พิมพ์ ผ้า ด้วยเครื่อง FDM ธรรมดา: DefeXtiles ฉีดพลาสติกให้ขาดเป็นลายผ้าทูล

DefeXtiles คือเทคนิคจาก MIT Media Lab ที่ตั้งให้เครื่อง FDM ฉีดพลาสติกน้อยเกินไปโดยตั้งใจ พลาสติกจึงไม่เป็นผนังทึบ แต่เกาะเป็นก้อนเล็ก ๆ ที่ต่อกันด้วยเส้นบางเฉียบ ได้แผ่นโปร่งคล้ายผ้าทูล บาง งอได้ และยืดได้นิดหน่อย ทั้งที่ใช้ PLA บนเครื่องธรรมดา ไม่ต้องดัดแปลงเครื่องหรือใช้โปรแกรมพิเศษ

งานนี้ตีพิมพ์ที่งานประชุม ACM UIST ปี 2020 ตัวเลขทั้งหมดในบทมาจาก paper ทดสอบบนเครื่อง bed-slinger แบบเปิดหัว 0.4 mm เครื่องเราอาจต้องจูนต่างไป

ทำไมฉีดน้อยแล้วได้ผ้า

ปกติ extrusion multiplier (EM หรือ flow ratio) ที่ 1.0 ทำให้เส้นเต็มพอดี ถ้าลดต่ำมาก ๆ พลาสติกไม่พอจะเป็นเส้นต่อเนื่อง สิ่งที่เกิดคือ

1. พลาสติกจับตัวเป็นก้อน (glob) วางบนก้อนของชั้นก่อนหน้า ซ้อนกันเป็นเสาเล็ก ๆ ตามแนวตั้ง
2. ระหว่างก้อน หัวพิมพ์ลากพลาสติกเป็นเส้นบางเฉียบเชื่อมเสาเข้าด้วยกัน

ทีมวิจัยเรียกกระบวนการนี้ว่า glob-stretch อัตราการฉีดคงที่ตลอด ไม่ได้ฉีดเพิ่มตอนผ่านเสา ก้อนเกิดขึ้นเองเพราะพลาสติกน้อยเกินจะเป็นผนังทึบ แต่ยังพอให้ชั้นยึดกันเป็นช่วง ๆ

ทำไม PLA ที่แข็งถึงงอได้ เพราะช่องว่างจำนวนมากทำให้เนื้อที่ต้องงอมีน้อยกว่าแผ่นทึบหนาเท่ากัน และเส้นบางระหว่างเสาทำหน้าที่เหมือนบานพับ งอในแนวระนาบเวลาถูกดึง หลักเดียวกับ kirigami ที่ตัดกระดาษเป็นช่องให้ยืดได้

ผลคือแผ่นหนาราว 0.286 mm โปร่งแสง เสาเอียงสวนทิศที่หัววิ่ง ถ้าหัววิ่งสลับทิศทุกชั้น เสาจะตรง

ค่าที่งานวิจัยใช้

ตารางนี้ทดสอบที่ความเร็ว 1,250 mm/min (ราว 21 mm/s) หัว 0.4 mm ยกเว้น PLA นำไฟฟ้าใช้ 0.6 mm

วัสดุ	EM	หัวพิมพ์	เตียง	ผลที่ได้
PLA	0.25	215 °C	50 °C	พิมพ์ง่าย สมดุล
PETG	0.35	240 °C	90 °C	เปราะ ไม่แนะนำ
TPU	0.30	220 °C	50 °C	เหนียวและงอได้ดีสุด แต่พิมพ์ยาก
ABS	0.35	255 °C	100 °C	เปราะ ไม่แนะนำ
Nylon (PA)	0.40	250 °C	75 °C	พิมพ์ง่าย สมดุล
PLA นำไฟฟ้า	0.85	215 °C	50 °C	ใช้ทำเส้นสัมผัส capacitive

TPU ต้องตั้งความสูงชั้นแรกกับ EM ให้แม่นมาก ทีมวิจัยจึงแนะนำให้ใช้เฉพาะงานที่ต้องทนจริง

ตัวอย่างตัวเลข: flow จริงเหลือเท่าไร

ใช้ค่าทดสอบของ paper: ชั้น 0.20 mm เส้นกว้าง 0.45 mm ความเร็ว 1,250 mm/min

1. ความเร็วเป็น mm/s: 1,250 ÷ 60 ≈ 20.8 mm/s
2. ถ้าพิมพ์ปกติ (EM 1.0) ปริมาณพลาสติก = 0.45 × 0.20 × 20.8 ≈ 1.87 mm³/s
3. ที่ EM 0.25 (PLA) เหลือ 1.87 × 0.25 ≈ 0.47 mm³/s หรือแค่หนึ่งในสี่

ตัวเลขนี้ต่ำกว่าเพดาน max volumetric speed ของ hotend ทั่วไปหลายเท่า (ดูบทความเร็วพิมพ์) ปัญหาจึงไม่ใช่หัวละลายไม่ทัน แต่เป็นความนิ่งของการฉีดปริมาณน้อย ๆ ซึ่งแต่ละเครื่องต่างกัน

พิมพ์ชิ้นแรก: กระบอกกลวงแล้วตัดคลี่

paper บอกว่าวิธีที่ง่ายสุดคือพิมพ์กระบอกกลวงแล้วตัดคลี่ ไม่ต้องมีเสาค้ำ

1. ออกแบบกระบอกกลวง ผนังหนา 0.45 mm เท่าความกว้างเส้น ให้ slicer พิมพ์ผนังเส้นเดียว ไม่มีผิวบน ผิวล่าง หรือ infill
2. ตั้ง flow ratio ของวัตถุนี้เป็น 0.25–0.3 (PLA) ชั้น 0.2 mm หัว 0.4 mm
3. ทีมวิจัยลดหัวลงราว 0.1 mm ให้ชั้นแรกเต็มและติดเตียง แล้วทากาวบาง ๆ บนเตียง หลังชั้นแรกพฤติกรรม glob-stretch จะเริ่มเอง
4. พิมพ์เสร็จ ใช้เกรียงกระแทกที่ฐานเร็ว ๆ ทีเดียว แล้วตัดกระบอกด้วยกรรไกรตัดผ้าคม ๆ

ถ้าต้องการแผ่นแบนจริง ๆ paper พิมพ์แผ่นตั้งตรงกับเสาค้ำสองข้างขนาด 5 × 5 mm ที่ EM 1.0 ให้แผ่นไม่ล้ม โดยสั่งให้พิมพ์ส่วนผ้าก่อนเสาในแต่ละชั้น ผลจะสม่ำเสมอกว่า เสร็จแล้วตัดเสาทิ้ง

ลดหัวลง 0.1 mm คือเปลี่ยนค่าทั้งเครื่อง พิมพ์ชิ้นผ้าเสร็จแล้วตั้ง Z-offset กลับค่าเดิม (ดูบทชั้นแรก)

EM กับความเร็ว แลกอะไรกัน

การทดสอบชิ้น PLA 5 × 5 cm ที่ 210 °C ในงานวิจัยพบว่า

ปรับ	ผล
EM ลงถึงราว 0.8	เริ่มเป็นช่องสม่ำเสมอ
EM ต่ำลงอีก	ช่องโปร่งขึ้น เส้นเชื่อมยาวและบางขึ้น งอได้มากขึ้น
EM ราว 0.3 (ในชุดทดสอบนั้น)	ชั้นเลิกยึดกัน พิมพ์พัง
ความเร็วต่ำ (1,500 mm/min)	ลายสม่ำเสมอสวย แต่ดึงนิดเดียวขาด
ความเร็วสูงขึ้น (6,750 mm/min)	ลายไม่สม่ำเสมอ แต่เส้นบางลง ยืดได้มากกว่ามาก

ตารางวัสดุใช้ PLA ที่ EM 0.25 แต่ชุดทดสอบนี้พังที่ราว 0.3 แปลว่าจุดพอดีขยับตามความเร็วและเครื่อง ทีมวิจัยเองบอกว่าต้องจูนตามเครื่องและยี่ห้อเส้น ทำแบบจูนฟิลาเมนต์ม้วนใหม่ คือพิมพ์ชิ้นเล็กหลายชิ้น เปลี่ยนทีละค่า

รูปทรงซับซ้อน ส่วนยื่น มุมแหลม ให้เพิ่ม EM เล็กน้อยหรือลดความเร็ว ส่วนยื่นเกิน 45° พิมพ์ไม่ได้เหมือนงานพิมพ์ปกติ มุมแหลมทำให้พังเป็นครั้งคราว ปัดมุมในโมเดลให้โค้ง

หลังพิมพ์ทำอะไรได้

• รีดติดผ้า ผ้าพิมพ์ละลายติดผ้าจริงได้แบบตัวรีดติดเสื้อ วางแผ่นเทฟลอนหรือกระดาษรีดคั่นกันติดเตารีด
• คลายจีบ ถือแผ่นให้ตึงแล้วเป่าลมร้อนจากไดร์เป่าผมเร็ว ๆ
• อบ PLA ให้แข็งแรงขึ้น ใส่ถุงปิดสนิท แช่น้ำ 70 °C 30 นาที ปิดไฟแล้วปล่อยให้น้ำเย็นเองก่อนเอาออก แรงดึงดีขึ้นชัด แต่งอได้น้อยลง ใช้กับแผ่นแบนเท่านั้น เพราะความร้อนทำให้รูปทรง 3 มิติเสียรูป
• ทำวงจรสัมผัส เครื่องหลายหัวพิมพ์เส้น PLA นำไฟฟ้าแทรกในผ้าได้ งานวิจัยทำโคมไฟที่แตะจีบแล้วหรี่ไฟ

ระวังน้ำร้อนและเตารีด ทำบนโต๊ะที่มั่นคง เด็กเล่นอยู่ใกล้ให้ผู้ใหญ่ทำส่วนนี้

ข้อผิดพลาดที่เจอบ่อย

• เริ่มจากแผ่นแบนบาง ๆ ที่ไม่มีเสาค้ำ แผ่นล้มกลางทาง เริ่มจากกระบอกก่อน
• ลด flow แต่ไม่ดูชั้นแรก ชั้นแรกไม่ติดเตียง ทั้งชิ้นหลุด
• ลืมคืนค่า Z-offset งานชิ้นถัดไปหัวกดเตียง
• ใช้ PETG หรือ ABS ได้ผ้าเปราะ หักเมื่องอ
• คาดหวังว่าจะเหมือนผ้าจริง แรงตามแนวชั้นต่ำกว่าแนวนอนราวห้าเท่า ออกแบบให้แรงดึงไปตามแนวนอน

แหล่งข้อมูล

• DefeXtiles: 3D Printing Quasi-Woven Fabric via Under-Extrusion (UIST 2020) — DSpace@MIT
• DefeXtiles: Leveraging a 3D printer “defect” to create quasi-textiles — MIT News
• Tulle-like DefeXtiles can be 3D printed with no custom software or hardware — Tech Xplore