เจาะลึกระบบ Extruder หรือตัวดันเส้นพลาสติกของเครื่องปริ้น 3D Printer แบบ FDM

ใครที่กำลังมองหาหรือกำลังจะซื้อ เครื่องพิมพ์ 3 มิติระบบ FDM (ฉีดพลาสติก) ตัวแรกไปใช้งานอยู่ ก่อนที่จะตัดสินใจซื้อ ผมอยากให้พิจารณาเรื่อง ระบบขับเส้นพลาสติก หรือชุด Extruder เพื่อช่วยในการประกอบการตัดสินใจร่วมด้วย เพราะว่า Extruder มีผลทั้งคุณภาพชิ้นงาน และ ข้อจำกัดด้านวัสดุที่ใช้พิมพ์ ดังนั้น ควรเลือกให้เหมาะกับงานที่จะเอาไปใช้ด้วย

Extruder หรือชุดดันเส้นของ 3D Printer ระบบ FDM จะมีให้เลือกอยู่ 2 ระบบด้วยกัน คือ Direct Drive และ Bowden ซึ่งทั้ง 2 ระบบนั้นมีหลักการทำงานเหมือนกันคือ มีเฟืองดันเส้นพลาสติก(Filament) เข้าไปในหัวฉีด(Hotend) ที่ร้อนเพื่อหลอมละลายพลาสติกให้ ออกมาเป็นเส้นตามขนาดรูหัวฉีด เพื่อขึ้นรูปชิ้นงานที่ละชั้นๆ

หัวฉีดแบบ Direct Drive กับ Bowden ต่างกันยังไง ?

แต่ความแตกต่างของทั้ง 2 ระบบคือ ระบบ Direct Drive จะมี “เฟืองขับเส้นอยู่ติดกับหัวฉีด ดันเส้นเข้าหัวฉีดโดยตรง” ในขณะที่ ระบบ Bowden จะมี “เฟืองขับเส้นอยู่คนละจุด ดันเส้นพลาสติกผ่านท่อไปที่หัวฉีด” แต่ละแบบมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันดังนี้

ระบบ Direct Drive

สำหรับระบบ Direct Drive ถ้าจะให้สังเกตุก็ให้ดูตรงที่ด้านบนของหัวฉีด จะต้องมีมอเตอร์ดันเส้นวางอยู่ ซึ่งตัวมอเตอร์จะเป็นตัวที่คอยดันเส้นพลาสติกลงไปที่หัวฉีด ระบบ Direct Drive ถ้าเครื่องที่ออกแบบมาได้ดี โอกาสที่เส้นพลาสติกตัน จะน้อยมาก หรือแถบไม่มีเลย เพราะกำลังที่ใช้ส่งเส้นพลาสติกลงไปที่หัวฉีดนั้น จะใช้แรงส่งน้อยกว่า แถมระยะทางจากชุดดันเส้นพลาสติกจนถึงหัวฉีดก็น้อย  

แต่จุดอ่อนของระบบ Direct Drive นั้นก็มีเหมือนกัน ซึ่งจะเป็นเรื่องของน้ำหนักของหัวพิมพ์ และความเร็วในการพิมพ์ ที่จะพิมพ์เร็วมากไม่ได้ เพราะถ้าพิมพ์เร็วมาก ก็จะเกิดแรงเฉื่อย ในช่วงที่มีการเปลี่ยนทิศทาง และจะส่งผลไปที่ตัวชิ้นงานทำให้เกิดเป็นรอยคลื่น ปรากฎออกมาที่ผิวงาน  

ข้อดีของ Extruder ระบบ Direct Drive

• มี Retraction ที่ดีกว่า : แน่นอนว่าเมื่อตัวขับเส้นอยู่ใกล้หัวฉีด เวลาดึงเส้นพลาสติกเข้า-ออก ระยะทางในการดึงจะสั้นกว่า (โดยปกติระบบ Direct Drive จะมีค่า Retration อยู่ระหว่าง 0.3 – 1 มิลลิเมตร) และแม่นยำกว่าระบบ Bowden ส่งผลให้เกิดเส้นใย หรือใยแมงมุม (Ooz) ในงานน้อยกว่าระบบ Bowden ทำให้ไม่ต้องมานั่งเสียเวลา เอาใยพลาสติกออกจากงาน
• ใช้วัสดุได้หลากหลาย : ด้วยลักษณะที่ดันเส้นเข้าไปในหัวฉีดโดยตรงไม่ต้องผ่านท่อ ทำให้เครื่องปริ้น 3 มิติระบบนี้สามารถพิมพ์วัสดุที่หยืดหยุ่นได้อย่างเส้นพลาสติก TPU หรือเส้นยาง ได้โดยไม่มีปัญหาเรื่อง Retraction และยังสามารถพิมพ์วัสดุผสม Composite อย่างเช่นพวก Carbon Fiber, Woodfill, Metalfill, ฯลฯ หรือเส้นที่มีผิวสากหรือหยาบได้ดีกว่า เพราะเส้นไม่ไปเบียดในท่อซึ่งและทิ้งเศษค้างเอาไว้ ซึ่งถ้าเป็นแบบ Bowden เส้นพวกนี้ จะมีความฝืด ทำให้ดันผ่านท่อได้ยากกว่าเส้นพลาสติกแบบทั่วๆไป  
• โอกาสที่เส้นพลาสติกหักหระว่างพิมพ์น้อยกว่า : เส้นพลาสติก(Filament) ที่ไม่ได้ใช้นานๆหรือเก็บรักษาไม่ดี มีโอกาสเส้นหักระหว่างพิมพ์ได้ เพราะความชื่นที่อยู่ในเส้น ซึ่งถ้าใช้ระบบดันเส้นแบบ Direct Drive ซึ่งมีระยะทางระหว่างเฟืองขับกับหัวฉีดน้อย ทำให้โอกาสเส้นหักระหว่างทางน้อยกว่าระบบ Bowden
• หัวฉีดตันยากกว่า: ข้อดีอีกอย่างของ Extruder ที่ใช้ Direct Drive นั้นก็คือ หัวฉีดจะตันยากกว่า เพราะค่า Retraction น้อยกว่า ทำให้การดึงเส้นมีความแม่นยำ พลาสติกจะไม่ถูกดึงจนพ้นระยะ Cold Zone ในหัวฉีด ทำให้หัวฉีดไม่ตัน ซึ่งต่างจากระบบ Bowder ที่จะเป็นลักษณะ ได้อย่างเสียอย่าง ซึ่งเดี่ยวจะอธิบายในส่วนของข้อเสียของระบบ ฺBowden ว่าเป็นอย่างไร 

ข้อเสียของ Extruder ระบบ Direct Drive

• ผิวงานเป็นคลื่นสั่น : เนื่องจากระบบ Extruder แบบ Direct Drive นั้นหัวฉีดต้องมีการแบบรับน้ำหนักของมอเตอร์ดันเส้น ทำให้เวลาพิมพ์งานหรือมีการเคลื่อนที่ ในความเร็วที่สูง หรือพิมพ์งานที่มีมุมแหลมจะเกิดแรงเหวี่ยง และแรงเฉื่อย ทำให้เห็นเป็นคลื่นๆบนชิ้นงาน ทำให้ต้องลดความเร็วในการพิมพ์ลงเพื่อลดแรงเหวี่ยงที่เกิดขึ้น
• ซ่อมแซมลำบาก : เนื่องจากระบบ Direct Drive มี Extruder และ Hotend ติดกัน ทำให้เวลารื้อเพื่อซ่อมจะต้องรื้อทั้งชุด ทำให้ผู้ที่ไม่มีทักษะด้านช่างทำงานค่อนข้างลำบาก

ระบบ Bowden Drive

ในส่วนของ Bowden Drive ถ้าให้สังเกตุกัน ก็ให้ดูว่าที่หัวฉีดนั้น มีท่อเสียบอยู่ที่หัวฉีดหรือเปล่า ถ้ามีก็แปลว่าเครื่องรุ่นนี่ใช้ระบบดันเส้นแบบ Bowden ถ้าเอาให้แน่ใจ ก็ลองไล่ท่อที่ติดหัวฉีดไปดูที่ปลายอีกด้านนึง ว่ามีมอเตอร์อยู่ที่ปลายท่อหรือเปล่า ถ้ามีก็ฟันธงได้เลย ว่าใช้ระบบ Bowden ซึ่งระบบ Bowden นั้นก็จะมีข้อดีและข้อเสียในหลายๆด้าน

ข้อดีของ Extruder ระบบ Bowden Drive

• พิมพ์ได้เร็ว : ระบบนี้ Extruder หรือมอเตอร์ที่ใช้ดันเส้นพลาสติกจะถูกยึดติดกับโครงของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ไม่ได้ตั้งอยู่บนหัวฉีด ทำให้หัวฉีดไม่ต้องบรรทุกน้ำหนักของมอเตอร์ ส่งผลให้หัวฉีดมีน้ำหนักเบา เคลื่อนที่หรือปริ้นได้เร็วกว่าระบบ Direct Drive นอกจากนั้น ผิวชิ้นงานจะเรียบและเนียน ไม่มีผิวลูกคลื่นหรือ Ghost ให้เห็น หรือถ้ามี ก็จะน้อยกว่าระบบ Direct Drive  
• พื้นที่พิมพ์ใหญ่ขึ้น : ในมุมของชาว Maker หรือนักสร้าง ที่ต้องการโมดิฟาย ปรับแต่งเครื่องหรือสร้างเครื่องพิมพ์ 3 มิติเอง การลดขนาดของหัวฉีดลง มักจะทำให้หัวฉีดมีพื้นที่ให้วิ่งได้มากขึ้น นั่นทำให้ได้พื้นที่ในการพิมพ์ที่มากขึ้นเช่นกัน 
• ดูแลรักษาและซ่อมง่าย: สำหรับการซ่อมแซมนั้น ระบบ Bowder จะทำได้ง่ายกว่า เพราะอยู่ในตำแหน่งที่ห่างกัน ไม่จำเป็นต้องรื้อออกมาทั้งหมด เพื่อทำการซ่อมแซม เวลาเปลี่ยนหัวฉีดทองเหลือง ก็จะง่ายกว่าระบบ Direct Drive รวมไปถึงการทำความสะอาดฟันเฟืองทีเอาไว้ดันเส้นพลาสติก ก็จะทำได้ง่ายกว่า

ข้อเสียของ Extruder ระบบ Bowden Drive

• มีข้อจำกัดด้านพลาสติกที่ใช้ : Extruder ระบบ Bowden มักจะพิมพ์พลาสติกที่ยืดหยุ่นอย่าง TPU ไม่ค่อยจะได้ หรือไม่สำเร็จ โดยเฉพาะโมเดล 3 มิติ ที่มีความซับซ้อนสูง มีจุดกระโดดไปมา หรือ Retraction เยอะ ทำให้โอกาสพิมพ์งานเสียหรือหัวฉีดตันยิ่งสูง 
• ชิ้นงานมีเส้นใย(Ooz) : เนื่องจากระยะทางระหว่างเฟืองขับเส้นและหัวฉีดอยู่ห่างกัน ทำให้ Retraction หรือ การดึงเส้นเพื่อย้ายจุดพิมพ์แต่ละครั้ง อาจจะดูดเส้นที่ปลายหัวฉีดกลับมาไม่หมด จนเกิดเป็นเส้นใยแมงมุม พาดไปมาบนชิ้นงานได้ ทำให้เสียเวลาต้องมานั่งทำเก็บเศษใยเหล่านี้ หลังจากพิมพ์งานเสร็จ 
• โอกาสหัวฉีดตันมีมากกว่า: สำหรับ Bowden Drive นั้นจะใช้ท่อเป็นตัวช่วยในการส่งเส้นพลาสติกไปที่หัวฉีด ซึ่งปัญหาส่วนใหญ่ที่เจอก็คือ ตัวเส้นพลาสติกจะถูกดันไปชนผนังของท่อ ซึ่งขนาดด้านในท่อส่วนใหญ่จะใหญ่กว่าขนาดของเส้นพลาสติก ทำให้มีช่องว่างระหว่างเส้นและท่อ ทำให้เส้นพลาสติกดิ้นได้ ซึ่งถ้าท่อที่ถูกต่อจาก Extruder ไปที่หัวฉีด มีความโค้งและยาวมากเท่าไหร่ ก็จะทำให้การดันเส้นพลาสติกไปที่หัวฉีดเป็นเรื่องยาก เพราะต้องใช้แรงในการดันให้เส้นเบียดผนังของท่อผ่านลงไปที่หัวฉีด ซึ่งเหตุผลนี้ทำให้ระยะการดึงเส้น หรือ Retraction ต้องตั้งให้มากกว่าระบบ Direct Drive ซึ่งส่วนใหญ่จะอยู่ตั้งแต่ 5 มิลลิเมตรขึ้นไป ยิ่งท่อยาว ตัวเลขในการดึงก็ต้องเยอะขึ้น ซึ่งปัญหาก็คือ การดีงเส้นกลับไปมาของระบบ Bowden จะไม่ค่อยมีความแม่นยำเหมือนระบบ Direct Drive เพราะมีช่องว่างในท่อ ที่ทำให้เส้นพลาสติกดิ้นไปมาได้ ทำให้บางครั้งการดึงเส้นกลับ เลยมาถึงช่วง Cold Zone ของหัวฉีด ทำให้เส้นพลาสติกแข็ง และดันลงกลับไปไม่ได้ ทำให้หัวฉีดตัน

บทสรุปเลือกอะไรดีระหว่าง Direct หรือ Bowden

อ่านมาถึงตรงนี้ ผมว่าหลายๆคนอาจจะได้คำตอบแล้ว ซึ่งส่วนตัวผมแนะนำถ้าเลือกได้ ให้เลือกเครื่องปริ้น 3 มิติที่เป็นแบบ Direct Drive เพราะจะมีปัญหาน้อยกว่าในหลายๆเรื่อง เช่น หัวฉีดตันยากกว่า รวมไปถึงเส้นใยพลาสติกหรือใยแมงมุม จะเกิดน้อยกว่า รวมไปถึงพิมพ์พลาสติกได้หลากชนิดมากกว่า แต่ต้องแลกมาด้วยผิวงานที่อาจจะเห็นเป็นคลื่น เพราะน้ำหนักของหัวฉีดที่มีมากกว่าระบบ Bowden

แต่เท่าที่ผมทราบมาว่า ส่วนใหญ่เครื่องปริ้นที่เป็นระบบ Direct Drive นั้นจะมีราคาเครื่องที่แพงกว่าระบบ Bowden อยู่พอสมควร ซึ่งถ้าคนที่มีงบไม่มาก ระบบ Extruder แบบ Bowden ก็ยังถือว่าเป็นตัวเลือกที่โอเค แต่อาจจะต้องมาเรียนรู้และตั้งค่าการพิมพ์ เพื่อลดใยพลาสติก หรือใยแมงมุมที่อาจจะเกิดได้บนชิ้นงาน แต่นั้นก็ไม่ได้เป็นปัญหาใหญ่ซักเท่าไหร่ ซึ่งสามารถแก้ได้โดยการเปลี่ยนตัวเลขในโปรแกรม หรือไม่ก็ซื้อท่อพิเศษอย่าง Capricorn ซึ่งเป็นท่อที่มีขนาดด้านในเกือบจะพอดีกับเส้นพลาสติก ทำให้ช่องว่างด้านในท่อกับพลาสติก แคบลง เส้นพลาสติกก็จะไม่มีที่ให้ดิ้นไปมา ทำให้เส้นใยลดน้อยลง โดยใช้ค่า Retraction เท่าเดิม   

ในส่วนเครื่องที่ใช้ระบบ Direct Drive ที่มีทางร้านขายในตอนนี้ ก็จะมีประมาณนี้

• Original Prusa MK3S+ ราคา 49,000 บาท
• Raise3D ราคาเริ่มต้น 135,000 บาท
• Snapmaker ราคาเริ่มต้น 59,000 บาท
• Artillery Sidewinder X2 ราคา 16,900 บาท
• Artillery Genius Pro ราคา 12,900 บาท

สำหรับเครื่องปริ้น 3D ที่ใช้ระบบ Bowden Drive ที่มีจำหน่ายในร้าน มีดังนี้

• Original Prusa Mini+ ราคา 21,900 บาท
• Sindoh 3DWOX1 ราคา 55,000 บาท
• Artillery Hornet ราคา 7,690 บาท

ใครที่สนใจ หรืออยากหาซื้อเครื่องพิมพ์ 3 มิติมาใช้ สามารถเข้ามาเยี่ยมชม และดูการทำงานของเครื่องได้เลยนะครับ ที่ร้านมีเครื่องให้ดูทุกรุ่น สามารถติดต่อ นัดหมายได้ที่เบอร์ 089-8160651