נושא הבלוג

קצת קשה לדחוס יותר מ- 20 שנות נסיון עם תיב"ם מכני תלת ממדי יחד עם עוד כמה שנות נסיון בהדפסה תלת ממדית לתוך בלוג אחד. אבל, זה כייף לנסות.
הבלוג מיועד למקצוענים ולחובבים ב 3D CAD וב 3D Printing למי שרוצה ללמוד ולהבין יותר על הטכנולוגיה ועל החידושים בתחום. אשמח לתגובות ולשיתוף.

יום שלישי, 30 בינואר 2018

קצת סדר בשיטות הדפסה בתלת ממד

מודל המודפס ברובוט ריתוך (NGV Melbourne)
האם יש הגיון בלכתוב מסמך במעבד תמלילים ובמקום להדפיס אותו לקחת דף חלק ולהעתיק את הכתוב מהמסך לניר בכתב יד? אני חייב להודות שיש מספר יתרונות לשיטה זו למשל, ניתן להשתמש בבודק איות ולהעתיק לדף ללא שגיאות כתיב ואז לתת פרנסה לאנשי הפסבו מדע הקרוי גרפולוגיה שישמחו לנתח את כתב היד ולהסיק שקר כל שהוא על הכותב. תוכנת תלת ממד היא מעבד התמלילים של המהנדס ומכיוון שלא נמצאו המומחים היכולים לנתח את אופיו וכישוריו החברתיים של המהנדס רק מלבחון איך הוא מנסר, מרתך או קודח, אין כל סיבה שלא להדפיס מהמחשב ישירות מודל תלת ממדי מתי שרק אפשר. אבל, הדפסה תלת ממדית הוא שם כללי למספר רב של שיטות ייצור שהמשותף לכולן הוא הייצור בעזרת הוספת חומר והדרישה לקובץ תלת ממדי. המספר הרב של שיטות ייצור, מיגוון החומרים ויצרני מדפסות יכול מאוד לבלבל ולרפות את ידיו של המדפיס הפוטנציאלי.
הפוסט הבא סוקר את רוב שיטות הייצור המקובלות היום בתחום הייצור בהדפסה תלת ממדית, או בשמו המקצועי יותר  ייצור מוסף (additive manufactoring), ויכול לעזור להבין טוב יותר את התחום.

* הפוסט הוא עדכון לפוסט קודם שפורסם בינואר 2014 



לפני שמתעמקים בשיטות ההדפסה, כדאי להכיר את צרוף האותיות  STL המתייחס לפורמט קובץ מחשב.   STL הוא הפורמט הסטנדרטי שמלווה את התעשייה משנת 1986 והוא המכנה המשותף  בין כל תוכנות התלת ממד למכונות ההדפסה. הפורמט פותח ע"י 3D Systems, יצרן המדפסות הראשון ואחד הגדולים כיום והוא מכונה על שם שיטת ההדפסה הראשונה -  Stereolithography . הקובץ הוא תיאור תלת ממדי של המודל בעזרת פוליגונים (משולשים) תלת ממדיים. גודל הקובץ ואיכות ההדפסה נקבעים על פי צפיפות הפוליגונים. יותר צפוף - יותר מדויק. פורמט  ה STL הוא מיושן. הקבצים מנופחים, קשה לבצע בהם שינויים, המידע שהם שומרים הוא חלקי ואיננו כולל צבע. אבל, נכון לעכשיו זה הפורמט הסטנדרטי היחידי שכל תוכנת תלת ממד יודעת לשמור וכל תוכנת מדפסת לקרוא. בשנים האחרונות יש נסיונות לקדם פורמט חדש ומתקדם יותר בשם AMF

טכנולוגיות הדפסה תלת ממדית 


מודל SLA שקוף ממדפסת    3d systems iPro
SLA -   סטראוליטוגראפי (stereolithography) שיטת ההדפסה המסחרית והוותיקה ביותר הנמצאת בשימוש כבר 25  שנים. ב SLA חומר הגלם הוא נוזל (resin)  צמיג מסוג פוטופולימר ,  חומר פלסטי (פולימר) ההופך למוצק בחשיפה לאור . בשיטת  SLA משתמשים בקרן לייזר כדי למצק את הפוטופולימר שיכבה אחר שיכבה. התוצאה המתקבלת היא של מודל מאוד מדויק ובעל פרטים ברורים מחומר גלם תרמוסטי . בשיטה זו ניתן לקבל חלקים ברמת שקיפות יפה או מודלים גמישים אבל התכונות המכניות של המודל אינן טובות והוא מושפע לאורך זמן מתנאי הסביבה כגון לחות, חום או אור.  ב SLA משתמשים בעיקר לפרוטוטייפ וגם ברפואת השיניים ואביזרי שמיעה. 
עם השנים התפתחו מספר שיטות נוספות במקביל ל SLA : 
  • DLP - שימוש במקרן אור מסוג DLP במקום הלייזר לפילמור (מיצוק) הנוזל שיכבה אחר שיכבה על ידי הקרנת אימג' דו ממדי בוהק על שכבת הנוזל. השימוש במקרן מוזיל את עלות ההדפסה ומאפשר להאיץ את התהליך על חשבון דיוק ואיכות התוצר. מספר חברות מציעות מדפסות DLP זולות יחסית המתאימות לשימוש משרדי  כדוגמת DWS או Formlabs
  • LCD - שימוש במסך  LCD כמקור האור לפילמור כל שיכבה במקום מקרן DLP. בשיטה זו ניתן תאורתית לפתח מדפסת גדולה כגודל מסך ה LCD בו עושים שימוש. 
אחד החסרונות העקריים של שיטת  SLA הוא הצורך לעצור את ההדפסה בין שיכבה לשיכבה בגלל כוחות קרום מתח הפנים הפועלים על החלק המוצק בזמן המשיכה או השיקוע בתוך הנוזל. התוצאה היא הדפסה איטית ומבנה גבישי פנימי לא אחיד למודל המודפס. CLIP technology של חברת Carbon פותר בעיה זו בעזרת הזרמת חמצן דרך ממברנה לאזור הפילמור. החמצן מעקב את תהליך הפלמור ומאפשר הדפסה רציפה של המודל במהירות מדהימה תוך קבלת תכונות מכניות טובות יותר.   




FDM / FFF


Fused Deposition Modelling/ Fused Filament Fabrication

שיטת ההדפסה הנפוצה ביותר ובמיוחד בתחום המשרדי/ ביתי. המקור הוא בחברת  Stratasys שהציגה אותה לעולם עוד ב 1991. ב 2005 הוקם על בסיס אותו הרעיון פרויקט ה  Reprap  לבניית מדפסת ביתית בקוד פתוח.  FDM הוא סימן רשום של חברת סטראטסיס ולכן משתמשים לעיתים בשם FFF.  

 בשיטת ה FDM  חוט פלסטיק (filament) נדחס דרך ראש מחומם (extruder) ממנו יוצא חוט דקיק וחם איתו מציירים בצירים X וY (דמינו אקדח דבק חם) כאשר הבסיס, ציר Z , יורד לאחר ציור השיכבה. יתרונות שיטה זו הן בפשטות, במגוון סוגי החומרים שניתן להדפיס איתם, בהחלפה הקלה של חומרי הגלם ובעלותם הנמוכה. החסרון העקרי נובע מכוחות החיבור החלשים יחסית בציר Z, בנוסף, פרטים לא מתקבלים ברור, ההדפסה איטית, יש צורך בהדפסת תמיכה ולא ניתן לסדר חלקים אחד מעל השני כדי למקסם את נפח ההדפסה.
מדפסות FDM מתקדמות כגון סידרת ה Stratays Fortus מגיעות עם תא הדפסה סגור ומבוקר טמפרטורה ומאפשרות ייצור של מודלים גדולים יותר ומחומרים מתקדמים כגון Ultem. 
FDM היא כיום טכנולוגית הכניסה הנוחה ביותר לעולם ההדפסה התלת ממדית. 

SLS - סינטור בעזרת לייזר סלקטיבי  ( Selective laser)

SLS  בארן מו"פ בקיסריה  
מדפסות ה SLS שייכות למשפחת מדפסות מגש האבקה (powder bed) הכוללות גם מדפסות מתכת (SLM). זו הדרך המקובלת לייצור חלקי פלסטיק איכותיים בהדפסה תלת ממדית עם תכונות חומר טובות מחומר תרמופלסטי איכותי, בדרך כלל ניילון 12 או פוליאמיד. מדפסת SLS מדפיסה בתא סגור ומבוקר טמפרטורה המחומם לאזור 170 מעלות צלזיוס. בתוך התא יש מגש הנע מטה על ציר אנכי (z). על המגש מפזרים ומהדקים אבקת פלסטיק בעזרת מגב (ריקוטר). בקצה העליון של התא ממוקם מכשיר השולח קרן לייזר שמנותבת בעזרת מראות ו"מציירת" על האבקה תמונה דו ממדית בצירים XY . הקרן מסנטרת את האבקה במקום שבה היא פוגעת כלומר, הופכת את החומר למוצק ע"י חימום נקודתי של גרגרי אבקת הפלסטיק. לאחר הסינטור המגש, שכעת מכיל אבקה ואזורים של חומר מוצק, יורד בכ 100 מיקרון למטה על ציר z והמגב מפזר שכבה נוספת של אבקה על המגש. קרן הלייזר נכנסת שוב לפעולה והאנרגיה שמועברת לאבקה לייצור שכבה נוספת דואגת גם לחיבור השכבה החדשה לזו שהודפסה קודם. בסיום ההדפסה מתקבל מיכל מלא אבקה שבתוכו מסתתרים החלקים המודפסים. לאחר תהליך קירור להורדת טמפרטורת האבקה ל 60 מעלות, מפרידים בין האבקה לחלקים ואת רוב האבקה ה״מבושלת״ מחזירים לשימוש חוזר אחרי ערבוב עם אבקה טרייה ביחס שנקבע ע״י היצרן ובהתאם לחומר הגלם.
יתרונות - בהדפסת פלסטיק בשיטת ״מגש אבקה״ ניתן לערום חלקים ולנצל את כל גובה התא על מנת להדפיס חלקים אחד מעל השני. האבקה משמשת כתמיכה לחלקים המודפסים ומייתרת את הצורך בתכנון והדפסת תמיכות הנחוצות בשיטות הדפסה אחרות. החלקים המתקבלים הם בעלי חוזק דומה בכל הצירים, עמידים וניתנים לעיבוד משלים. ניתן להשתמש בתערובות אבקה שונות כגון ניילון 12 עם כדורי זכוכית או בתוספת אלומיניום, קרבון וכו'. בשיטה זו ניתן לקבל חלקים מוכנים לשימוש מידי והיא משמשת כשיטת ייצור מקובלת במקומות רבים.
חסרונות - חומר הגלם יקר, פני השטח טיפה גסים, לא ניתן לקבל חלקים שקופים או צבעוניים והדיוק מוגבל. 

Multi Jet Fusion 

שיטת ההדפסה של HP הקרובה מאוד ל SLS. במקום לייזר, HP הוסיפה למדפסת ראש הזרקת דיו שמשחרר בצורה מדויקת דיו מיוחד על משטח האבקה באזור אותו רוצים למצק, הדיו הוא חומר מוליך חום המכונה Agent. לאחר הדפסת ה Agent, כל השכבה נחשפת לחימום אחיד. האזור הנגוע בדיו מוליך את החום ומשנה את מצב האבקה למוצק. הדיו עצמו מתאדה בתהליך ולא משפיע על תכונות הפלסטיק. 

Selective Laser Melting -  SLM / Digital Melting layser system -  DMLS

SLM
מדפסת מגש אבקה (powder bed) להדפסת חלקי מתכת .  חומר הגלם הוא אבקת מתכת המותכת ע"י קרן לייזר ומתקררת למוצק שכבה  אחר שכבה . התהליך מתבצע בתא קר וסגור המכיל גז אינרטי . התוצר הוא  חלקי מתכת, בדרך כלל מטיטניום  אלומיניום או מתכת כלים, חזקים ומוכנים לשימוש.  ההדפסה בשיטה זו דורשת ידע ונסיון רב. חלקי המתכת המוצקים כבדים יותר מהאבקה בתוכה הם נוצרים ולכן יש צורך בתכנון חכם והדפסה של תמיכות המשמשות גם כמוליכות חום לפלטת בסיס ממתכת על מגש ההדפסה. לאחר ההדפסה יש להוריד את המוצר מהפלטה בעזרת חיתוך חוט ולהמשיך בעבודת עיבוד להורדת התמיכות ולקבלת פני שטח מיטבים. 

EBM - התכה בעזרת אלומת אלקטרונים ( Electron beam melting) . 

הדפסת מודלים ממתכת על מדפסת מגש אבקה בדומה ל SLM כאשר מקור האנרגיה מתקבל מאלומת אלקטרונים במקום קרן הלייזר. ההדפסה נעשת בתא סגור ומרוקן אוויר (ואקום) המודלים המתקבלים הם בעלי פני שטח גסים יותר מאשר ב SLM. בשיטה זו נדרשת פחות תמיכה לחלקים וקל יותר לערום אותם. מדפסות חברת  Arcam בבעלות GE פועלות בשיטה זו.

Cold spray

התזת חלקיי מתכת במהירות על קולית על משטח. הטכנולוגיה מאפשרת הדפסה על גבי משטח קיים כמו גם הדפסה של חומר מגנטי ומתאימה במיוחד לביצוע תיקון והוספת חומר למוצר קיים.

PolyJet

PolyJet printer
מדפסות ה PolyJet משתמשות בראשי הדפסה, בדומה למדפסת הזרקת דיו, כדי להזריק בצורה מדויקת נוזל פוטופולימר דרך מספר רב של נחירים ומיד להאיר אותו ב UV למצק אותו. בשיטה  זו ניתן להדפיס ממספר חומרים בעלי תכונות שונות בו זמנית מקרוב ל 70 חומרים שונים בעלי תכונות, צבעים ושקיפות שונים. 

MetalJet

בדומה לפוליג'ט כאשר החומר המוזרק הוא ג'ל עם חלקיקי מתכת או חרס. בסיום ההדפסה, המודל מוכנס לתנור בטפרטורה גבוהה המאייד את הג'ל ומסנטר את המתכת או החרסינה לחלק חזק ואיכותי. חברת Xjet הישראלית היא הראשונה לפתח טכנולוגיה זו. 

 ColorJet Printing - CJP

מודל גבס צבעוני
מדפסות מגש אבקה המשתמשות באבקת גבס אותה הופכים למוצק בעזרת מריחת שכבת אפוקסי דקה.  התוצאה מתאימה למודלים גדולים כגון מבנים אדריכליים. הטכנולוגיה מאפשרת  לשלב ראשי צבע במדפסת ולהדפיס מודלים בצבעים מלאים מה שהופך אותה מתאימה במיוחד לפסלי אדם או חיה המגיעים מסריקה תלת ממדית

MCOR

הדבקת שכבות דקות של ניר גזור אחת על השניה. המודל המתקבל דומה בתכונותיו לעץ דחוס. ניתן לשייף ולהדביק אותו. בשיטה זו ניתן לקבל צבע מלא ואמיתי בעזרת ראש מדפסת הזרקת דיו המשולב במדפסת ומדפיס על הניר

Binder printing

הדפסה במגש אבקה ללא שימוש באנרגית חום כאשר החומר המקשר את גרגרי האבקה הוא דבק. שיטה זו מאפשרת להדפיס חלקי פלסטיק גדולים לדגמים, תבניות ליציקות חול וחלקי מתכת שונים ליצירת דגמים. מדפסות Voxeljet ו ExOne עושות שימוש בטכנולוגיה הנ"ל 

Ultrasonic 3d printing


Hybrid 3D printing

Directed energy deposition (DED) metal 3D printing
שיטות שונות להדפסת מתכת המשלבות הוספת חומר מתכתי ולאחר מכן עיבוד האזור בכלי עיבוד שבבי (CNC) לקבלת מוצר סופי חזק ובעל גימור אחיד. 


גל רז