นวัสดุ ส่วนประกอบ อุปกรณ์ที่จ�ำเป็นอย่างยิ่งในกรณีที่สร้างชิ้น ส�ำคัญทีช่ ว่ ยในการป้อนเส้นวัสดุเข้าหัวฉีด งานที่มีความสูง เช่น ขวดหรือแจกัน
Àาคควบคุม
แËล‹ง¾ลังงานä¿¿‡า
ใช้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino Mega 2560 หรือเทียบเท่ำ ที่บรรจุเฟร์มแวร์ส�ำหรับควบคุมเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบโอเพ่นซอร์สที่ชื่อ Ramps ซึ่งใช้ในกำรควบคุมเครื่องพิมพ์ 3 มิติในโครงกำร RepRap ดูข้อมูล ทั้งหมดและดำวน์โหลดโค้ดได้จำก http://reprap.org/wiki/RepRap
โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ Inventor-3D ใช้แหล่งจ่ำยไฟฟ้ำกระแสสลับ 220Vac 50Hz มีสวิตช์ปด-เปด พร้อมไฟแสดงสถำนะ ภำยในเครื่องมีกล่อง ภำคจ่ำยไฟแบบสวิตชิ่ง +12V 8A ส�ำหรับเลี้ยงวงจรและมอเตอร์ทั้งหมด
ส่วนวงจรขับสเต็ปเปอร์มอเตอร์นั้นใช้ไอซีขับมอเตอร์เบอร์ A4988 ของ Allegro โดยไอซี 1 ตัวขับมอเตอร์ได้ 1 ตัว ในเครื่องพิมพ์ Inventor-3D ใช้ทั้งสิ้น 4 ตัว ส�ำหรับสเต็ปเปอร์มอเตอร์ 4 ตัว นอกจำกนั้นยังมีตัวตรวจจับอุณหภูมิที่หัวฉีดเพื่อส่งสัญญำณมำยัง วงจรควบคุมให้ท�ำกำรขับขดลวดควำมร้อนภำยในหัวฉีดเพื่อหลอมเส้นวัสดุ และเมื่อฉีดเสร็จแล้ว ก็จะหยุดขับขดลวดควำมร้อน ท�ำให้อุณหภูมิที่หัวฉีด ลดลง กำรฉีดชิ้นงำนก็จะหยุดลงโดยอัตโนมัติ
เส้นวัสดุ·Õ่ãª้ Inventor-3D ใช้เส้นวัสดุแบบ PLA (Polylactic acid หรือ polylactide) ใช้กำรขึ้นรูปชิ้นงำนโดย PLA ผลิตมำจำกข้ำวโพด ดังนั้นจึงไม่เป็นพิษ และ ไม่มีกลิ่นฉุนไม่ว่ำจะในช่วงเวลำที่หลอมละลำยเพื่อขึ้นรูปชิ้นงำน หรือเวลำ ที่พิมพ์ชิ้นงำนเสร็จแล้ว จึงเหมำะอย่ำงยิ่งส�ำหรับกำรประดิษฐ์ชิ้นงำนใน ห้องเรียน และที่บ้ำนส�ำหรับนักประดิษฐ์อิสระ PLA ที่ใช้มีขนำดเส้นผ่ำนศูนย์กลำง 1.75 มม. มีหลำยสีให้เลือก รวม ถึงสีใส มักจะบรรจุมำเป็นม้วนหรือตลับ น�้ำหนักบรรจุประมำณ 1 กิโลกรัม แต่ก็มีบำงแหล่งจ�ำหน่ำยที่บรรจุ 700 กรัมหรือ 500 กรัม ดังนั้นเวลำสั่งซื้อ จึงควรสอบถำมให้ชัดเจนสนนรำคำมีตั้งแต่ 1,000 ถึง 2,700 บำท ขึ้นกับสี และน�้ำหนัก หำกเป็นสีพื้นที่ไม่เรืองแสงจะรำคำถูกกว่ำเล็กน้อย
รูปที่ 17 แผงวงจรควบคุมที่เข้ากันได้กับฮาร์ดแวร์ Ramps ซึ่งใช้ใน เครื่องพิมพ์ Inventor-3D
รูปที่ 18 ตัวอย่างโมดูลขับสเต็ปเปอร์ มอเตอร์ที่ใช้ไอซีเบอร์ A4988 พร้อมติดตั้งแผ่นระบายความ ร้อนขนาดเล็ก (สีของแผ่นวงจร พิมพ์อาจเปลี่ยนแปลงได้)
สเµ็»เ»อร มอเµอร ในเครื่องพิมพ์ Inventor-3D ใช้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ทั้ง 4 ตัว ใช้ในกำร ขับคลื่อนกลไกในแกน X, Y และ Z รวม 3 ตัว อีกตัวหนึ่งใช้ในกำรล�ำเลียง เส้นวัสดุลงไปในหัวฉีด เพื่อฉีดชั้นพลำสติกส�ำหรับสร้ำงชิ้นงำน สเต็ปเปอร์ มอเตอร์ที่ใช้เป็นแบบไบโพล่ำร์ ขนำดตำมมำตรฐำน NEMA17 มีแรงบิด อย่ำงน้อย 13.7 นิวตัน.เซนติเมตร มีค่ำควำมต้ำนทำนของขดลวดมำกกว่ำ 6Ω ต้องกำรแรงดันขับ +12V
รูปที่ 20 ตัวอย่างเส้นวัสดุแบบ PLA ที่บรรจุมาเป็นม้วน มีหลายสีให้เลือก ทัง้ หมดทีเ่ ลามาเปนการแนะนําใหรจู กั Inventor-3D เครือ่ งพิมพ 3 มิติ เพือ่ การศึกษาและงาน DIY ผูส นใจดูขอ มูลการสัง่ จอง สัง่ ซือ้ และขอมูลทาง เทคนิค ซอฟตแวร ไฟล CAD ของชิน้ สวนตางๆ ไดที่ www.inventor-3d.com
www.tpemagazine.com
รูปที่ 19 ตัวอย่างของสเต็ปเปอร์ มอเตอร์ ที่ ใ ช้ ใ นเครื่ อ งพิ ม พ์ Inventor-3D The Prototype Electronics
5