ברקים ופלסטיק על מגש אבקה

הדפסת תלת ממדית בעזרת אבקת פלסטיק קבלה חיזוק משמעותי לאחרונה עם ההצטרפות של HP למשחק. על הטכנולוגיה שמאפשרת הדפסה זו, בפוסט הבא

פטריות כמהין ,המזוהות עם המטבח הצרפתי נחשבות לאחד מהמאכלים היקרים שיש  ובאופן מפתיע, הן גדלות בר גם בנגב הישראלי, בצמוד לשורשי שיח שמשון. מעט יודעי דבר יודעים איך למצוא ולהוציא את הפטרייה הקטנה מהאדמה. הבדואים תושבי הדרום מאמינים שהן נוצרות מפגיעת ברקים באדמה ואחרי סערת ברקים יוצאים לחפש  את הפטריות.

היווצרות פטריות מאכל מברקים היא אולי בדיה עממית אבל, האנרגיה האדירה המועברת לחול אבקתי בעת פגיעת ברק כן יכולה להדפיס גופי זכוכית תלת ממדים, התופעה מוכרת בשם Fulgurites וגופי הזכוכית הנוצרים עמוק בחול מכונים זכוכית ברקים.

בדרך דומה, של אנרגיה מרוכזת על משטח אבקה, פועלות מדפסות התלת ממד ממשפחת ה SLS לפלסטיק וגם ה  SLM  למתכת השייכות שתיהן לקבוצה של מדפסות הפועלות בשיטה של ״מגש אבקה״  ( powder bed ).  ההדפסה באבקה היא כל כך מוצלחת ונפוצה שרוב החלקים המיוצרים היום בעולם בהדפסה תלת ממדית נוצרים בטכנולוגיה הנ״ל והיא גם הטכנולוגיה היחידה המאפשרת ייצור סדרתי בכמויות של מוצר סופי בהדפסה תלת ממדית.

 מגש אבקה והדפסת פלסטיק  

עד לאחרונה, הדפסת פלסטיק במגש אבקה בשיטת הסינטור סלקטיבי עם לייזר (SLS)  - הייתה הדרך המקובלת לייצור חלקי פלסטיק איכותיים בהדפסה תלת ממדית עם תכונות חומר טובות מחומר תרמופלסטי איכותי, בדרך כלל ניילון 12 או פוליאמיד.

בתמונה, ניתן לראות את האזורים בהם הלייזר הך א האבקה למוצק

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.

הכנת הדפסה בתוכנת הענן של אסמבריקס

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. לפני כל הדפסה, מפעיל המדפסת ינסה לנצל את חלל ההדפסה בצורה המיטבית ע"י מיקום חלקים במרחב וריטואלי כמו במשחק טטריס תלת ממדי. חברת Assembrix מתל אביב היא בין הבודדות המציעות כיום פתרון תוכנה לניצול אוטומטי הנפח במדפסת, תהליך שיכול לקחת מספר שעות בעבודה ידנית.

עד כאן זה אולי נשמע קל ופשוט אבל תהליך ה SLS הוא מורכב ורגיש. ישנם הרבה משתנים המשפיעים על ההדפסה וכל שינוי קטן יכול להרוס תהליך הדפסה שלם. המגב שמפזר אבקה ומיישר אותה על המגש חוזר על הפעולה הזו עשרות אלפי פעמים מצד לצד, שכבה כל 120 מיקרון. סידור שגוי של החלקים להדפסה עלול לגרום למגב למשוך ולהרים חלק מוצק מתוך המשטח שיגרום לתגובת שרשרת והרס ההדפסה. גרגרי אבקה או טביעת אצבע על חלון הלייזר דרכו עוברת הקרן יכולים לגרום לתוצאה דומה. גם המערכת המכנית של המדפסת המורכבת מבוכנות, מסועים וגלגלי שיניים העובדים תמיד בטמפרטורה גבוהה ובסביבה מאובקת, רגישה לתקלות ודורשת ניקוי ואחזקה נכונים. עם השנים, היצרנים  צברו ניסיון וידע ושיפרו מאוד את אמינות המדפסות וכיום, בשימוש נכון, כמות התקלות המשביתות היא קטנה.  

שחרור חלקים לאחר קרור האבקה

עד לתחילת שנת 2017, שוק מדפסות ה SLS המקצועיות התחלק בין שתי חברות: 3DSystems מארה"ב ו EOS מגרמניה. 3DSystems היא חברה ציבורית מוכרת המשווקת מדפסות תלת ממד משנת 1986(!) ומחזיקה במספר רב של טכנולוגיות להדפסת פלסטיק ומתכת. EOS היא חברה פרטית ועל אף היותה מובילה בתחומה, שמה מוכר פחות לציבור הרחב שלא מכיר את עולם תלת הממד. EOS התחילה דרכה בתחום כמשווקת חומר גלם תחליפי למדפסות ה SLA הראשונות של 3DSystems. החברות נאבקו קצת משפטית עד שהגיעו להסכם שהוציא את EOS משוק ה SLA והיא עברה להתמקד בפיתוח מדפסות מגש אבקה ולמובילה עולמית בתחום מדפסות הפלסטיק ומתכת. כיום שתי החברות מציעות שלוש דגמי מדפסות  בגדלים שונים. דגם הביניים הפופולרי של EOS הוא ה P396 ואילו הדגם המקביל  של 3DSystems הוא ה ProX500

ההבדל העיקרי בין שתי המדפסות הוא בשיטת פיזור האבקה. במדפסות מסדרת P של EOS האבקה מוזנת מלמעלה ומגב מתכת ומפזר ומשטח אותה על המגש. במדפסת של 3DSystems  האבקה מוזנת מלמטה ורולר הדומה למערוך, מהדק את האבקה על המגש.

HP Jet Fusion 3D

חברת HP היא מהמובילות בעולם בתחום המחשוב והדפוס הדו ממד, היא גם החברה הגלובלית הגדולה הראשונה שהכריזה על כניסתה לתחום ההדפסה התלת ממדית עם טכנולוגיה חדשה ומקורית שפותחה אצלה בבית. המדפסת החדשה ממרכז הפיתוח בברצלונה ששיווקה בארץ החל השנה מכוונת להתחרות ישירות בשתי מובילות השוק הוותיקות. מחברה כמו  HP, בעלת עבר עשיר של חדשנות, יש צפיות גבוהות  להביא טכנולוגיה חדשה  לשוק ואכן HP  פיתחו שיטת הדפסה חדשה על פלטפורמת מגש אבקה תוך ניצול הניסון העצום הקיים בחברה בעבודה ראשי הזרקת דיו בעולם הדו ממד.

כמו שראינו,  אלומת הלייזר משחקת תפקיד חשוב ועקרי בהדפסה בשיטת ה SLS. הלייזר הוא זה שמייצר את תוספת החום על משטח האבקה הגורמת לאזור המסומן באלומה להפוך מאבקה למוצק. לשימוש בלייזר יש מספר חסרונות.  במדפסות ה SLS של 3DSystems  ו EOS, יש ראש לייזר אחד קבוע המפיק אלומה שמנותבת ע״י מנגנון מראות. כשאלומת הלייזר פוגעת במשטח היא מייצרת מעגל בקוטר של כ 600 מקרון. פיזור הטמפרטורה על פני המעגל איננו שווה ומכיוון שהוא חם יותר במרכז נדרש מעבר נוסף של אלומת הלייזר על האזור המסונטר עם הזזה קטנה בכל מעבר בשביל ליצור חפיפה בין המעגלים. קרן לייזר מוסטת בצירים XY בעזרת מראה, כשמתרחקים ממרכז המגש, האלומה הופכת לאליפטית והדיוק נפגע. בנוסף, אלומת לייזר אחת צרה צריכה לסרוק את כל המשטח בכל שכבה, כמה שניות בכל פעם שמצטברות לזמן רב.

 HP -המדפסת ליד תחנת הפריקה והכנת החומר

HP זיהתה שהלייזר הוא מנקודות החולשה של שיטת ה SLS והחליטה לוותר עליו. בשביל לספק חום מרוכז לאזור מוגדר במדפסת ה Jet Fusion 3D  החברה 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. לטענת HP בשיטה זו מתאפשרת שליטה טובה יותר במיצוק החומר וניתן לקבל חלקים מדויקים יותר תוך שליטה מקומית על תכונות מכניות כגון גמישות וקשיחות. בנוסף, וויתור על הלייזר הסלקטיבי ומעבר להקרנת חום על כל המשטח בבת אחת מאיץ את תהליך ההדפסה פי כמה ומאפשר למחזר 90% מהאבקה הנותרת לאחר ההדפסה.  נכון להיום , התוצרת התלת ממדית  של מדפסת  HP דומה מאוד למתקבל במדפסות ה SLS מבחינת טיב פני שטח או שמירה על פרטים. בעוד שמדפסות ה SLS מייצרות חלקים בעיקר בגוון לבן, המדפסת של HP , באשמת ה agent, מסוגלת לייצר חלקים רק בגווני אפור. עבור יישומים שונים כגון מכשור אופטי זה מהווה יתרון אבל, את החלקים של HP לא ניתן לצבוע בשיטה הנפוצה והמהירה של טבילה בצבעי בד בהירים כגון RIT. לפי HP הם בפיתוח מתקדם להדפסת חלקים לבנים ולהוספה של ראש צבע שיאפשר הדפסת צבע לכל מודל ובהמשך אולי גם צבע מוליך להדפסת אזורים מוליכי חשמל במודל. שיטת ההדפסה של HP והעובדה שהחברה מפתיחה לשמור את הפלטפורמה פתוחה ליצרני חומרים, חומרה ותוכנה מבטיחה עתיד מעניין וחידושים נוספים.

אחת המשימות ש HP לקחו על עצמם היא גם לפשט את תפעול המכונה ולזרז את הסבבים בין הדפסות על מנת להקל על השימוש בטכנולוגיה לייצור סדרתי של חלקים ולהביא אותה לחלקים גדולים יותר של הציבור.    

תהליך ההדפסה במדפסת HP

האם HP תצליח לכבוש את השוק?

נכון להיום אין למדפסת של HP יתרון מנצח על פני מדפסות ה SLS. אומנם HP טוענת למחיר זול ומהירות הדפסה מסחררת אבל בחינה מקרוב של הנתונים מגלה שההבדלים אינם כאלה גדולים. המדפסת של HP עדין צריכה להוכיח את עצמה בדיוק בייצור חלקים גדולים וחלקים בעייתיים בעלי דופן דקה או חללים פנימיים, בעמידות החלקים ובאמינות המדפסת לאורך זמן.  היתרון הגדול של HP טמון בעיקר ברשת ההפצה והתמיכה שלה. HP נמצאים בכל מקום ויש להם כוח שיווקי עצום שמסוגל לפתוח להם שווקים ולקוחות שהיו סגורים בפני שתי היצרניות האחרות.  

הדפסה תלת ממדית היא טכנולוגית ייצור חדשה הדורשת התאמת התכנון לחוקי המדפסת. בטכנולוגית SLS כבר נצבר ניסיון רב העומד לרשות המתכננים כמו למשל המדריך למתכנן שחיבר החתום מטה.

על HP יהיה להתמקד בניצול מעמדה בשוק לגיוס לקוחות חדשים, למצוא יישומים המתאימים לשיטת ההדפסה ולחנך את השוק לעבור ייצור סדרתי תלת ממדי. 

בישראל מותקנות נכון להיום (ינואר 2018) כבר שתי מדפסות של HP. האחת בחברת ארן מחקר ופיתוח בקיסריה, בצמוד למדפסות של EOS והשניה במתחם WeWork ביפו בצמוד מדפסות של 3D Systems.

עתיד ה SLS 

EOS P500

עד לאחרונה תחום ההדפסה בשיטת SLS התקדם לאט.  החברות המובילות שחררו עדכונים ושיפורים במשורה, דגמים חדשים ומהפכניים לא נראו מזמן ולא מספיק הושקע בפיתוח של חומרי גלם חדשים. הכניסה של HP מזריקה פילפל לתחום ומשנה את חוקי המשחק. EOS כבר הגיבה השנה עם השקת מדפסת חדשה ומסקרנת שתגיע לשוק בקרוב. ה- P500 EOS תגדיל את טווח השימוש של טכנולוגית ה SLS ותאתגר מאוד את  HP על ידי שימוש בשני ראשי לייזר, שיפור מהירות ההדפסה  והדפסה בטמפרטורה גבוהה של חומרים הנדסיים  מתקדמים כגון PEEK  .  חברות נוספות כבר עובדות על הדפסה בטמפרטורות גבוהות שתאפשר שימוש בחומרי פלסטיק מתקדמים החשובים לתחום התעופה, הרכב והרפואי, לדוגמא,  Aerosint המפתחת מדפסת SLS לטמפרטורה גבוה המדפיסה שני חומרים בו זמנית !

הדפסה עם שני חומרי גלם- Aerosint 

המרוץ ל  מדפסת אבקה זולה עלה גם הוא שלב כעת ש formlabs, הראשונה שפתחה מדפסת SLA שולחנית זולה, עומדת לחזור על התרגיל עם ה Fuse1, מדפסת SLS ב 10,000$ שתתחרה ב Sharebot SnowWhite  מאיטליה וב Sinterit Lisa שעולה 5,000 ארו.

גל רז 

Gal Raz