การประมาณพฤติกรรมเชิงกลของชิ้นส่วนจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ

บทคัดย่อ

การพิมพ์ขึ้นรูปชิ้นส่วน 3 มิติได้รับความนิยมมากขึ้นเนื่องจากเป็นนวัตกรรมที่ช่วยให้การขึ้น รูปทรงที่ซับซ้อนมีประสิทธิภาพ จากหลักการของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ พฤติกรรมทางกลของชิ้นส่วนจะ ขึ้นอยู่กับทิศทางในการพิมพ์และโครงสร้างรับแรงภายในชิ้นงานนั้นๆ จึงเป็นที่มาของโครงงานนี้ที่มุ่งเน้น การประมาณพฤติกรรมเชิงกลของชิ้นส่วนจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ โครงงานนี้ทางผู้จัดทาได้เลือกศึกษา พฤติกรรมวัสดุที่ขึ้นรูปด้วย PETG และการพิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติรุ่น Flashforge Guider IIs โครงงานจะแบ่งออกเป็น 2 ส่วนหลักๆ ส่วนที่ 1 คือการหาพฤติกรรมจากการทดสอบแรงดึงเพิ่มเติมจาก ในระยะที่ 1 และในระยะที่ 2 นี้ได้มีการเพิ่มความหนาของชิ้นงานทดสอบและเปอร์เซ็นต์การเติมเนื้อ ชิ้นงานเพื่อศึกษาผลกระทบ และการประยุกต์ใช้การขึ้นรูปแบบท่อเพื่อศึกษาความเสียหายเมื่อรับแรงดัน ภายใน และในส่วนที่ 2 คือการนาพฤติก รรมที่ได้เข้าโปรแกรมจาลอง Abaqus และเปรียบเทียบค่ากับ พฤติกรรมความเสียหายที่เกิดจากแรงดันภายในท่อ จากผลการทดสอบการดึงพบว่าพฤติกรรมของชั้น Shell และ Core ของชิ้นงานมีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic แต่เนื่องจากอัตราส่วนที่แตกต่างกันของ Shell และ Core จึงทาให้พฤติกรรมโดยรวมเป็นทั้งแบบ Orthotropic และ Isotropic ขึ้นอยู่กับทิศ ทางการขึ้นรูป เมื่อเปรียบเทียบพฤติกรรมของท่อในการจาลองกับการทดสอบ พบว่าผลลัพธ์สอดคล้องกัน และมีแนวโน้มคล้ายคลึงกัน ก คาสาคัญ : เครื่องพิมพ์ 3 มิติ, PETG, พฤติกรรมเชิงกล, Abaqus, การเติมเนื้อชิ้นงาน, ทดสอบแรงดึง, Shell และ Core, Orthotropic, Isotropic ข Name Thesis Title Mr. Nopparuj Chatpawakulnon Mr. Jaturawit Boonkoon Mr. Supharat Khanthawithi Estimation of mechanical behavior of 3D printed parts - phase 2 Department Mechanical and Aerospace Engineering Advisor Asst.Prof. Baramee Patamaprohm, Ph.D. Academic year 2024 Abstract 3D printing technology is becoming more popular because it can efficiently create complex shapes. However, the mechanical properties of 3D-printed parts depend on factors such as printing direction and internal structure. This study focuses on analyzing the mechanical behavior of 3D-printed parts made from PETG using a Flashforge Guider IIs printer. The research is divided into two main parts. The first part involves tensile testing, where the thickness and infill percentage of the specimens are varied to s tudy their effects. Additionally, tube-shaped specimens are tested under internal pressure to observe failure behavior. The second part uses Abaqus software to simulate mechanical behavior and compare the results with experimental data. The tensile test results show that the Shell and Core layers behave isotropic. However, due to differences in the Shellto-Core ratio, the overall behavior of the printed parts can be either orthotropic or isotropic, depending on the printing direction. The pipe behavior in the simulation was compare with experiments tests, the results were well-matched and had similar trends. ค Keywords: 3D printing, PETG, mechanical behavior, Abaqus, infill percentage, tensile testing, Shell and Core, orthotropic, isotropic ง กิตติกรรมประกาศ โครงงานการประมาณพฤติกรรมเชิงกลของชิ้นส่วนจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ - ระยะที่ 2 ประสบ ความสาเร็จได้ทางคณะผู้จัดทาขอแสดงความซาบซึ้งและขอกราบขอบพระคุณ ผศ.ดร.บารมี ปัทมพรหม อาจารย์ที่ปรึกษาปริญญานิพนธ์ ที่ได้ให้คาแนะนา ให้ความรู้ และข้อเสนอแนะที่เป็นประโยชน์ตลอดการ ดาเนินโครงงาน ทาให้ดาเนินงานไปได้อย่างมีประสิทธิภาพและรวดเร็ว ด้วยความเอาใจใส่และความทุ่มเท ของท่านมีส่ว นสาคัญอย่างยิ่งที่ทาให้โ ครงงานฉบับนี้สาเร็จลุล่ว งอย่า งดียิ่ง คณะผู้จัดทาขอกราบ ขอบพระคุณอาจารย์ ผศ.ดร.บารมี ปัทมพรหม เป็นอย่างสูงไว้ ณ โอกาสนี้ ขอขอบพระคุ ณ ผศ.ดร.อริส รา ชัยกิตติรัตนา ซึ่งเป็นผู้อ นุเ คราะห์ส ถานที่ ทดสอบชิ้ น งาน (ห้องแลปการทดสอบแรงตึง) และอุปกรณ์การทดสอบ (เครื่องทดสอบแรงดึง) ขอขอบพระคุณ ดร.ธาเนตร แสงสว่างมาตุ้ม ซึ่งเป็นผู้อนุเคราะห์อุปกรณ์การผลิตชิ้นงาน ได้แก่ เครื่องพิมพ์ 3 มิติ ชนิดคาร์ทีเซียน รุ่น Flashforge Guider IIs และเครื่องทดสอบแรงดันน้า KYOWA T-508 เทสปั๊มมือโยก 50 บาร์ รวมถึงให้คาแนะนาต่าง ๆ ในการใช้เครื่องมือ ทาให้การทดสอบในแต่ละ รอบเป็นไปอย่างราบรื่นและมีประสิทธิภาพ ขอขอบพระคุณทางภาควิชาวิศวกรรมวัสดุและเทคโนโลยีการผลิต ที่ให้ความอนุเคราะห์ในการใช้ เครื่องมือในการอบและเจ้าหน้าที่ของภาควิชาที่ให้ความช่วยเหลือตลอดการดาเนินงาน จึงทาให้งานออก อย่างราบรื่น ขอขอบพระคุณ พี่ ๆ ประจาห้องแลปการทดสอบแรงดึงที่ให้ความช่วยเหลือทุกกระบวนการ ทดสอบ รวมถึงให้คาแนะนาและคาปรึกษาที่เกี่ยวข้องกับโครงงานนี้ สุดท้ายนี้ คณะผู้จัดทาขอขอบพระคุณ เจ้าหน้าที่ประจาภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน อวกาศ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ ทุกท่าน ที่ช่วยเหลือ ในทุก ๆ เรื่อง ทาให้การดาเนินโครงงานสาเร็จลุล่วงไปด้วยดี คณะผู้จัดทาขอขอบพระคุณทุกท่านอีกครั้ง สาหรับความอนุเคราะห์และการสนับสนุนที่มีค่าเป็นอย่างยิ่ง นาย นพรุจ ฉัตรภวกุลนนท์ นาย จตุรวิทย์ บุญคูณ นาย ศุภรัตน์ ขันธวิธิ จ สารบัญ บทที่ หน้า บทที่ 1 บทนา .......................................................................................................................................... 1 1.1 ที่มาและความสาคัญ...................................................................................................................... 1 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงงาน .............................................................................................................. 2 1.3 ขอบเขตของโครงงาน ..................................................................................................................... 2 1.4 อุปกรณ์และงบประมาณที่คาดว่าจะใช้........................................................................................... 2 1.4.1 อุปกรณ์ .................................................................................................................................. 2 1.4.2 งบประมาณที่คาดว่าจะใช้....................................................................................................... 3 1.5 แผนการดาเนินงาน........................................................................................................................ 4 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ......................................................................................................................... 5 2.1 เครื่องพิมพ์ 3 มิติ (3D printer) ..................................................................................................... 5 2.1.1 กระบวนการเติมเนื้อวัสดุ (Additive Process) ...................................................................... 6 2.1.2 Material extrusion .............................................................................................................. 8 2.2 การทดสอบแรงดึง (Tensile Testing) ........................................................................................... 8 2.3 สเตรนเกจ (Strain gage) .............................................................................................................. 9 2.5. การอบ Heat Annealing .......................................................................................................... 14 บทที่ 3 การดาเนินงาน .......................................................................................................................... 15 3.1 ความต้องการ (Requirement) .................................................................................................. 15 3.2 ข้อจากัดในการออกแบบชิ้นงาน (Constraints).......................................................................... 15 3.3 มาตรฐานที่ใช้ในการออกแบบ (Standard) ................................................................................. 15 3.4 เลือกเส้นใยพลาสติก ................................................................................................................... 16 ฉ 3.5 ชิ้นงานทดสอบ ........................................................................................................................... 16 3.6 การพิมพ์ขึ้นรูปชิ้นงานทดสอบ .................................................................................................... 17 3.6.1 การขึ้นรูปชิ้นงานจะเป็นการขึ้นรูปเชิงเส้น (Line) ................................................................ 17 3.6.2 การขึ้นรูปชิ้นงานจะขึ้นจากทั้งหมด 3 ระนาบ ระนาบละ 3 มุม และมุมละ 3 ชิ้น (มุมที่ จะ ศึกษา 0 , 45 และ 90 องศา) ........................................................................................................ 17 3.6.3 การใช้โปรแกรม Slicer ด้วย FlashPrint ในการ Slice ชิ้นงาน ........................................... 17 3.6.4 เมื่อได้ชิ้นส่วนงานทดสอบแล้วจึงจัดทาการขึ้นรูปชิ้นงาน 3 มิติขึ้นโดยใช้งานเครื่อง Flashforge Guilder iiS ............................................................................................................... 23 3.7 การทดสอบชิ้นงานทดสอบ ......................................................................................................... 24 3.7.1 วิธีการดาเนินงานการทดลอง ............................................................................................... 24 3.8 ท่อ (Pipe) .................................................................................................................................. 26 3.8.1 การออกแบบรูปทรงและขนาด ............................................................................................ 26 3.9 การพิมพ์ขึ้นรูปท่อ (Pipe) จากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ........................................................................ 30 3.9.1 รูปแบบการขึ้นรูปท่อ ........................................................................................................... 30 3.9.2 ทาการขึ้นรูปจริง ................................................................................................................. 31 3.10 การทดสอบท่อ ......................................................................................................................... 32 3.10.1 การทดสอบอัดแรงดันน้า ................................................................................................... 32 3.10.2 วิธีการทดสอบอัดแรงดันน้า ............................................................................................... 33 3.10.3 การซิมมูเลชั่นด้วยโปรแกรม Abaqus เป็นการจาลองการเสียรูปในโปรแกรมจาลองเพื่อ เปรียบเทียบกับการเสียรูปของชิ้นงาน ........................................................................................... 34 บทที่ 4 ผลการทดลองและการวิเคราะห์ผลการทดสอบ ........................................................................ 37 4.1 ผลที่ได้จากการทดสอบแรงดึง (Tensile Test) ........................................................................... 37 ช 4.1.1 ผลการทดสอบของชิ้นงานทดสอบ 3 mm infill 100 % ทิศทางการพิมพ์ขึ้นรูปของแต่ละ Plane ของค่า Young’s Modulus .............................................................................................. 37 4.1.2 ผลการทดสอบของชิ้นงานทดสอบ 3 mm infill 30 % (heat annealing) ทิศทางการพิมพ์ ขึ้นรูปของแต่ละ Plane ของค่า Young’s Modulus .................................................................... 39 4.1.3 ผลการทดสอบของชิ้นงานทดสอบ 5 mm infill 30 % ทิศทางการพิมพ์ขึ้นรูปของแต่ละ Plane ของค่า Young’s Modulus .............................................................................................. 42 4.1.4 ตารางสรุปผลค่า Young’s Modulus และ Ultimate Strength ....................................... 44 4.2 การวิเคราะห์ผลการทดสอบ (สูตร shell core).......................................................................... 49 4.2.1 สมการความสัมพันธ์ระหว่าง Shell core ของ Young’s modulus ................................... 49 4.2.2 ความสัมพันธ์ระหว่างค่า Young’s Modulus กับความเร็วในการทดสอบ ........................... 50 4.2.3 ผลการทดสอบของชิ้นงานทดสอบของ 3 mm infill 30 % speed test ทิศทางการพิมพ์ขึ้น รูปของแต่ละ Plane ของค่า Young’s Modulus ......................................................................... 51 4.3 ผลการซิมมูเลชั่นของท่อ (pipe) ................................................................................................. 56 4.3.1 ผลการซิมมูเลชั่นของท่อเอลโบว์ (Elbow pipe) 90 องศา .................................................. 56 4.3.2 ผลการซิมมูเลชั่นของท่อ 60 องศา ...................................................................................... 58 4.3.3 ผลการซิมมูเลชั่นของท่อสามทาง ......................................................................................... 60 4.4 ผลการทดสอบการอัดแรงดันของท่อ........................................................................................... 62 4.4.1 การทดสอบการอัดแรงดันของท่อเบื้องต้น ........................................................................... 62 4.4.2 ผลการทดสอบของท่อพร้อมกับการติดตั้ง Strain gage....................................................... 63 บทที่ 5 สรุปผล...................................................................................................................................... 67 5.1 สรุปผลการทดสอบ ..................................................................................................................... 67 5.1.1 การพิมพ์ขึ้นรูป 3 มิติของชิ้นทดสอบในแต่ละแบบและแต่ละ Plane ................................... 67 5.1.2 พฤติกรรมการเสียรูปของท่อ ............................................................................................... 67 ซ เอกสารอ้างอิง ....................................................................................................................................... 69 ภาคผนวก.............................................................................................................................................. 72 ฌ สารบัญรูปภาพ รูปที่ หน้า รูปที่ 2.1 ขั้นตอนการใช้งานเครื่องพิมพ์ 3 มิติ [2] .................................................................................... 5 รูปที่ 2.2 เครื่องพิมพ์ 3 มิติรุ่น Flashforge Guider iis [3] ...................................................................... 6 รูปที่ 2.3 Additive manufacturing technologies [5] ......................................................................... 6 รูปที่ 2.4 การทางานของระบบ Fused Deposit Modelling (FDM) [8] ................................................. 8 รูปที่ 2.5 ภาพการทางานของเครื่องทดสอบ ............................................................................................. 9 รูปที่ 2.6 แรงดึงและอุปกรณ์วัดแรงยึด ..................................................................................................... 9 รูปที่ 2.7 การยึดและหดของสเตรนเกจที่ส่งผลกับความต้านทาน (Strain gage) [12] ........................... 10 รูปที่ 2.8 สเตรนเกจ (Strain gage) [13] ............................................................................................... 10 รูปที่ 2.9 แรงดันไฟขาออกของวงจร [14] .............................................................................................. 11 รูปที่ 2.10 แรงดันไฟขาออกของวงจร Δe (ความแปรปรวน) [14] ....................................................... 11 รูปที่ 2.11 เตาอบ .................................................................................................................................. 14 รูปที่ 3.1 PETG Filament [16] ............................................................................................................ 16 รูปที่ 3.2 ชิ้นส่วนทดสอบตามมาตราฐาน ASTM D638 [17]................................................................. 16 รูปที่ 3.3 รูปแบบการขึ้นรูปของชิ้นงานในแต่ละระนาบ ......................................................................... 17 รูปที่ 3.4 รูปในโปรแกรม Slicer ............................................................................................................ 17 รูปที่ 3.5 รูปการเลือกรุ่น ....................................................................................................................... 18 รูปที่ 3.6 รูปการเลือกขนาดหัว Nozzle ................................................................................................ 18 รูปที่ 3.7 รูปเมื่อนาไฟล์ มาใส่ในโปรแกรม Slicer 3 อัน แล้วจัดเรียง .................................................... 18 รูปที่ 3.8 รูปการกาหนดอุณหภูมิ หัวฉีด และ แผ่นรองพิมพ์ .................................................................. 19 รูปที่ 3.9 กาหนด layer เป็น 3 ชั้น, ความหนาแน่น 30 % และให้โครงสร้างแบบ Line ....................... 19 รูปที่ 3.10 รูปการตั้งค่า Raft ................................................................................................................. 20 รูปที่ 3.11 รูปการ Slice แบบไม่เปิด Raft ............................................................................................ 20 รูปที่ 3.12 รูปการ Slice แบบเปิด Raft ................................................................................................ 20 รูปที่ 3.13 รูปการ Save Configuration และกด Slice ........................................................................ 21 ญ รูปที่ 3.14 รูปเมื่อ Slice เสร็จ ............................................................................................................... 21 รูปที่ 3.15 รูปแถบการกด Slice Preview ............................................................................................ 22 รูปที่ 3.16 รูปเมื่อ Slice Preview ........................................................................................................ 22 รูปที่ 3.17 รูปการบอก ระยะเวลาที่ใช้พิมพ์ และ ปริมาณ filament และ ค่าต่างๆ ............................... 22 รูปที่ 3.18 รูปการณ์กดบันทึกไฟล์ ......................................................................................................... 23 รูปที่ 3.19 รูปหน้าต่างการบันทึกไฟล์ .................................................................................................... 23 รูปที่ 3.20 การทดสอบแรงดึง (Tensile Test)....................................................................................... 24 รูปที่ 3.21 ชิ้นงานทดสอบตัวอย่าง เพื่อทดสอบแรงดึง .......................................................................... 24 รูปที่ 3.22 ติดตั้งชิ้นงานทดสอบเข้ากับเครื่อง Tensile Test ................................................................. 25 รูปที่ 3.23 ติดตั้ง Extensometer เข้ากับชิ้นงานทดสอบ ...................................................................... 25 รูปที่ 3.24 เอลโบว์ (Elbow pipe) 90 องศา ขนาด 4 หุน [19] ............................................................ 26 รูปที่ 3.25 ท่อสามทาง ขนาด 4 หุน [19] .............................................................................................. 27 รูปที่ 3.26 ท่อมุม 60 องศา ขนาด 4 หุน ............................................................................................... 27 รูปที่ 3.27 ความดันในระยะเวลาสั้นของท่อ [22] .................................................................................. 28 รูปที่ 3.28 ชื่อขนาดมิติและเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนของท่อ [22] ......................................................... 29 รูปที่ 3.29 การขึ้นรูปท่อในทิศทางตามแนวแกนตั้ง V ............................................................................ 30 รูปที่ 3.30 การขึ้นรูปท่อในทิศทางตามแนวแกนตั้ง T ............................................................................ 30 รูปที่ 3.31 การขึ้นรูปท่อในทิศทางตามแนวนอน ................................................................................... 31 รูปที่ 3.32 การพิมพ์ขึ้นรูปท่อจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ .............................................................................. 31 รูปที่ 3.33 แบบการทดลองที่ใช้ ............................................................................................................. 32 รูปที่ 3.34 เครื่องเทสปั๊มมือโยก 50 บาร์ รุ่น KYOWA T-508 [20] ....................................................... 32 รูปที่ 3.35 เครื่องเทสปั๊มมือโยก 50 บาร์ รุ่น KYOWA T-508 ............................................................... 33 รูปที่ 3.36 การต่อท่อเข้าสายยางเข้ากับเครื่องทดสอบแรงดันน้า ........................................................... 33 รูปที่ 3.37 การแตกของท่อ (Pipe) ........................................................................................................ 34 รูปที่ 3.38 แบบจาลองของท่อ 90 องศา โดยไม่มีเกลียว........................................................................ 34 รูปที่ 3.39 การกาหนด Type และ ตั้งค่า Step Manager .................................................................... 35 รูปที่ 3.40 การตั้งค่า Mesh Controls และระบุขนาด Approximate global size ............................. 35 รูปที่ 3.41 กาหนด Load และใส่แรง Magnitude ................................................................................ 36 ฎ รูปที่ 3.42 กาหนด Boundary Condition ........................................................................................... 36 รูปที่ 4.1 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane H infill 100 %............................................ 37 รูปที่ 4.2 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane V infill 100 % ............................................ 38 รูปที่ 4.3 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane H infill 30% (heat annealing)................. 39 รูปที่ 4.4 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane V infill 30% (heat annealing) ................. 40 รูปที่ 4.5 กราฟแสดงเปรียบเทียบการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane H .............................................. 41 รูปที่ 4.6 กราฟแสดงเปรียบเทียบการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane V .............................................. 41 รูปที่ 4.7 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane H 5 mm infill 30% ................................... 42 รูปที่ 4.8 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane V 5 mm infill 30% ................................... 43 รูปที่ 4.9 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบ Speed test plane A0 .............................................. 51 รูปที่ 4.10 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบ Speed test plane A90 .......................................... 52 รูปที่ 4.11 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบ Speed test plane H0 ............................................ 52 รูปที่ 4.12 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบ Speed test plane V45 .......................................... 53 รูปที่ 4.13 กราฟเปรียบเทียบ Strain rate ที่ Plane A90 ความเร็ว 1, 10 และ 100 มิลลิเมตรต่อนาที 53 รูปที่ 4.14 กราฟเปรียบเทียบ Strain rate ที่ Plane A0 ความเร็ว 1, 10 และ 100 มิลลิเมตรต่อนาที . 54 รูปที่ 4.15 กราฟเปรียบเทียบ Strain rate ที่ Plane V45 ความเร็ว 1, 10 และ 100 มิลลิเมตรต่อนาที 54 รูปที่ 4.16 กราฟเปรียบเทียบ Strain rate ที่ Plane V45 ความเร็ว 1, 10 และ 100 มิลลิเมตรต่อนาที 55 รูปที่ 4.17 ผลการซิมมูเลชั่น Strain ทิศทาง LE22, LE12 และ LE11 ................................................... 56 รูปที่ 4.18 ผลการซิมมูเลชั่น Stress ทิศทาง S22, S12, S11 และ S, Mises ........................................ 57 รูปที่ 4.19 ผลการซิมมูเลชั่น Strain ทิศทาง LE22, LE12 และ LE11 ................................................... 58 รูปที่ 4.20 ผลการซิมมูเลชั่น Stress ทิศทาง S22, S12, S11 และ S, Mises ........................................ 59 รูปที่ 4.21 ผลการซิมมูเลชั่น Strain ทิศทาง LE22, LE12 และ LE11 ................................................... 60 รูปที่ 4.22 ผลการซิมมูเลชั่น Stress ทิศทาง S22, S12, S11 และ S, Mises ........................................ 61 รูปที่ 4.23 รูปแบบการทดลองและการใช้อุปกรณ์.................................................................................. 62 รูปที่ 4.24 การเสียรูปของท่อหลังจากทดสอบอัดแรงดันน้า ................................................................... 62 รูปที่ 4.25 ผลเปรียบเทียบระหว่าง Pressure, Strain และ Time ........................................................ 63 รูปที่ 4.26 กราฟการแสดงการเปรียบเทียบผลการทดสอบของการขึ้นแบบแนวนอน............................. 63 รูปที่ 4.27 กราฟการแสดงการเปรียบเทียบผลการทดสอบของการขึ้นแบบแนวตั้ง ................................ 64 ฏ รูปที่ 4.28 กราฟการแสดงการเปรียบเทียบผลการทดสอบของการขึ้นแบบแนวตั้ง ................................ 64 รูปที่ 4.29 ทิศทางในการติด Strain gage ตามแนว LE22 .................................................................... 65 รูปที่ 4.30 กราฟแนวโน้มการเปรียบเทียบผลจากซิมมูเลชั่นกับผลการทดสอบของท่อในการขึ้นแนวนอน .............................................................................................................................................................. 65 รูปที่ 4.31 กราฟแนวโน้มการเปรียบเทียบผลจากซิมมูเลชั่นกับผลการทดสอบของท่อในการขึ้นแนวตั้ง (T) .............................................................................................................................................................. 66 รูปที่ 4.32 กราฟแนวโน้มการเปรียบเทียบผลจากซิมมูเลชั่นกับผลการทดสอบของท่อในการขึ้นแนวตั้ง (V) .............................................................................................................................................................. 66 ฐ สารบัญตาราง ตารางที่ หน้า ตารางที่ 1.1 ตารางงบประมาณที่คาดว่าจะใช้ในโครงงานนี้ ...................................................................... 3 ตารางที่ 1.2 แผนการดาเนินงานที่วางไว้ ดังนี้ .......................................................................................... 4 ตารางที่ 2.1 เปรียบเทียบรูปแบบการพิมพ์ชนิดต่างๆ [6,7] ...................................................................... 7 ตารางที่ 2.2 การเปรียบเทียบวัสดุสาหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ รุ่น Flashforge Guider iis [15]............... 12 ตารางที่ 2.3 ตารางเปรียบเทียบอุณหภูมิต่างๆของแต่ละวัสดุ ................................................................ 14 ตารางที่ 4.1 ผลการทดสอบแรงดึงของแต่ละมุม (0, 45, 90 องศา) ของ heat annealing vs phase 1 .............................................................................................................................................................. 44 ตารางที่ 4.2 ผลการทดสอบแรงดึงของแต่ละมุม (0, 45 และ 90 องศา) ของ 5 mm infill 30 % ........ 46 ตารางที่ 4.3 ผลการทดสอบแรงดึงของแต่ละมุม (0, 45 และ 90 องศา) ของ 3 mm infill 100 % ...... 47 ตารางที่ 4.4 ผลการทดสอบแรงดึงของแต่ละมุมของ 3 mm infill 30 % speed test ......................... 50 ฑ บทที่ 1 บทนา 1.1 ที่มาและความสาคัญ ในปัจจุบันมีการใช้การขึ้นรูปชิ้นส่วนจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ มากขึ้นเนื่องจากเป็นนวัตกรรมที่ช่วยให้ สามารถสร้างชิ้นส่วนที่มีรูปทรงซับซ้อนได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพและยังเป็นที่นิยมนามาใช้ใน หลากหลายอุตสาหกรรม เช่น อุตสาหกรรมการผลิต , การแพทย์, วิศวกรรมยานยนต์ และอุตสาหกรรม อิเล็กทรอนิกส์ จากหลักการของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ สามารถทาให้ชิ้นส่วนที่ได้มีพฤติกรรมทางกลที่เกิดขึ้นอยู่กับทิศ ทางการพิมพ์ขึ้นรูปและลักษณะโครงสร้างแรงต่างๆภายในชิ้นงาน จึงเป็นที่มาของโครงงานวิศวกรรมนี้ที่ มุ่งเน้นในการประมาณพฤติกรรมเชิงกลของชิ้นส่วนจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ เพื่ อให้สามารถผลิตชิ้นงานที่ เหมาะสมกับการใช้งานเชิงวิศวกรรมได้อย่างถูกต้อง โดยสาหรับโครงงานวิศวกรรมนี้ ทางคณะผู้จัดทา ศึกษาชิ้นส่วนจากการพิมพ์แบบระบบฉีดเส้นวัสดุ (Extrusion) โดยจะใช้เทคโนโลยีจาก FDM และเลือกใช้ วัสดุ PETG ในการพิมพ์ขึ้นรูปชิ้นส่วน โดยโครงการใน Phase ที่ 1 ที่ 3 มิลลิเมตร 30 เปอร์เซ็นต์การเติม เนื้อ พบว่าเป็นพฤติกรรม Orthotropic ในการทดสอบแรงดึง (Tensile Test) ในระนาบต่างๆ เกิดจาก อัตราส่วนระหว่างโครงสร้าง ของ Shell และ Core ที่ไม่เท่ากัน ขณะที่พฤติกรรมของทั้ง Shell และ Core เป็น Isotropic นอกจากนี้ยังพบว่าพฤติกรรมวัสดุยังขึ้นอยู่กับความเร็วในการดึง (Strain rate) ดังนั้นคณะผู้จัดทาจึงเล็งเห็นว่า ในโครงงาน phase ที่ 1 ยังขาดการทดสอบในส่วนของการเพิ่มเติม ความหนา, ปริมาณการเติมเนื้อชิ้นส่วนในความเร็วต่างๆและการอบเพื่อเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นงาน อีก ทั้งยังมีปัญหาเรื่องของอากาศในชิ้นงาน โดยจะทาการศึกษาเพิ่มชิ้นส่วนที่มีความหนา 5 มิลลิเมตร, ชิ้นส่วนที่มีการเติมเนื้อ 100 เปอร์เซ็นต์ และการอบชิ้นงานที่อุณหภูมิ 75 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 8 ชั่วโมง เพื่อให้เห็นความแตกต่างของพฤติกรรมเมื่อ ทดสอบในความเร็วที่แตกต่างกัน อัตราส่วนการเติม เนื้อของชิ้นงาน ทาการออกแบบการทดสอบการรับแรงดันน้าใหม่และการเพิ่มคุณสมบัติด้านความแข็งแรง จากนั้นทาการตรวจสอบความถูกต้องจากกการขึ้นรูปชิ้นส่วนของท่อและนาไปเปรียบเทียบกับการจาลอง ด้วยวิธีการไฟไนต์เอลิเมนต์กับการทดสอบอัดแรงดันน้า และคณะผู้จัดทาหวังว่าโครงงานนี้สามารถนาไป ประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การผลิตชิ้นส่วนเครื่องจักร, การผลิตชิ้นส่วนยานยนต์, การขึ้นรูปท่อ 1 เฉพาะแบบในงานอุตสาหกรรม, และการผลิตชิ้นส่ว นทางการแพทย์และยังช่ว ยให้ เกิด การพั ฒ นา เทคโนโลยีใหม่ๆ ที่สามารถตอบสนองความต้องการของตลาดได้ 1.2 วัตถุประสงค์ของโครงงาน 1.) เพื่อศึกษาพฤติกรรมวัสดุจากการขึ้นรูปของชิ้นงานที่เพิ่มเติมจาก phase 1 2.) เพื่อสามารถประเมินพฤติกรรมของชิ้นงานประยุกต์ จากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ โดยใช้การคานวณ ด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ ก่อนพิมพ์ชิ้นงานจริง 3.) เพื่อสามารถออกแบบชื้นส่วนรับภาระกรรมในเชิงวิศวกรรมซึ่งจะนาไปสู่การใช้งานใน อุตสาหกรรมต่างๆ ได้ 1.3 ขอบเขตของโครงงาน 1.) ใช้งานเครื่องพิมพ์สามมิติชนิดคาร์ทีเซียน รุ่น Flashforge Guider IIs 2.) การขึ้นรูปชิ้นงานจะขึ้นรูปด้วย Filament ชนิด PETG 3.) ใช้เครื่องทดสอบแรงดึง (Tensile Test) Instron Universal Testing Machine Model 5567 4.) ใช้ Strain gage ในการวัดค่าของ Strain 5.) ทาการสร้างโมเดลท่อขนาดมาตรฐานทั้ง 3 รูปแบบด้วยโปรแกรม Solidworks และทาการ จาลองการเสียรูปโดยการซิมมูเลชั่นผ่านโปรแกรม Abaqus 6.) ปั๊มแรงดัน KYOWA T-508 เทสปั๊มมือโยก 50 บาร์ 7.) เตาอบ 1.4 อุปกรณ์และงบประมาณที่คาดว่าจะใช้ 1.4.1 อุปกรณ์ 1.) เครื่องพิมพ์ 3 มิติ รุ่น Flashforge Guider IIs 2.) พลาสติกประเภท PLA และ พลาสติกประเภท PETG 3.) เครื่อง Tensile Test 4.) ปั๊มแรงดันขนาด 50 บาร์ 5.) Strain gage 6.) ท่อตรง PVC ขนาด 4 หุน 2 7.) หัวอุดท่อ PVC ขนาด 4 หุน 8.) ข้อต่อเกลียวใน ขนาด 4 หุน 9.) เครื่องอบ รุ่น SOV240B Drying Oven 1.4.2 งบประมาณที่คาดว่าจะใช้ ตารางที่ 1.1 ตารางงบประมาณที่คาดว่าจะใช้ในโครงงานนี้ รายละเอียด จานวน 1. Strain Gage Model 4 2. ท่อตรง PVC ขนาด 4 หุน 2 เมตร 3. หัวอุดท่อ PVC ขนาด 4 หุน 5 4. ข้อต่อเกลียวใน ขนาด 4 หุน 8 5. กาวทาท่อ 100 กรัม 1 6. PC Filament 3 ราคารวมทั้งหมด (บาท) ราคาต่อชิ้น (บาท) งบประมาณ (บาท) 1600 6400 57 57 3 15 10 80 90 90 990 2970 9612 3 1.5 แผนการดาเนินงาน ตารางที่ 1.2 แผนการดาเนินงานที่วางไว้ ดังนี้ 4 บทที่ 2 ทฤษฎีที่เกี่ยวข้อง ในบทนี้เป็น การแสดงให้เ ห็น ถึง การค้น คว้าหาความรู้ที่เ กี่ยวข้ องกับโครงงาน เช่น การใช้ เครื่องพิมพ์ 3 มิติ (3D printer) , วัสดุสาหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ , การวิเคราะผลที่เกิดขึ้นจากการทดสอบ การดึง (Tensile Testing) หรือการตรวจวัดค่าตึงเครียด (Strain) ด้วยสเตรนเกจ (Strain Gage) ซึ่งเป็น การทดสอบพฤติกรรมที่เกิดขึ้นในวัสดุหรือชิ้นงานที่พิมพ์ขึ้นจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ โดยใช้ เพื่อเป็น การศึกษาหาการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกลของชิ้นงาน 2.1 เครื่องพิมพ์ 3 มิติ (3D printer) เครื่องพิมพ์ 3 มิติ คือเครื่องจักรที่ใช้กระบวนการเติมเนื้อวัสดุ ซึ่งเป็นการเติมเนื้อหรือพิมพ์วัสดุ ลงไปนั้นเรียกว่า Additive Process โดยจะทาการพิมพ์ออกมาทีละชั้นโดยจะต้องออกแบบผ่านโปรแกรม ออกแบบ 3 มิติ หรือ จะใช้เครื่องสแกนเนอร์ 3 มิติ และนามาเข้าโปรแกรม Slicer เพื่อกาหนดค่าต่างๆ รวมถึงเลือกวัสดุที่จะใช้พิมพ์ โดยโปรแกรมจะทาการหั่นแบบ 3 มิติออกเป็นชั้นๆ และกาหนดเส้นทางการ ในรูปแบบของ Geometric Code (G-Code) และทาการสั่งเครื่องพิมพ์ให้พิมพ์ออกมาตามแบบที่ต้องการ โดยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ โดยที่เราใช้นั้น เป็นรุ่น Flashforge Guider iis ซึ่งเป็นเครื่องแบบ Fused Deposit Modeling (FDM) [1,2] รูปที่ 2.1 ขั้นตอนการใช้งานเครื่องพิมพ์ 3 มิติ [2] 5 รูปที่ 2.2 เครื่องพิมพ์ 3 มิติรุ่น Flashforge Guider iis [3] 2.1.1 กระบวนการเติมเนื้อวัสดุ (Additive Process) Additive Process หรือ Additive Manufacturing (AM) คือ การผลิตโดยใช้เครื่องมือเครื่องจักร ในการสร้างชิ้นงานโดยเติมเนื้อสารเข้าไปทีละชั้นโดยไฟล์ที่ใช้ในการพิมพ์ได้มาจากการออกแบบ, สแกน หรือสร้างจาก CAD (Computer Aided Design) โดยไฟล์ที่ใช้จะมี นามสกุล ชื่ อ .STL โดย Additive Manufacturing (AM) ซึ่ ง จะมี ค วามแตกต่า งจากการผลิ ต แบบกั ด เนื้ อ วั ส ดุ อ อก ( Subtractive Manufacturing) เช่น การกลึง เจาะ กัด ไส และเจียระไน [4] รูปที่ 2.3 Additive manufacturing technologies [5] กระบวนการเติมเนื้อวัสดุนั้นจึงมีการทางานที่แม่นยาและสามารถใช้หลักการเชื่อมต่อกันของวัสดุที่ อยู่ในรูปแบบต่างๆ เช่น ในรูปแบบของเหลว ผง หรือแผ่นวัสดุบางๆ การพิมพ์สามารถแบ่งออกได้หลายวิธี ดังนี้ 6 ตารางที่ 2.1 เปรียบเทียบรูปแบบการพิมพ์ชนิดต่างๆ [6,7] กระบวนการ SLA FDM หรือ FFD SLS หลักการ การใช้กล้อง Projector ฉายให้ เรซิ่นเหลวแข็งตัว แทน โดย Material หลักคือ Photopolymer วัสดุพิมพ์ เรซิ่น การนาไปใช้ เหมาะสาหรับ การสร้างชิ้น งานส่วนกลไก ต่างๆเพื่อ นาไปใช้ใน งานทดสอบ ข้อดี - มี Material ให้เลือกเยอะ - พื้นผิวของ ชิ้นงานเรียบ - มีความ ละเอียด มากกว่า FDM การขึ้นรูปวัสดุ พสาสติก เหมาะสาหรับ - ทางานได้ พลาสติกด้วยการ PLA , PETG การขึ้น รวดเร็ว มี ฉีดความร้อน และ ABS ชิ้นงานที่ไม่ ต้นทุนที่ถูก เพื่อให้วัสดุมี ละเอียดมาก - เนื้อของ ลักษณะเป็นเส้นที่ ชิ้นงาน อ่อนตัวลง พลาสติกที่ได้ จะยังคง คุณสมบัติเดิม การใช้แสงเลเซอร์ ผง Nylon เหมาะสาหรับ - ชิ้นงานที่ได้มี ยิงลงบนพื้นผิววัสดุ , Polymer การพิมพ์ ความแข็งแรง ให้วัสดุเกิดการ ชิ้นงานที่ คงทน หลอมเหลวเป็นเนื้อ คงทนกว่า เดียวกัน SLA ข้อเสีย - เหนียว เลอะมือ - มีต้นทุนสูง - ชิ้นงานไม่ ละเอียดเท่า การพิมพ์ แบบอื่นๆ - ราคาของ เครื่องพิมพ์ ยังค่อนข้าง สูง จากตารางที่ 2.1 จะเห็น ได้ถึงกระบวนเติมเนื้อวัส ดุที่แตกต่า งกันแต่ละรูปแบบต่างๆ ซึ่งใน การศึกษาครั้งนี้คณะผู้จัดทาจะมุ่งเน้นไปที่กระบวนการเติมเนื้อวัส ดุแบบ FDM (Fused Deposit Modeling) เนื่องจากมีราคาถูกและเหมาะกับมือใหม่ที่ต้องการศึกษาและใช้งานเครื่องพิมพ์ 3 มิติ [6] 7 2.1.2 Material extrusion ในโครงงานนี้เครื่อง Flashforge Guider iis เป็นแบบ Material Extrusion เป็นการฉีดวัสดุกึ่ง เหลวผ่านหัวฉีดออกมาเพื่อสร้างวัสดุทีละชั้นโดยวัสดุที่ได้รับความนิยมในการฉีดผ่านหัวฉีดมากที่สุดคือ เทอร์โมพลาสติก โดยเครื่อง Flashforge Guider iis เป็นระบบFused Deposit Modeling (FDM) หรือ เรียกอีกอย่างว่า Fused Filament Fabrication (FFF) โดยเป็นการละลายเส้นพลาสติกที่คดกันเป็นม้วน ที่เรียกว่าฟิลาเมนต์ (Filament) ด้วยความร้อนและทาการฉีดออกมาเป็นชั้นแล้วทาการยกหัวขึ้นเพื่อเริ่ม ชั้นต่อไปจนชิ้นงานเสร็จสมบูรณ์โดยมีข้อดีคือ ราคาถู กและมีวัสดุที่หลากหลาย เช่น Polylactic Acid (PLA) หรือ Polyethylene terephthalate Glycol-modified (PETG) เป็นต้น ในส่วนของข้อเสียคือ ความละเอียดในการพิมพ์ต่าและต้องมีการเก็บงานหลังจากพิมพ์ [8] รูปที่ 2.4 การทางานของระบบ Fused Deposit Modelling (FDM) [8] 2.2 การทดสอบแรงดึง (Tensile Testing) การทดสอบแรงดึงเป็นการทดสอบพื้นฐานที่ใช้ทดสอบสมบัติทางกลของวัสดุซึ่งปกติจะทดสอบ แรงดึงกับชิ้นส่วนมาตรฐาน แต่ก็สามารถทดสอบกับชิ้นทดสอบอื่นได้เช่นกัน โดยจะนาชิ้นทดสอบติดตั้ง กับ เครื่องทดสอบอเนกประสงค์ (universal tester) โดยเครื่องจะทาการดึงชิ้นทดสอบดังรูปที่ 2.4 โดย ใช้ร่วมกับอุปกรณ์วัดแรงยืด (extensometer) ดังรูปที่ 2.5 [9] 8 รูปที่ 2.5 ภาพการทางานของเครื่องทดสอบ รูปที่ 2.6 แรงดึงและอุปกรณ์วัดแรงยึด 2.3 สเตรนเกจ (Strain gage) สเตรนเกจ คือเครื่องมือที่ใช้ในการตรวจวัดแรงตึงเครียด(Strain) ของวัตถุ หลักการของสเตรน เกจ คือ เมื่อเสตรนเกจถูกแรงกระทาจะทาให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างไป (ยืด หด บิด งอ) ทาให้ความ ต้านทานของวัตถุนั้นเปลี่ยนไปตามแรงที่กระทาโดยปริมาณความต้านทานไฟฟ้าจะแปรผกผันกับพื้นที่หน้า ตัดและจะเป็นสัดส่วนกับความยาวหากดึงลวดโลหะ พื้นที่หน้าตัดจะเล็กลงและความยาวจะยาวขึ้นทาให้ ความต้านทานเพิ่มขึ้นและหากลวดโลหะถูกบีบอัดความต้านทานไฟฟ้าจะน้อยลง โดยหากสเตรนเกจถูก ติดกับโครงสร้างเป้าหมายลวดโลหะจะยืดตัวหรือหดตัวตามโครงสร้างที่ยึดติดไว้ ดังนั้นการวัดค่าความ ต้านทานไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลงของลวดโลหะจึงทาให้สามารถตรวจจับการยืดตัวหรือการหดตัวได้ [10 ,11] 9 รูปที่ 2.7 การยึดและหดของสเตรนเกจที่ส่งผลกับความต้านทาน (Strain gage) [12] โครงสร้างของสเตรนเกจจะมีฟอยล์โลหะอยู่บนฉนวนไฟฟ้าของเรซิ่นชนิดบ้างและมีสายวัดติดอยู่ สเตรนเกจจะถูกยึดติดกับ วัตถุการวัดด้ว ยกาวเฉพาะ ความเครียดที่เกิดขึ้นบนพื้นที่จะถูกโอนไปยัง องค์ประกอบตรวจจับความเครียดผ่านกาวและฐานเรซิ่นเพื่อให้การวัดที่แม่นยา สเตรนเกจและกาวควร เข้ากันได้กับวัสดุที่ใช้วัดรวมถึงสภาวะการทางาน [13] รูปที่ 2.8 สเตรนเกจ (Strain gage) [13] หลักการของสเตรนเกจ คือเมื่อเกิดความเครียดในตัวอย่างทดสอบและติดตั้งสเตรนเกจนั้นจะถูก ส่งต่อผ่านฐานเกจวัด (ฉนวนไฟฟ้า) ไปยังลวดหรือฟอยล์ต้านทานในเกจวัด เป็นผลให้ลวดหรือฟอยล์ ละเอียดได้รับการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าโดยการเปลี่ยนแปลงนี้จะแปรผันตามความเครียดพอดี โดยปกติ การเปลี่ยนแปลงความต้านทานนี้จะเล็กน้อยมากและต้องใช้วงจรสะพานวีตสโตนเพื่อ แปลงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานเล็กน้อยให้เป็นการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ง่ายกว่า [14] 10 รูปที่ 2.8 วงจรสะพานวีตสโตน [14] รูปที่ 2.9 แรงดันไฟขาออกของวงจร [14] หาก R=R1=R2=R3=R4 ความต้านทานของเกจวัดความเครียดจะเปลี่ยนเป็น R+ΔR เนื่องจาก ความเครียด ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าขาออก Δe (ความแปรปรวน) รูปที่ 2.10 แรงดันไฟขาออกของวงจร Δe (ความแปรปรวน) [14] ดั้ ง นั้ น จะได้ แ รงดั น ไฟฟ้า ขาออกที่ เ ป็ น สั ด ส่ ว นกั บ การเปลี่ ย นแปลงความต้า นทาน กล่าวคือการเปลี่ยนแปลงของความเครียดจะกาหนดค่าวงจรสะพานวีตสโตนและจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ กระตุ้น ความเครีย ดที่วัดได้จะแสดงบนจอแสดงผลแบบดิจิทัล หรือส่งออกเป็นสัญญาณแอนะล็อก [12,13,14] 11 2.4 วัสดุสาหรับการเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ในปัจจุบันเส้นในพลาสติกมีความหลากหลายในการใช้งานมากขึ้น โดยวัสดุพลาสติกที่ถูกผลิตใน รูปของเส้นยาวสาหรับใช้ในกระบวนการพิมพ์ 3 มิตินั้น พลาสติกในรูปแบบนี้มีการใช้งานที่หลากหลาย เช่น ในการพิม พ์ 3 มิติ (3D Printing) โดยเฉพาะในกระบวนการพิม พ์แ บบ Fused Deposition Modeling (FDM) หรือ Fused Filament Fabrication (FFF) ซึ่งเป็นหนึ่งในวิธีการพิมพ์ 3 มิติที่ได้รับ ความนิยมมากที่สุด ตารางที่ 2.2 การเปรียบเทียบวัสดุสาหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ รุ่น Flashforge Guider iis [15] Material ความหมาย PLA เป็นวัสดุชีวภาพ หรือวัสดุ ที่สามารถผลิตขึ้นใหม่ได้ จากธรรมชาติ เช่น แป้ง มันสาปะหลัง ข้าวโพด จน เป็นเส้นพลาสติกที่ใช้กัน ในปัจจุบัน ข้อดี - พิมพ์ง่ายไม่หดตัว และพิมพ์งานที่มี รายละเอียดสูงได้ดี - งานพิมพ์มีความ แข็ง ดัดงอไม่ได้ - ไม่มีกลิ่น หรือมี น้อยมากๆ เวลา พิมพ์งาน - ราคาไม่แพง ข้อเสีย - งานพิมพ์ เปราะและแตก ง่าย ในส่วนที่ แหลม และเป็น มุม - ทนอุณหภูมิได้ ไม่มาก ลักษณะงาน - ชิ้นงานต้นแบบ - ของเล่น - ตัวการ์ตูน - งาน สถาปัตยกรรม ABS - ทนต่อแรง กระแทก และการ เสียดสีได้ดี - ทนความร้อนได้ สูง - สามารถอบ ชิ้นงานเพื่อลบรอย ชิ้นงานได้ด้วย ไอ ระเหยของอะซิโตน - พิมพ์ยาก ชิ้นงานหลุดจาก ฐานพิมพ์ง่าย - หดตัวง่าย ชิ้นงานไม่ต่อกัน ไม่เหมาะกับ พิมพ์งานที่มี ขนาดใหญ่ - ไม่เหมาะกับ พิมพ์งานที่มี รายละเอียดสูง - กล่องฝาครอบ หรือเคสใส่ อุปกรณ์ - อุปกรณ์ที่ต้อง ตากแดด ตากฝน - ชิ้นส่วนพลาสติก ที่เสียหาย - ชิ้นงานต้นแบบ ที่ต้องเอาไป ทดสอบ เกิดจากการนาพลาสติก 3 ชนิดรวมเข้าด้วยกัน เป็น พลาสติกที่หลอมใหม่ได้ จึงทาให้มีคุณสมบัติ ทนทานต่อสภาพอากาศ มี ความยืดหยุ่นและความ แข็งแรงสูง 12 PETG PC วัสดุที่พัฒนาจาก PET ที่ ใช้ในการผลิตเป็นขวดน้า ดื่มที่ใช้กันใน ชีวิตประจาวัน - ทนอุณหภูมิได้สูง - ไม่เหมาะพิมพ์ กว่าเส้น PLA งานที่มีขนาด - พิมพ์ง่าย ไม่หดตัว เล็ก พิมพ์งานชิ้นใหญ่ได้ - มีเส้นใย - มีความเหนียว พลาสติก พาด และแข็งแรง ไปมาระหว่าง - ไม่มีกลิ่นเวลา ตัวงาน พิมพ์ - ไม่เหมาะ - งานที่พิมพ์เสร็จ สาหรับพิมพ์ จะมีผิวที่มีความมัน งานที่เป็นคาน วาว ไม่สามารถใช้ -การเชื่อมต่อ สารเคมีทาให้ ระหว่างชั้นมีความ ผิวเรียบได้ แข็งแรงมาก พอลิเมอร์คาร์บอน - มีความคงทนสูง - ต้องใช้ความ สามารถทดแทนการใช้ เหมาะสาหรับ ร้อนสูงในการ PLA หรือ PETG ได้ ชิ้นส่วนที่ต้องการ พิมพ์ เนื่องจากมีความแข็งแรงที่ ความสเถียรสูง - มีปัญหาด้าน มากกว่าแต่การพิมพ์นั้นไม่ - ทนความร้อนได้ การยึดติดกับ ง่ายเหมือนกัน สูง ฐานพิมพ์ PLA หรือ PETG เนื่องจาก - รับแรงกระแทกได้ - ราคาสูงกว่า ต้องใช้อุณหภูมิการ ดี PLA หรือ ABS หลอมเหลวที่ค่อนข้างสูง - ชิ้นงานที่มี ลักษณะเชิงกล เกียร์ เฟือง - งานที่ต้องการ พิมพ์ไม่ให้เกิดการ รั่วของน้า - ชุดจับยึดต่างๆ - ชิ้นงานต้นแบบ ที่ต้องเอาไป ทดสอบ - อุปกรณ์ที่ต้อง ตากแดด ตากฝน -อุปกรณ์ที่ต้อง ได้รับแรงกระแทก จากตารางที่ 2.2 จะเห็นถึงการแสดงคุณสมบัติที่แตกต่างกันแต่ละชนิด ซึ่งในโครงงานนี้จะมุ่งเน้น ไปที่วัสดุ PETG ซึ่งวัสดุนี้เป็นที่นิยมนามาใช้ผลิตชิ้นส่วนจากการพิมพ์ 3 มิติ เนื่องจากวัสดุชนิดนี้มีความ โดดเด่นทั้งความแข็งแรง,ความยืดหยุ่นและขึ้นรูปได้ง่าย [15] 13 2.5. การอบ Heat Annealing การขึ้นรูปชิ้นงานจากเครื่อง 3D Printer จะต้องใช้อุณหภูมิความร้อนที่จุดหลอมเหลว (Melting Temperature หรือ Tm) ของพลาสติกชนิดนั้นๆ จึงจะสามารถไหลผ่านหัวฉีดได้แต่การเพิ่มความแข็งแรง ของชิ้นงานพลาสติกจะใช้แค่อุณหภูมิที่ทาให้วัสดุอ่อนตัว (Glass Transition Temperature หรือ Tg) เท่านั้น เนื่องจากที่ Glass Transition Temperature นี้พลาสติกที่มีการจัดเรียงสายโซ่โมเลกุลแบบไม่ เป็นระเบียบ รวมถึงลักษณะกึ่งผลึก (Semicrystalline) มีทั้งส่วนที่เป็นผลึกและส่วนอสัณฐานปนกันอยู่ จะเป็นการเปลี่ยนสถานะโครงสร้างใหม่ และสายโซ่โมเลกุลจะจัดเรียงตัวได้ดีกว่าแบบเดิม ด้วยอัตราการ เย็นตัว (Cooling Rate) อย่างช้าๆ ทาให้โมเลกุลของพลาสติกมีเวลาจัดเรียงตัวมากขึ้น ทาให้ความแข็งแรง ของพลาสติกเพิ่มขึ้น [21] ตารางที่ 2.3 ตารางเปรียบเทียบอุณหภูมิต่างๆของแต่ละวัสดุ Material PLA PETG ABS Glass Transition Temperature 65 องศา 75 องศา 105 องศา รูปที่ 2.11 เตาอบ 14 Printing (melting temperature) 215 องศา 230 องศา 255 องศา บทที่ 3 การดาเนินงาน 3.1 ความต้องการ (Requirement) โครงงานนี้จะแบ่งออกเป็นสองส่วนหลัก ๆ คือ ส่วนของการขึ้นรูปชิ้นงานทดสอบเพื่อนาไป ทดสอบแรงดึงจากนั้นศึกษาพฤติกรรมเพิ่มเติมจาก phase ที่ 1 และส่วนของการประยุกต์ใช้กับการเสีย รูปของท่อจากการพิมพ์ขึ้นรูป ซึ่งจะแบ่งออกเป็น 2 ส่วน คือ ส่วนแรกเป็นการซิมมูเลชั่นผ่านโปรแกรม Abaqus และนาผลมาเปรียบกับส่วนที่สอง คือ การทดสอบอัดแรงดันน้าเพื่อหาการเสียรูปของท่อ ในส่วน ท่อน้าที่มากจากการพิมพ์ขึ้นรูป ต้องสามารถรับแรงดันได้มากกว่า มาตรฐาน มอก 17-2532 ซึ่งต้อง มากกว่า 8.5 bar โดยไม่เกิดการรั่วซึม 3.2 ข้อจากัดในการออกแบบชิ้นงาน (Constraints) 1. ชิ้นงานทดสอบแรงดึงต้องออกแบบให้สอดคล้องกับมาตรฐาน ASTM D638 2. ท่อและข้อต่อต้องสอดคล้องกับมาตรฐาน มอก. 17-2532 3. วัสดุที่ใช้สาหรับการพิมพ์ 3 มิติ (3D Printing) คือ PETG Filament 4. เครื่องอัดแรงดันน้าต้องรองรับแรงดันที่สูงกว่าค่ามาตรฐานของท่อเพื่อประเมินความเสียรูป 3.3 มาตรฐานที่ใช้ในการออกแบบ (Standard) 1. การออกแบบชิ้นงานในการทดสอบแรงดึงจะเป็นไปตามมาตราฐาน ASTM D638 (Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics) 2. มาตรฐานในการออกแบบท่อ (Pipe) จะออกแบบท่อตามมาตราฐาน มอก.17-2532 เป็น มาตรฐานสาหรับท่อพีวีซีที่ใช้ในงานก่อสร้างและอุตสาหกรรมทั่วไป โดยขนาดที่ได้ทาการใช้คือ ขนาด 4 หุน (1/2 นิ้ว) 15 3.4 เลือกเส้นใยพลาสติก เลือกพลาสติกที่นามาใช้ในการทดสอบพฤติกรรม โดยการคัดเลือกจะทาการคัดเลือกโดยคุณสมบัติ ตามหัวข้อที่ 2.4 ซึ่งในโครงงานนี้จะมุ่งเน้นไปที่วัสดุ PETG ซึ่งวัสดุนี้เป็นที่นิยมนามาใช้ผลิตชิ้นส่วนจาก การพิมพ์ 3 มิติ เนื่องจากวัสดุชนิดนี้มีความโดดเด่นทั้งความแข็งแรง ความยืดหยุ่นและขึ้นรูปได้ง่าย รูปที่ 3.1 PETG Filament [16] 3.5 ชิ้นงานทดสอบ ออกแบบชิ้นงานที่ใช้ในการทดสอบ Tensile Test โดยโปรแกรม SOIDWORKS โดยการออกแบบ ชิ้นงานในการทดสอบแรงดึงจะเป็นไปตามมาตราฐาน ASTM D638 (Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics) + รูปที่ 3.2 ชิ้นส่วนทดสอบตามมาตราฐาน ASTM D638 [17] 16 3.6 การพิมพ์ขึ้นรูปชิ้นงานทดสอบ กาหนดขอบเขตของการขึ้นรูปและจานวณชิ้นงานโดยมีรายละเอียดของการกาหนดขอบเขตดังนี้ 3.6.1 การขึ้นรูปชิ้นงานจะเป็นการขึ้นรูปเชิงเส้น (Line) 3.6.2 การขึ้นรูปชิ้นงานจะขึ้นจากทั้งหมด 3 ระนาบ ระนาบละ 3 มุม และมุมละ 3 ชิ้น (มุมที่ จะศึกษา 0 , 45 และ 90 องศา) รูปที่ 3.3 รูปแบบการขึ้นรูปของชิ้นงานในแต่ละระนาบ การขึ้นรูปชิ้นงาน ความหนา 3 มิลลิเมตร Infill 100% การขึ้นรูปชิ้นงาน ความหนา 3 มิลลิเมตร Infill 30% (ทดสอบการดึง 2 ความเร็ว) การขึ้นรูปชิ้นงาน ความหนา 5 มิลลิเมตร Infill 30% การขึ้นรูปชิ้นงาน ความหนา 3 มิลลิเมตร Infill 30 % (นาไปอบความร้อน) 3.6.3 การใช้โปรแกรม Slicer ด้วย FlashPrint ในการ Slice ชิ้นงาน รูปที่ 3.4 รูปในโปรแกรม Slicer 17 - กดมุมซ้ายล่างเพื่อ เลือกรุ่น และขนาดหัวฉีด รูปที่ 3.5 รูปการเลือกรุ่น รูปที่ 3.6 รูปการเลือกขนาดหัว Nozzle - นาไฟล์สกุล STL มาใส่ในโปรแกรม Slicer รูปที่ 3.7 รูปเมื่อนาไฟล์ มาใส่ในโปรแกรม Slicer 3 อัน แล้วจัดเรียง 18 - กด start slicing ด้านบนตรงกลาง แล้วกาหนดค่าต่างๆกาหนดอุณหภูมิ หัวฉีด และ แผ่นรองพิมพ์ โดย PETG ใช้อุณหภูมิหัวฉีดอยู่ที่ 220°C - 250°C และแผ่นรองพิมพ์ที่ 70°C 90°C รูปที่ 3.8 รูปการกาหนดอุณหภูมิ หัวฉีด และ แผ่นรองพิมพ์ - กาหนดปริมาณการเติมและวิธีการเติมเนื้อวัสดุ รูปที่ 3.9 กาหนด layer เป็น 3 ชั้น, ความหนาแน่น 30 % และให้โครงสร้างแบบ Line 19 - เปิด Raft หากชิ้นงานมีพื้นผิวสัมผัสกับแผ่นรองน้อยเกินไปเพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นงานเกิด การหลุดออกจากแผ่นรองขณะพิมพ์ รูปที่ 3.10 รูปการตั้งค่า Raft รูปที่ 3.11 รูปการ Slice แบบไม่เปิด Raft รูปที่ 3.12 รูปการ Slice แบบเปิด Raft 20 - เมื่อตั้งค่าเสร็จสามารถ กด Save Configuration เพื่อเก็บการตั้งค่าไว้ใช้ครั้งหน้าได้ และทาการกด Slice ตรงมุมขวาล่าง รูปที่ 3.13 รูปการ Save Configuration และกด Slice รูปที่ 3.14 รูปเมื่อ Slice เสร็จ 21 - เมื่อ Slice เสร็จ สามารถดู Slice Preview ได้โดยกด Slice Preview บนแถบตรง กลางข้างบนโดยใน Slice Preview จะบอก ระยะเวลาที่ใช้พิมพ์ และ ปริมาณ filament ที่ใช้ โดยอยู่ตรงมุมขวาบนและสามารถกดลงมาเพื่อดูค่าต่างๆได้ รูปที่ 3.15 รูปแถบการกด Slice Preview รูปที่ 3.16 รูปเมื่อ Slice Preview รูปที่ 3.17 รูปการบอก ระยะเวลาที่ใช้พิมพ์ และ ปริมาณ filament และ ค่าต่างๆ 22 - เมื่อตรวจสอบข้อมูลเสร็จแล้วสั่งพิมพ์ ในโครงงานนี้ใช้วิธีการนาไฟล์สกุล gx ใส flashdrive แล้วเสียบเข้าเครื่อง โดยทาการบันทึกไฟล์ได้โดยการกดบันทึกบนแถบตรงกลาง ข้างบน และเลือกตาแหน่งที่ตั้งที่จะบันทึกแล้วตั้งชื่อแล้วกด Save รูปที่ 3.18 รูปการณ์กดบันทึกไฟล์ รูปที่ 3.19 รูปหน้าต่างการบันทึกไฟล์ 3.6.4 เมื่อได้ชิ้นส่วนงานทดสอบแล้วจึงจัดทาการขึ้นรูปชิ้นงาน 3 มิติขึ้นโดยใช้งานเครื่อง Flashforge Guilder iiS 23 3.7 การทดสอบชิ้นงานทดสอบ ทาการกาหนดค่าตัวแปรต่างๆสาหรับการทดสอบการดึง Tensile Test โดยจะใช้การทดสอบตาม มาตราฐาน ASTM D638 กับเครื่องทดสอบแรงดึงรุ่น Instron Universal Testing Machine Model 5567 และทาการทดสอบแรงดึงกับชิ้นงานมาตราฐานโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อต้องการหาค่าคุณสมบัติของ วัสดุรวมถึงพฤติกรรมของวัสดุ โดยการทดสอบแรงดึงจะใช้เครื่องมือวัด Strain คือ Extensometer ใช้วัด Strain ในทิศแรงดึง รูปที่ 3.20 การทดสอบแรงดึง (Tensile Test) 3.7.1 วิธีการดาเนินงานการทดลอง 1. วัดขนาดหน้าตัดของชิ้นงานทดสอบที่ตรงบริเวณตรงกลางของแต่ละชิ้นด้วยเครื่องมือ เวอร์เนียร์คาลิปเปอร์และหาค่าเฉลี่ยของ Width และ Thickness เป็นต้น รูปที่ 3.21 ชิ้นงานทดสอบตัวอย่าง เพื่อทดสอบแรงดึง 2. นาชิ้นงานทดสอบใส่ระหว่างที่ปากจับของเครื่องทดสอบในตาแหน่งที่เหมาะสมและ หมุนล็อคให้แน่นกาลังพอดี 24 รูปที่ 3.22 ติดตั้งชิ้นงานทดสอบเข้ากับเครื่อง Tensile Test 3. นา Clip on Extensometer ติดตั้งเข้ากับชิ้นงานทดสอบโดยระหว่างติดตั้งให้ล็อคขา ของ Extensometer อยู่กับที่โดยใช้สลัก รูปที่ 3.23 ติดตั้ง Extensometer เข้ากับชิ้นงานทดสอบ 4. ปลดสลักของ Extensometer 5. ตั้งค่าค่าต่างๆจากโปรแกรม เช่น ค่า Load Drops, ค่าระยะเริ่มต้นให้เป็นศูนย์, ตั้งค่า ค่าความเร็วในการทดสอบกาหนดความเร็วของหัวจับ (crosshead speed) และใส่ ข้อมูลหน้าตัดของชิ้นงานทดสอบ 6. เริ่มทาการทดสอบโดยการตั้งค่าให้พล็อตกราฟอัตโนมัติและสังเกตกราฟที่ได้ 7. เมื่อชิ้นงานเกิดการแตกหักหรือหลุดออกจากหัวจับเครื่องจะหยุดการทดสอบอัตโนมัติ และนาค่า Stress , Strain ที่ได้จากการทดสอบมาพล็อตกราฟเพื่อดูพฤติกรรมและใช้ใน การหาค่า Young’s Modulus และ Ultimate Stress 25 3.8 ท่อ (Pipe) เนื่องจากท่อเป็นส่วนประกอบหลักในการส่งผ่านของเหลว แก๊ส และอื่นๆในระบบอุตสาหกรรม การเลือกท่อที่เหมาะสมกับการใช้งานไม่เพียงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการทางานของระบบแต่ยังลด ปัญหาการบารุงรักษาและยืดอายุการใช้งานได้อีกด้วย ทางคณะผู้จัดทามีความสนใจในการศึกษาชิ้นส่วนที่ เป็นรูปทรงท่อ โดยทาการคัดเลือกท่อที่เป็นที่นิยมใช้มาทั้งหมด 2 แบบ คือ ท่อเอลโบว์, ท่อข้อต่อสามทาง เทคโนโลยีเครื่องพิมพ์สามมิติทาให้การสร้างท่อส่งน้ามีความยืดหยุ่น และสามารถสร้างท่อส่งน้าใน รูปแบบใหม่ได้โดยแต่ละชิ้นสามารถพิมพ์ขึ้นรูปเพื่อต่อเข้ากับท่อในงานต่างๆ โดยผู้จัดทาจึงเลือกออกแบบ ท่อที่มีรูปร่างเฉพาะซึ่งไม่มีขายในตลาดมาอีก 1 ท่อ คือ ท่อ 60 องศา เพื่อให้เห็นถึงการเสียรูปจากการรับ แรงดั น ในชิ้ น ส่ว นแต่ ละแบบ และทาให้ สามารถออกแบบชิ้น ส่ ว นรั บ ภาระกรรมต่างๆไปใช้ ใ นทาง อุตสาหกรรมได้[18] 3.8.1 การออกแบบรูปทรงและขนาด ทาการออกแบบท่อที่จะนามาใช้ในการทดสอบโดยออกแบบตามมาตราฐาน มอก.17-2532 เพื่อใช้มาต่อเข้ากับท่อมาตราฐานเกรดอุตสาหกรรม ท่อ PVC ขนาด 4 หุน (จากโครงงานระยะที่ 1 พบว่าถังรับแรงดันสามารถรับแรงดันได้ที่ 20 บาร์ หรือ 2 MPa) รูปที่ 3.24 เอลโบว์ (Elbow pipe) 90 องศา ขนาด 4 หุน [19] 26 รูปที่ 3.25 ท่อสามทาง ขนาด 4 หุน [19] รูปที่ 3.26 ท่อมุม 60 องศา ขนาด 4 หุน 27 รูปที่ 3.27 ความดันในระยะเวลาสั้นของท่อ [22] 28 รูปที่ 3.28 ชื่อขนาดมิติและเกณฑ์ความคลาดเคลื่อนของท่อ [22] 29 3.9 การพิมพ์ขึ้นรูปท่อ (Pipe) จากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ 3.9.1 รูปแบบการขึ้นรูปท่อ รูปที่ 3.29 การขึ้นรูปท่อในทิศทางตามแนวแกนตั้ง V รูปที่ 3.30 การขึ้นรูปท่อในทิศทางตามแนวแกนตัง้ T 30 รูปที่ 3.31 การขึ้นรูปท่อในทิศทางตามแนวนอน ในการพิมพ์ขึ้นรูปนั้นได้พิจารณาเลือกทิศทางในการขึ้นรูปในทิศ Plane H 3.9.2 ทาการขึ้นรูปจริง รูปที่ 3.32 การพิมพ์ขึ้นรูปท่อจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ 31 3.10 การทดสอบท่อ 3.10.1 การทดสอบอัดแรงดันน้า ทาการทดสอบการรับแรงดันด้วยปั๊มมือขนาด 50 บาร์ โดยการต่อเขากับแบบการทดลองจนกระทั่ง ชิ้นงานเกิดการเสียรูป และทาการอ่านค่าพฤติกรรมที่ได้จาก Stain gauge รูปที่ 3.33 แบบการทดลองที่ใช้ รูปที่ 3.34 เครื่องเทสปั๊มมือโยก 50 บาร์ รุ่น KYOWA T-508 [20] 32 3.10.2 วิธีการทดสอบอัดแรงดันน้า 1. ทาการออกแบบท่อแต่ละแบบโดยใช้โปรแกรม SolidWorks และทาการพิมพ์ขึ้นรูป จากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ 2. นาท่อแต่ละแบบที่พิมพ์ขึ้นรูป สาเร็จแล้วมาทดสอบแรงดันน้า ผ่านเครื่องทดสอบ แรงดันน้า ดังรูปที่ 3.32 รูปที่ 3.35 เครื่องเทสปั๊มมือโยก 50 บาร์ รุ่น KYOWA T-508 3. นาท่อมาต่อเข้าสายยางตามรูปแบบการทดลองที่ ได้ ออกแบบไว้ และขันให้ แ น่ น จากนั้นทาการเติมน้าในเครื่องทดสอบแรงดันน้าให้เต็ม 4. นาท่อที่ต่อกับสายยางไว้แล้ว แช่ลงในเครื่องทดสอบแรงดันน้า และค่อย ๆ ปั๊มน้า ออกมาจากท่อเพื่อทาการไล่อากาศและระหว่างไล่อากาศให้นาหัวอุดท่อมาค่อย ๆ ขัน ให้แน่นดังรูปที่ 3.33 รูปที่ 3.36 การต่อท่อเข้าสายยางเข้ากับเครื่องทดสอบแรงดันน้า 5. เริ่มทาการทดสอบ โดยการเริ่ม จากการค่อย ๆ ใช้มืออัดเครื่องทดสอบแรงดันน้าและ สังเกตค่าที่ได้จาก Pressure Gauge 6. อัดแรงดันไปเรื่อย ๆ จนกว่าท่อจะแตกเสียรูป หรือไม่สามารถที่จะอัดแรงต่อไปได้ ถือ เป็นการสิ้นสุดในการทดสอบ 7. สังเกตรอยแตกของท่อทีเ่ กิดขึ้น 33 รูปที่ 3.37 การแตกของท่อ (Pipe) 3.10.3 การซิมมูเลชั่นด้วยโปรแกรม Abaqus เป็นการจาลองการเสียรูปในโปรแกรมจาลอง เพื่อเปรียบเทียบกับการเสียรูปของชิ้นงาน การฝึกซิมมูเลชั่นเพื่อเป็นการหัดใช้โปรแกรม Abaqus - สร้างโมเดลสามารถสร้างโมเดลโดยตรงใน Abaqus หรือใช้ไฟล์ CAD จากโปรแกรม Solidworks แล้วนาเข้าในรูปแบบไฟล์ที่รองรับ เช่น .step รูปที่ 3.38 แบบจาลองของท่อ 90 องศา โดยไม่มีเกลียว 34 - นาแบบจาลองของท่อ 45 องศา มา import ลงในโปรแกรม Abaqus ดังรูปที่ 3.28 จากนั้นกาหนดคุณสมบัติของวัสดุ ที่ได้จากการทดสอบแรงดึง (Tensile Test) ในครั้งนี้เป็นการ ฝึกหัดในการใช้โปรแกรมโดยพฤติกรรมของวัสดุจะใช้เป็น Isotropicหลังจากนั้นตั้งค่า Step Manager ที่ Step-1 เป็นแบบ Static , General และตัง้ Time Period เป็น 1 วินาที รูปที่ 3.39 การกาหนด Type และ ตั้งค่า Step Manager - กาหนด Mesh ใช้รู ปร่าง Element เป็นแบบ Hex และกาหนด Approximate global size เท่ากับ 1 จะได้ผลที่ทาการแบ่ง Mesh ออกมา (ถ้าผลการแบ่ง Mesh ออกมาไม่ เป็นระเบียบจะต้องการแบ่ง Partition ก่อน) รูปที่ 3.40 การตั้งค่า Mesh Controls และระบุขนาด Approximate global size 35 - กาหนด Load ให้เป็นแบบ Pressure กระทาบริเวณรอบผิวบริเวณภายในของท่อ ใน การจาลองซิมมูเลชั่นใส่แรง Magnitude เท่ากับ 2 MPa รูปที่ 3.41 กาหนด Load และใส่แรง Magnitude - กาหนด Boundary Condition โดยจะกาหนดเป็นแบบ Displacement/Rotation ที่ บริเวณผิวปากของท่อทั้ง 2 ด้าน ยึดทั้ง 3 แกน (X ,Y และ Z) และสุดท้ายทาการ Run ผลการ ซิมมูเลชั่นเพื่อดูการเสียรูป รูปที่ 3.42 กาหนด Boundary Condition 36 บทที่ 4 ผลการทดลองและการวิเคราะห์ผลการทดสอบ 4.1 ผลที่ได้จากการทดสอบแรงดึง (Tensile Test) ผลจากการทดลองมีทั้งหมด 3 ส่วน คือ 1.) ผลการทดสอบของชิ้นงานทดสอบ 3 mm infill 100 %, 2.) ผลการทดสอบของชิ้นงานทดสอบ 3 mm infill 30 % (heat annealing) , 3.) ผลการ ทดสอบของชิ้นงานทดสอบ 5 mm infill 30 % 4.1.1 ผลการทดสอบของชิ้นงานทดสอบ 3 mm infill 100 % ทิศทางการพิมพ์ขึ้นรูปของ แต่ละ Plane ของค่า Young’s Modulus รูปที่ 4.1 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane H infill 100 % จากกราฟการเสียรูปสามารถสรุปได้ว่าในมุม 0 และ 45 มีความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 8.68% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic และในมุม 0 และ 90 มี ความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 7.86% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อพิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจาก Young’s Modulus มีความเป็นแบบ Isotropic ที่จุด Ultimate strength ในมุม 0 และ 45 มีความต่างของจุด Ultimate strength อยู่ ที่ 7.06% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic และในมุม 0 และ 90 มีความต่างของ 37 จุด Ultimate strength อยู่ที่ 4.16% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อ พิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจากจุด Ultimate strength มีความเป็นแบบ Isotropic รูปที่ 4.2 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane V infill 100 % จากกราฟการเสียรูปสามารถสรุปได้ว่าในมุม 0 และ 45 มีความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 1.57% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic และในมุม 0 และ 90 มี ความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 2.39% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อพิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจาก Young’s Modulus มีความเป็นแบบ Isotropic ที่จุด Ultimate strength ในมุม 0 และ 45 มีความต่างของจุด Ultimate strength อยู่ ที่ 14.68% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Anisotropic และในมุม 0 และ 90 มีความต่าง ของจุด Ultimate strength อยู่ที่ 8.66% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อ พิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจากจุด Ultimate strength มีความเป็นแบบ Anisotropic 38 4.1.2 ผลการทดสอบของชิ้นงานทดสอบ 3 mm infill 30 % (heat annealing) ทิศ ทางการพิมพ์ขึ้นรูปของแต่ละ Plane ของค่า Young’s Modulus รูปที่ 4.3 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane H infill 30% (heat annealing) จากกราฟการเสียรูป สามารถสรุปได้ว่า ในมุม 0 และ 45 มีความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 13.74% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Anisotropic และในมุม 0 และ 90 มีความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 2.72% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อพิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจาก Young’s Modulus มีความเป็นแบบ Anisotropic ทีจุ่ด Ultimate strength ในมุม 0 และ 45 มีความต่างของจุด Ultimate strength อยู่ ที่ 10.61% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Anisotropic และในมุม 0 และ 90 มีความต่าง ของจุด Ultimate strength อยู่ที่ 5.21% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อ พิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจากจุด Ultimate strength มีความเป็นแบบ Anisotropic 39 รูปที่ 4.4 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane V infill 30% (heat annealing) จากกราฟการเสียรูปสามารถสรุปได้ว่าในมุม 0 และ 45 มีความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 7.14% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic และในมุม 0 และ 90 มี ความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 3.67% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อพิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจาก Young’s Modulus มีความเป็นแบบ Isotropic ที่จุด Ultimate strength ในมุม 0 และ 45 มีความต่างของจุด Ultimate strength อยู่ ที่ 15.50% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Anisotropic และในมุม 0 และ 90 มีความต่าง ของจุด Ultimate strength อยู่ที่ 9.26% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อ พิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจากจุด Ultimate strength มีความเป็นแบบ Anisotropic 40 Non heat annealing heat annealing รูปที่ 4.5 กราฟแสดงเปรียบเทียบการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane H Heat annealing Non heat annealing รูปที่ 4.6 กราฟแสดงเปรียบเทียบการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane V 41 4.1.3 ผลการทดสอบของชิ้นงานทดสอบ 5 mm infill 30 % ทิศทางการพิมพ์ขึ้นรูปของแต่ ละ Plane ของค่า Young’s Modulus รูปที่ 4.7 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane H 5 mm infill 30% จากกราฟการเสียรูปสามารถสรุปได้ว่าในมุม 0 และ 45 มีความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 15.88% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Anisotropic และในมุม 0 และ 90 มีความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 5.00% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อพิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจาก Young’s Modulus มีความเป็นแบบ Anisotropic ที่จุด Ultimate strength ในมุม 0 และ 45 มีความต่างของจุด Ultimate strength อยู่ ที่ 16.74% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Anisotropic และในมุม 0 และ 90 มีความต่าง ของจุด Ultimate strength อยู่ที่ 4.20% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อ พิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจากจุด Ultimate strength มีความเป็นแบบ Anisotropic 42 รูปที่ 4.8 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบใน Plane V 5 mm infill 30% จากกราฟการเสียรูปสามารถสรุปได้ว่าในมุม 0 และ 45 มีความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 5.01% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic และในมุม 0 และ 90 มี ความต่างของ Young’s Modulus อยู่ที่ 5.16% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อพิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจาก Young’s Modulus มีความเป็นแบบ Isotropic ที่จุด Ultimate strength ในมุม 0 และ 45 มีความต่างของจุด Ultimate strength อยู่ ที่ 27.35% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Anisotropic และในมุม 0 และ 90 มีความต่าง ของจุด Ultimate strength อยู่ที่ 7.67% มีความหมายว่ามีพฤติกรรมเป็นแบบ Isotropic เมื่อ พิจารณารวมกันแล้วพบว่าพฤติกรรมจากจุด Ultimate strength มีความเป็นแบบ Anisotropic 43 4.1.4 ตารางสรุปผลค่า Young’s Modulus และ Ultimate Strength ตารางที่ 4.1 ผลการทดสอบแรงดึงของแต่ละมุม (0, 45, 90 องศา) ของ heat annealing vs phase 1 PETG Filament at 0 Degrees (3 mm infill 30 % heat annealing) Plane Set Young’s Modulus (MPa) Ultimate Strength (MPa) Phase 1 Phase 2 Phase 1 Phase 2 1 883.86 721.74 19.36 13.43 H 2 920.38 727.87 20.08 12.70 3 891.34 752.6 19.04 12.90 Average 898.53 734.07 19.49 13.03 Average YM / Weight (new) 101.954 1 1125.90 1303.10 25.94 28.16 V 2 1221.30 1330.60 28.41 27.77 3 1216.20 1357.20 26.72 28.55 Average 1187.80 1330.30 27.02 28.16 Average YM / Weight (new) 184.764 PETG Filament at 45 Degrees (3 mm infill 30 % heat annealing) Plane Set H 1 2 3 Average Average YM / Weight (new) 1 V 2 3 Average Average YM / Weight (new) Young’s Modulus (MPa) Ultimate Strength (MPa) Phase 1 Phase 2 Phase 1 Phase 2 939.14 950.44 18.30 15.47 966.74 985.98 18.73 16.00 1006.70 967.74 20.00 16.80 970.86 968.05 19.01 16.13 134.452 1020.90 1165.60 19.77 21.06 1030.00 1063.20 19.65 18.59 1172.90 1230.50 20.10 22.14 1074.60 1153.1 19.84 20.60 160.153 44 PETG Filament at 90 Degrees (3 mm infill 30 % heat annealing) Plane Set H 1 2 3 Average Average YM / Weight (new) 1 V 2 3 Average Average YM / Weight (new) Young’s Modulus (MPa) Ultimate Strength (MPa) Phase 1 Phase 2 Phase 1 Phase 2 894.26 783.68 18.88 14.32 1004.96 744.19 19.22 14.27 965.13 797.28 19.98 14.79 954.76 775.05 19.36 14.47 107.646 1129.7 1214.6 14.53 23.84 1278.7 1245.7 13.42 22.53 1180.00 1247.6 16.57 23.79 1196.13 1235.97 14.84 23.39 171.662 . 45 ตารางที่ 4.2 ผลการทดสอบแรงดึงของแต่ละมุม (0, 45 และ 90 องศา) ของ 5 mm infill 30 % Plane H Average V Average Plane PETG Filament at 0 Degrees (5 mm infill 30 %) Set Young’s Modulus (MPa) Ultimate Strength (MPa) 1 628.68 11.64 2 735.84 12.54 3 641.26 11.93 668.59 12.04 1 944.82 19.47 2 914.30 18.83 3 986.54 19.93 948.55 19.41 PETG Filament at 45 Degrees (5 mm infill 30 %) Set 1 2 3 H Average V Average Plane Young’s Modulus (MPa) Ultimate Strength (MPa) 929.92 17.20 930.16 16.79 903.24 16.65 921.11 16.88 1 720.95 10.11 2 933.46 8.20 3 919.84 14.91 858.08 11.07 PETG Filament at 90 Degrees (5 mm infill 30 %) Set 1 2 3 H Average 1 2 3 V Average Young’s Modulus (MPa) 684.90 798.26 733.83 739.00 1031.50 1064.10 1059.60 1051.73 46 Ultimate Strength (MPa) 12.91 13.26 13.14 13.10 17.33 16.55 16.04 16.64 ตารางที่ 4.3 ผลการทดสอบแรงดึงของแต่ละมุม (0, 45 และ 90 องศา) ของ 3 mm infill 100 % PETG Filament at 0 Degrees (3 mm infill 100 %) Plane Set Young’s Modulus (MPa) Ultimate Strength (MPa) 1 1535 32.26022 H 2 1536.40 32.18037 3 1509 33.28701 Average 1526.80 32.58 Average YM / Weight (MPa/g) 149.69 1 1995.10 45.65843 V 2 1916.10 46.24815 3 1891.50 45.92244 Average 1934.23 45.94 Average YM / Weight (MPa/g) 189.63 PETG Filament at 45 Degrees (3 mm infill 100 %) Plane Set Young’s Modulus (MPa) Ultimate Strength (MPa) 1 1838.4 39.03808 H 2 1798.7 36.97178 3 1814.2 36.55755 Average 1817.10 37.52 Average YM / Weight (MPa/g) 178.15 1 1891.20 36.27819 V 2 1902 34.12064 3 1829.90 32.14851 Average 1874.37 34.18 Average YM / Weight (MPa/g) 183.76 47 PETG Filament at 90 Degrees (3 mm infill 100 %) Plane Set Young’s Modulus (MPa) Ultimate Strength (MPa) 1 1835.4 36.58373 H 2 1798.4 35.22855 3 1727.7 34.39889 Average 1787.17 35.40 Average YM / Weight (MPa/g) 175.21 1 2037 38.53811 V 2 2059.1 40.74508 3 1991 36.57213 Average 2029.03 38.62 Average YM / Weight (MPa/g) 198.82 48 4.2 การวิเคราะห์ผลการทดสอบ (สูตร shell core) 4.2.1 สมการความสัมพันธ์ระหว่าง Shell core ของ Young’s modulus จากสมการของ Young’s modulus 𝐸= 𝜎 𝜀 𝐹 เมื่อ 𝜎= และ 𝜀= จะได้ 𝐸= หรือ 𝐹 = 𝐸𝐴𝜀 𝐴 ∆𝐿 𝐿 𝐹 𝐴𝜀 (4.1) (4.2) (4.3) (4.4) เมื่อพิจารณาแล้วแรงดึงที่ใช้ในการทดสอบ Tensile test จะมีค่าเท่ากับแรงดึงที่ใช้ใน Core และ Shell มารวมกันเมื่อจัดรูปใหม่ จะได้ดังสมการ (4.5) ดังนั้น 𝐹𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐹𝑆ℎ𝑒𝑙𝑙 + 𝐹𝐶𝑜𝑟𝑒 (4.5) เมื่อทาการแทนด้วยสมการที่ (4.4) จะได้ 𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝜀 = 𝐸𝑆ℎ𝑒𝑙𝑙 𝐴𝑆ℎ𝑒𝑙𝑙 𝜀 + 𝐸𝐶𝑜𝑟𝑒 𝐴𝐶𝑜𝑟𝑒 𝜀 เมื่อ 𝜀𝑆ℎ𝑒𝑙𝑙 = 𝜀𝐶𝑜𝑟𝑒 = 𝜀 จะได้ (4.6) 𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐴 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐸𝑆ℎ𝑒𝑙𝑙 𝐴𝑆ℎ𝑒𝑙𝑙 + 𝐸𝐶𝑜𝑟𝑒 𝐴𝐶𝑜𝑟𝑒 (4.7) เมื่อ แทนค่า 𝐸𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (Young’s Modulus รวม), 𝐴 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 (พื้นที่ห น้าตัดรวม), 𝐴𝑆ℎ𝑒𝑙𝑙 (พื้นที่หน้าตัดของ Shell), และ 𝐴𝐶𝑜𝑟𝑒 (พื้นที่หน้าตัดของ Core) โดยนาค่าเฉลี่ยของ Young’s Modulus ของชิ้นงานแต่ละชิ้น Plane ที่ 0 และ 90 องศามาแทน Plane V0 และ H0 𝐸𝑆ℎ𝑒𝑙𝑙 = 1521.55 𝑀𝑃𝑎, 𝐸𝐶𝑜𝑟𝑒 = 811.089 𝑀𝑃𝑎 Plane V0 และ H90 𝐸𝑆ℎ𝑒𝑙𝑙 = 1458.45 𝑀𝑃𝑎, 𝐸𝐶𝑜𝑟𝑒 = 883.2 𝑀𝑃𝑎 จะพบว่าทั้ง Shell และ Core พฤติกรรมที่เหมือนกัน หรือเป็นแบบ Isotropic 49 4.2.2 ความสัมพันธ์ระหว่างค่า Young’s Modulus กับความเร็วในการทดสอบ ตารางที่ 4.4 ผลการทดสอบแรงดึงของแต่ละมุมของ 3 mm infill 30 % speed test PETG Filament at 0 Degrees (3 mm infill 30 % speed test) Plane Set H 1 2 3 Average Average YM / Weight (new) A 1 2 3 Average Average YM / Weight (new) 10 mm/min Young’s Modulus Ultimate Strength (MPa) (MPa) 100 mm/min Young’s Modulus Ultimate Strength (MPa) (MPa) Phase 1 Phase 2 Phase 1 Phase 2 Phase 1 Phase 2 Phase 1 Phase 2 1147.05 1077.10 23.61 1194.10 1189.30 1153.50 160.21 22.55 23.65 23.57 23.26 1191.00 1128.00 26.85 1165.50 1163.50 1152.33 1260.05 24.23 26.41 27.30 25.98 1511.50 1445.00 33.18 1572.30 1335.40 1450.90 201.51 31.96 33.46 34.07 33.16 1520.75 1332.60 34.69 1329.1 1329.6 1330.43 184.78 37.15 36.59 36.05 35.60 PETG Filament at 45 Degrees (3 mm infill 30 % speed test) Plane Set 1 V 2 3 Average Average YM / Weight 10 mm/min Young’s Modulus Ultimate Strength (MPa) (MPa) 1150.30 20.40 1136.30 24.68 1183.80 24.76 1156.80 23.28 160.67 50 100 mm/min Young’s Modulus Ultimate Strength (MPa) (MPa) 1175.50 23.66 1131.50 22.45 1195.40 28.68 1167.47 24.93 162.15 PETG Filament at 90 Degrees (3 mm infill 30 % speed test) Plane Set 10 mm/min Young’s Modulus Ultimate Strength (MPa) (MPa) 100 mm/min Young’s Modulus Ultimate Strength (MPa) (MPa) Phase 1 Phase 2 Phase 1 Phase 2 Phase 1 Phase 2 Phase 1 Phase 2 A 1 2 3 Average Average YM / Weight (new) 1270.40 1397.60 13.66 1230.70 1395.50 1341.27 186.29 15.91 13.43 13.89 14.41 1363.85 1403.40 16.35 1360.20 1473.20 1412.27 196.15 25.19 28.63 19.84 23.98 4.2.3 ผลการทดสอบของชิ้นงานทดสอบของ 3 mm infill 30 % speed test ทิศทางการ พิมพ์ขึ้นรูปของแต่ละ Plane ของค่า Young’s Modulus จากการทดสอบในระยะที่ 1 พบว่าความเร็วส่งผลต่อค่า Young’s Modulus ที่ Strain rate ในช่วงที่แตกต่างกันผู้จัดทาจึงทาการทดลองเพิ่มเติมและได้ผลดังนี้ รูปที่ 4.9 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบ Speed test plane A0 51 รูปที่ 4.10 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบ Speed test plane A90 รูปที่ 4.11 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบ Speed test plane H0 52 รูปที่ 4.12 กราฟแสดงการเสียรูปชิ้นงานทดสอบ Speed test plane V45 เมื่อนามาแสดงผลในรูปแบบของกราฟเพื่อเปรียบเทียบระหว่าง Strain rate แต่ละค่า และ Young’s Modulus จะได้ รูปที่ 4.13 กราฟเปรียบเทียบ Strain rate ที่ Plane A90 ความเร็ว 1, 10 และ 100 มิลลิเมตรต่อนาที 53 รูปที่ 4.14 กราฟเปรียบเทียบ Strain rate ที่ Plane A0 ความเร็ว 1, 10 และ 100 มิลลิเมตรต่อนาที รูปที่ 4.15 กราฟเปรียบเทียบ Strain rate ที่ Plane V45 ความเร็ว 1, 10 และ 100 มิลลิเมตรต่อนาที 54 รูปที่ 4.16 กราฟเปรียบเทียบ Strain rate ที่ Plane V45 ความเร็ว 1, 10 และ 100 มิลลิเมตรต่อนาที จากการทดสอบพบว่า ความเร็วมีผลต่อพฤติกรรมของความค่า Young’s Modulus ดังนั้นการทดสอบจึงต้องมีการควบคุมความเร็วในการอัดแรงดันน้าเข้าสู่ท่อแต่เมื่อทาการทดสอบ แล้วปั๊มมือโยกไม่มารถที่จะควบคุมความเร็วให้คงที่ได้ เมื่อทาการทดสอบแล้วพบว่า Strain จะมี พฤติกรรมที่ใกล้เคียงค่า Strain Rate ที่ 10/วินาที 55 4.3 ผลการซิมมูเลชั่นของท่อ (pipe) จากการซิมมูเลชั่นของท่อเพื่อบริเวณที่เหมาะสมในการติด Strain Gage ขณะทดสอบ อัดแรงดันน้าซึ่งดูได้จากค่า Stress-Strain โดยสามารถดูบริเวณดูบริเวณที่มีโอกาสเริ่มแตกหัก เมื่อได้ แรงดันคือ แนว LE Max, LE22 และแนว S Max, S22 4.3.1 ผลการซิมมูเลชั่นของท่อเอลโบว์ (Elbow pipe) 90 องศา รูปที่ 4.17 ผลการซิมมูเลชั่น Strain ทิศทาง LE22, LE12 และ LE11 56 รูปที่ 4.18 ผลการซิมมูเลชั่น Stress ทิศทาง S22, S12, S11 และ S, Mises 57 4.3.2 ผลการซิมมูเลชั่นของท่อ 60 องศา รูปที่ 4.19 ผลการซิมมูเลชั่น Strain ทิศทาง LE22, LE12 และ LE11 58 รูปที่ 4.20 ผลการซิมมูเลชั่น Stress ทิศทาง S22, S12, S11 และ S, Mises 59 4.3.3 ผลการซิมมูเลชั่นของท่อสามทาง รูปที่ 4.21 ผลการซิมมูเลชั่น Strain ทิศทาง LE22, LE12 และ LE11 60 รูปที่ 4.22 ผลการซิมมูเลชั่น Stress ทิศทาง S22, S12, S11 และ S, Mises 61 4.4 ผลการทดสอบการอัดแรงดันของท่อ 4.4.1 การทดสอบการอัดแรงดันของท่อเบื้องต้น จากผลการทดสอบอัดแรงดันน้าของท่อ ที่ความหนา 3 มิลลิเมตร พบว่าท่อสามารถรับ แรงดันได้สูงสุด 30 bar ก่อนเกิดการแตก ซึ่งสูงกว่าค่ามาตรฐานมอก. 8.5 bar ที่ตั้งไว้ ถือว่าเป็น ผลที่ดี เมื่อเปรียบเทียบกับ ผล Simulation ใน Abaqus พบว่าบริเวณที่เกิดการแตกของการ ทดลองสอดคล้องกับบริเวณเดียวกันที่ค่า Stress-Strain แต่พบว่าบางชิ้นไม่เกิดการรั่ว และไม่ สามารถอัดแรงดันเข้าไปได้ ทาให้ไม่เกิดการเสียรูปหรือรอยแตก รูปที่ 4.23 รูปแบบการทดลองและการใช้อุปกรณ์ รูปที่ 4.24 การเสียรูปของท่อหลังจากทดสอบอัดแรงดันน้า 62 4.4.2 ผลการทดสอบของท่อพร้อมกับการติดตั้ง Strain gage รูปที่ 4.25 ผลเปรียบเทียบระหว่าง Pressure, Strain และ Time รูปที่ 4.26 กราฟการแสดงการเปรียบเทียบผลการทดสอบของการขึ้นแบบแนวนอน จากรูปที่ 4.26 พบว่าหลังจากทาการทดสอบค่า Pressure และ ค่า Strain มี ค่าไปในทิศทางเดียวกันดังรูป 63 รูปที่ 4.27 กราฟการแสดงการเปรียบเทียบผลการทดสอบของการขึ้นแบบแนวตั้ง จากรูปที่ 4.27 พบว่าหลังจากทาการทดสอบค่า Pressure และ ค่า Strain มี ค่าไปใน ทิศทางเดียวกัน ดังรูป รูปที่ 4.28 กราฟการแสดงการเปรียบเทียบผลการทดสอบของการขึ้นแบบแนวตั้ง จากรูปที่ 4.28 พบว่าหลังจากทาการทดสอบค่า Pressure และ ค่า Strain มี ค่าไปในทิศทางเดียวกัน ดังรูป 64 4.4.3 ผลการทดสอบของท่อเปรียบเทียบกับผลจากกการซิมมูเลชั่น ทาการซิมมูเลชั่นเพื่อเปรียบเทียบผล ซึ่งใช้ Material เป็น Isotropic โดยนาค่ามอดูลัส ของ (Young’s Modulus) มาจากการทดสอบแรงดึงที่ความเร็ว 10 มิลลิเมตรต่อนาที และแนว เปรียบเทียบโดยจะติด Strain gage ตามแนว Stress-Strain ที่ LE22 ดังรูปที่ 4.29 รูปที่ 4.29 ทิศทางในการติด Strain gage ตามแนว LE22 ซึ่งเมื่อนาผลจากการซิมมูเลชั่นมาเปรียบเทียบกั บผลการทดสอบของท่อ พบว่าผลที่ได้ คือ จากการขึ้นรูปของท่อในแนวนอน มีแนวโน้มที่เกาะกลุ่มและไปในทิศทางเดียวกัน ดังรูปที่ 4.30 รูปที่ 4.30 กราฟแนวโน้มการเปรียบเทียบผลจากซิมมูเลชั่นกับผลการทดสอบของท่อในการขึ้นแนวนอน 65 รูปที่ 4.31 กราฟแนวโน้มการเปรียบเทียบผลจากซิมมูเลชั่นกับผลการทดสอบของท่อในการขึ้นแนวตั้ง (T) รูปที่ 4.32 กราฟแนวโน้มการเปรียบเทียบผลจากซิมมูเลชั่นกับผลการทดสอบของท่อในการขึ้นแนวตั้ง (V) 66 บทที่ 5 สรุปผล 5.1 สรุปผลการทดสอบ จากการศึกษาและการประมาณพฤติกรรมเชิงกลของชิ้นงานจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ผลการ ทดสอบจากการทดสอบแรงดึง (Tensile Test) สามารถสรุปได้ดังนี้ 5.1.1 การพิมพ์ขึ้นรูป 3 มิติของชิ้นทดสอบในแต่ละแบบและแต่ละ Plane การพิมพ์ขึ้นรูป 3 มิติของชิ้นทดสอบใน Plane H และ V จะพิมพ์ขึ้นรูปทั้งหมด 3 มุม ได้แก่ 0, 45 และ 90 องศาด้วยโครงสร้างแบบ Line โดยทาการขึ้นรูป 3 แบบ ได้แก่ 1.) ชิ้นงานทดสอบ 3 mm infill 100% 2.) ชิ้นงานทดสอบ 3 mm infill 30% (heat annealing) 3.) ชิ้นงานทดสอบ 5 mm infill 30% หลังจากนั้นนาไปผ่านการทดสอบแรงดึง (Tensile Test) ซึ่งผลจากการทดสอบและการ วิเคราะห์พบว่าพฤติกรรมของชิ้นงานในช่วงก่อนเกิดการพังยังคงเป็นแบบ Isotropic ซึ่งหมายถึง วัสดุยังมีการตอบสนองต่อแรงดึงในทุกทิศทางอย่างสม่าเสมอ แต่เมื่อชิ้นงานได้รับแรงดึงจนถึงจุด พัง (Failure Point) พฤติกรรมของชิ้นงานเปลี่ยนเป็นแบบ Anisotropic โดยวัสดุเริ่มแสดง ลักษณะการพังที่แตกต่างกันในแต่ละทิศทาง 5.1.2 พฤติกรรมการเสียรูปของท่อ จากการทดสอบอัดแรงดันน้าของท่อ 90 องศาที่มีความหนา 3 มิลลิเมตร พบว่าการ ควบคุมอัตราการเพิ่มของแรงดันน้า (Pressure Rate) มีผลโดยตรงต่อพฤติกรรมทางกลของวัสดุ เนื่องจาก Young’s Modulus มีความไวต่ออัตราการเสียรูป (Strain Rate Sensitivity) ซึ่งส่งผล ต่อการวิเคราะห์ในเชิงพลศาสตร์ของวัสดุเพื่อให้การวิเคราะห์มีความแม่นยามากขึ้น จึงได้ทาการ ติดตัง้ Strain Gage บริเวณผิวท่อเพื่อบันทึกค่าการเสียรูปของวัสดุ ในขณะทาการทดสอบแรงดัน น้า พบว่า บริเวณที่เกิดการแตกของท่อมีตาแหน่งสอดคล้องกับบริเวณเดียวกับค่า Stress-Strain ตามที่ได้จากผลการจาลอง (Simulation) ในโปรแกรม Abaqus ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการจาลอง 67 สามารถทานายตาแหน่งที่อาจเกิดความเสียหายได้อย่างแม่นยา นอกจากนี้ ผลการวิเคราะห์ พฤติกรรมการเสีย รูป ของท่อจากการทดสอบจริ งยังแสดงให้เห็นว่า มีลักษณะการเสีย รู ป ที่ คล้ายคลึงกับพฤติกรรมของวัสดุที่ทดสอบภายใต้ Strain Rate ที่อัตราความเร็ว 10 มิลลิเมตรต่อ นาที ซึ่งบ่งชี้ว่าพฤติกรรมของวัสดุยังคงมีลักษณะเป็น Isotropic เช่นเดียวกับชิ้นงานทดสอบแรง ดึง จากผลการจาลองด้วย Abaqus พบว่าแนวโน้มของการเสียรูปของท่อ 90 องศา ที่ถูก พิมพ์ขึ้นรูปในแนวนอน (Horizontal Orientation) มีทิศทางของการเสียรูปไปในแนวเดียวกับผล การทดสอบจริง โดยจากการทดสอบพบว่าท่อสามารถรองรับแรงดันน้าได้สูงสุด 30 bar ก่อนเกิด การแตก ซึ่งสูงกว่าค่ามาตรฐานที่กาหนดไว้ที่ 8.5 bar ทาให้สามารถยืนยันได้ว่าท่อที่ผลิตขึ้นมี คุณสมบัติทางกลเพียงพอสาหรับการใช้งานภายใต้สภาวะความดันสูง 68 เอกสารอ้างอิง [1] เครื่องพิมพ์ 3 มิติ [Online], Available: https://www.print3dd.com/3d-printer/ [4 สิงหาคม 2567] [2] เครื่องพิมพ์ 3 มิติ คืออะไร และการทางานของ เครื่องพิมพ์ 3 มิติ [Online], Available: https://www.siamreprap.com/2021/11/what-is-3d-printer/ [4 สิงหาคม 2567] [3] Flashforge Guider iis [Online], Available: https://flashforge.com/products/flashforge-guider-2s [4 สิงหาคม 2567] [4] กระบวนการเติมเนื้อวัสดุ (Additive Process) [Online], Available: https://www.print3dd.com/what-is-additive-manufacturing/ [4 สิงหาคม 2567] [5] รูปแสดง Additive manufacturing technologies [Online], Available: https://www.rapiddirect.com/blog/additive-vs-subtractive-manufacturing/ [4 สิงหาคม 2567] [6] Additive Manufacturing อุตสาหกรรมการผลิตแบบเติมเนื้อ [Online], Available: https://www.applicadthai.com/articles/additive-manufacturing%E0%B8%AD%E0%B8%B8%E0%B8%95%E0%B8%AA%E0%B8%B2%E0%B8%AB %E0%B8%81%E0%B8%A3%E0%B8%A3%E0%B8%A1%E0%B8%81%E0%B8%B2 %E0%B8%A3%E0%B8%9C%E0%B8%A5%E0%B8%B4%E0%B8%95%E0%B9%81 %E0%B8%9A%E0%B8/ [5 สิงหาคม 2567] [7] ความรู้การใช้งาน เครื่องพิมพ์ 3 มิติ [Online], Available: https://www.septillion.co.th/%E0%B8%84%E0%B8%A7%E0%B8%B2%E0%B8%A 1%E0%B8%A3%E0%B8%B9%E0%B9%89%E0%B8%81%E0%B8%B2%E0%B8%A3 %E0%B9%83%E0%B8%8A%E0%B9%89%E0%B8%87%E0%B8%B2%E0%B8%99%E0%B9%80%E0%B8%84%E0%B8%A3%E0%B8%B7%E0%B9%88%E0%B8%AD %E0%B8%87%E0%B8%9E%E0%B8%B4%E0%B8%A1%E0%B8%9E%E0%B9%8C3 %E0%B8%A1%E0%B8%B4%E0%B8%95%E0%B8%B4/ [5 สิงหาคม 2567] 69 [8] FDM 3D Printer [Online] Available: https://www.print3dd.com/what-is-fdm-3dprinter-2024/ [4 สิงหาคม 2567] [9] การทดสอบแรงดึง (Tensile Testing) [Online] Available: http://old-book.ru.ac.th/ebook/m/MY318(51)/MY318-6.pdf [4 สิงหาคม 2567] [10] สเตรนเกจ (Strain gauge) [Online] Available: https://www.foodnetworksolution.com/wiki/word/3011/strain-gauge%E0%B8%AA%E0%B9%80%E0%B8%95%E0%B8%A3%E0%B8%99%E0%B9%80%E 0%B8%81%E0%B8%88 [4 สิงหาคม 2567] [11] สเตรนเกจ (Strain gauge) [Online] Available: https://www.biomed.in.th/straingauge-piezoelectric-accelerometer-in-medical-engineering/ [4 สิงหาคม 2567] [12] สเตรนเกจ (Strain gauge) [Online] Available: https://product.kyowa-ei.com/en/learn/strain-gages [8 สิงหาคม 2567] [13] โครงสร้างสเตรนเกจ (Strain gauge) [Online] Available: https://www.ie.co.th/tmlfra-strain-gauge.html [8 สิงหาคม 2567] [14] หลักการของสเตรนเกจ (Strain gauge principles) [Online] Available: https://tml.jp/e/knowledge/strain_gauge/about.html [8 สิงหาคม 2567] [15] วิธีการเลือกใช้เส้น Filament หรือเส้นพลาสติกสาหรับเครื่องพิมพ์ 3D Printer [Online] Available: https://www.siamreprap.com/2020/01/how-to-select-3d-filament-for3d-printer/ [4 สิงหาคม 2567] [16] PETG Filament [Online] Available: https://mgchemicals.com/products/discontinued-products/petg-filament/ [8 สิงหาคม 2567] [17] ขนาดชิ้นส่วนทดสอบตามมาตราฐาน ASTM D638 [Online] Available: https://idminstruments.com.au/th/testing-instruments/products/cutting-dies-toolsteel.html?t=1723737345 [8 สิงหาคม 2567] 70 [18] ท่อน้าจากเครื่องพิมพ์สามมิติช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในงานประกอบท่อน้า [Online] Available: https://www.print3dd.com/pipe-connector-from-3d-printer/ [16 สิงหาคม 2567] [19] เอลโบว์ (Elbow pipe) ขนาด 4 และ ท่อข้อต่อสามทาง ขนาด 4 หุน [Online] Available: https://www.onestockhome.com/th/products/71617380/elbow-90-ws-b-scg-pvc12-inch_elbow-1-2-inch_scg-pipes_scg [9 สิงหาคม 2567] [20] เครื่องเทสปั๊มมือโยก 50 บาร์ รุ่น KYOWA T-508 [Online] Available: https://www.europa.co.th/th [9 สิงหาคม 2567] [21] การอบ Heat Annealing [Online] Available: https://www.sync-innovation.com/3d-printing-materials/heat-annealing-plastic/ [25 ตุลาคม 2567] [22] มาตรฐาน มอก. [Online] Available: https://www.tisi.go.th/data/standard/fulltext/TIS-17-2532m.pdf [25 ตุลาคม 2567] 71 ภาคผนวก รูปที่ 1 พูดคุยและวางแผนแนวทางในการดาเนินโครงงานในระยะที่ 2 (9 กรกฎาคม 2567) รูปที่ 2 รูปแบบการพิมพ์ชิ้นงานทดสอบในแต่ละ Plane (16 กรกฎาคม 2567) 72 รูปที่ 3 ออกแบบการทดสอบเครื่องอัดแรงดันน้า (9 สิงหาคม 2567) รูปที่ 4 ศึกษาการใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติและเลือกรูปแบบการพิมพ์ชิ้นงานทดสอบ (23 สิงหาคม 2567) 73 รูปที่ 5 ตัวอย่างการพิมพ์ชิ้นงานทดสอบในแต่ละ Plane V (4 กันยายน 2567) รูปที่ 6 ตัวอย่างการพิมพ์ชิ้นงานทดสอบในแต่ละ Plane H (7 ตุลาคม 2567) 74 รูปที่ 7 ศึกษาการใช้โปรแกรมที่เกี่ยวของ (FEA Abaqus) (18 ตุลาคม 2567) รูปที่ 8 ศึกษาการทดสอบชิ้นงานทดสอบ จากเครื่อง Tensile Test (18 ตุลาคม 2567) 75 รูปที่ 9 ทดสอบชิ้นงานทดสอบพร้อมติดตั้ง Extensometer (20 ตุลาคม 2567) รูปที่ 10 ตัวอย่างการแตกของชิ้นงานทดสอบหลังจากการทดสอบแรงดึง (20 ตุลาคม 2567) 76 รูปที่ 11 ตัวอย่างชิ้นงานทดสอบหลังพิมพ์ขึ้นรูปจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ (24 ตุลาคม 2567) รูปที่ 12 นาชิ้นงานทดสอบไปทาการ heat annealing (19 ธันวาคม 2567) 77 รูปที่ 13 ตัวอย่างชิ้นงานหลังจากทดสอบแรงดึงของ Plane V (heat annealing) (8 มกราคม 2568) รูปที่ 13 ตัวอย่างชิ้นงานหลังจากทดสอบแรงดึงของ Plane H (heat annealing) (8 มกราคม 2568) 78 รูปที่ 14 ตัวอย่างชิ้นงานหลังจากทดสอบแรงดึงของ Plane V ความหนา 5 mm (8 มกราคม 2568) รูปที่ 15 ตัวอย่างชิ้นงานหลังจากทดสอบแรงดึงของ Plane H ความหนา 5 mm (8 มกราคม 2568) 79 รูปที่ 16 ตัวอย่างชิ้นงานหลังจากทดสอบแรงดึงของ Plane V ความหนา 3 mm การเติมเนื้อที่ 100 % (8 มกราคม 2568) รูปที่ 17 ตัวอย่างชิ้นงานหลังจากทดสอบแรงดึงของ Plane H ความหนา 3 mm การเติมเนื้อที่ 100 % (8 มกราคม 2568) 80 รูปที่ 18 ตัวอย่างชิ้นงานหลังจากทดสอบแรงดึงของ Plane A0 ความเร็วที่ 10 และ 100 (15 มกราคม 2568) รูปที่ 19 ตัวอย่างชิ้นงานหลังจากทดสอบแรงดึงของ Plane H0 ความเร็วที่ 10 และ 100 (15 มกราคม 2568) 81 รูปที่ 20 ตัวอย่างชิ้นงานหลังจากทดสอบแรงดึงของ Plane A90 ความเร็วที่ 10 และ 100 (15 มกราคม 2568) รูปที่ 21 ตัวอย่างชิ้นงานหลังจากทดสอบแรงดึงของ Plane V45 ความเร็วที่ 10 และ 100 (15 มกราคม 2568) 82 รูปที่ 22 ขึ้นรูปท่อจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ (17 มกราคม 2568) รูปที่ 23 ตัวอย่างชิ้นงานท่อที่ขึ้นรูปจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ (17 มกราคม 2568) 83 รูปที่ 24 ติดตั้งท่อ 90 องศา เข้ากับเครื่องทดสอบอัดแรงดันน้า (22 มกราคม 2568) รูปที่ 25 ท่อ 90 องศา หลังทดสอบกับเครื่องทดสอบอัดแรงดันน้า (22 มกราคม 2568) 84 รูปที่ 26 บริเวณรั่วซึมของท่อ 90 องศา หลังทดสอบกับเครื่องทดสอบอัดแรงดันน้า (22 มกราคม 2568) รูปที่ 27 หาแนวในการติดตั้ง Strain gage บนท่อ (25 กุมภาพันธ์ 2568) 85 รูปที่ 27 หลังติดตั้ง Strain gage ลงบนท่อ (25 กุมภาพันธ์ 2568) รูปที่ 28 ทาทดสอบจริง (6 มีนาคม 2568) 86 รูปที่ 29 จัดเตรียมอุปกรณ์ก่อนที่จะทาการทดสอบอัดแรงดันน้า (6 มีนาคม 2568) รูปที่ 30 ทาการทดสอบจริงพร้อมกับการติด Strain gage (6 มีนาคม 2568) 87 รูปที่ 31 ตัวอย่างการเสียรูปของท่อ 90 องศา (6 มีนาคม 2568) รูปที่ 32 ตัวอย่างการเสียรูปของท่อ 90 องศา (6 มีนาคม 2568) 88 รูปที่ 33 ตัวอย่างการเสียรูปของท่อ 90 องศา (6 มีนาคม 2568) 89

Abstract

3D printing technology is becoming more popular because it can efficiently create complex shapes. However, the mechanical properties of 3D-printed parts depend on factors such as printing direction and internal structure. This study focuses on analyzing the mechanical behavior of 3D-printed parts made from PETG using a Flashforge Guider IIs printer. The research is divided into two main parts. The first part involves tensile testing, where the thickness and infill percentage of the specimens are varied to s tudy their effects. Additionally, tube-shaped specimens are tested under internal pressure to observe failure behavior. The second part uses Abaqus software to simulate mechanical behavior and compare the results with experimental data. The tensile test results show that the Shell and Core layers behave isotropic. However, due to differences in the Shellto-Core ratio, the overall behavior of the printed parts can be either orthotropic or isotropic, depending on the printing direction. The pipe behavior in the simulation was compare with experiments tests, the results were well-matched and had similar trends. ค

อ้างอิงผลงานนี้ / Cite this

รหัสโปรเจค

AM-2566-006

ชื่อเรื่อง

การประมาณพฤติกรรมเชิงกลของชิ้นส่วนจากเครื่องพิมพ์ 3 มิติ / Estimation of mechanical behavior of 3D printed parts

ผู้จัดทำ

ณัฐกร บำรุงศรี, วงศ์สุดา วงศ์จันทร์, ฐิติพร สุธาทิพยะรัตน์, ชญานนท์ ศิริสวัสดิ์

อาจารย์ที่ปรึกษา

ผศ.ดร.บารมี ปัทมพรหม

ปีการศึกษา

2566 (C.E. 2023)

หน่วยงาน

ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและการบิน-อวกาศ (MAE) มจพ.

URL

https://maeconnect.eng.kmutnb.ac.th/projects/cmoi28k1t004c8hyrp5uvgadu