קצת סדר בשיטות הדפסה בתלת ממד

מודל המודפס ברובוט ריתוך (NGV Melbourne)

הדפסה תלת ממדית הוא שם כללי למספר רב של שיטות ייצור ששני גורמים משותפים לכולן: ייצור בעזרת הוספת חומר ודרישה מוקדמת להמצאות קובץ תלת ממדי. 

מכיוון שיש מספר הרב של שיטות ייצור, מגוון החומרים ויצרני מדפסות שיכול מאוד לבלבל ולרפות את ידיו של המדפיס הפוטנציאלי, יצרתי את הפוסט הבא שסוקר את רוב שיטות הייצור המקובלות היום בתחום הייצור בהדפסה תלת ממדית, או בשמו המקצועי יותר ייצור מוסף (Additive Manufactoring), בכוונה לעזור להבין טוב יותר את התחום. 

* הפוסט הוא עדכון מתמשך לפוסט שפורסם לראשונה בינואר 2014 

______________________________________________

    

אתם מוזמנים גם להרשם למגזין 10X3D. עשר החדשות המקצועיות החמות ביותר על הדפסה בתלת ממד. לינקים למאמרים, הכרזות וחדשות מהעולם ומישראל.  להשאר מעודכן עם כל החידושים בטכנולוגיית הייצור המעניינת מכולן

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 שנסקרות בפוסט זה: בעולם מקובל לחלק את טכנולוגיות ההדפסה בתלת ממד לשבע קטגוריות. 

בסקירה הבאה אני נותן הסבר קצר לכמה מהמושגים היותר נפוצים מבלי להצמד לקטגוריות. בסוף הפוסט תוכלו למצוא שקף שמציג את הקטגוריות הסטנדרטיות, הטכנולוגיות והחומרים. 

הטכנולוגיות הנסקרות כאן הן:

1. SLA -   סטראוליטוגראפי (stereolithography) 
2. FDM / FFF
3. SLS - סינטור בעזרת לייזר סלקטיבי  ( Selective laser)
4. Binder printing/Jetting - הזרקת/התזת חומר מקשר
5. SLM /  DMLS התכה בעזרת לייזר סלקטיבי
6. EBM - התכה בעזרת אלומת אלקטרונים
7. Cold Spray
8. הזרקת חומר PolyJet/ MultiJet
9. MetalJet
10. ColorJet Printing - CJP
11. Lamination
12. Directed-energy deposition - DED
13. Hybrid 3D printing

מודל SLA שקוף ממדפסת    3d systems iPro

טכנולוגיות הדפסה תלת ממדית 

SLA - סטראוליטוגראפי (stereolithography) 

שיטת ההדפסה המסחרית והוותיקה ביותר הנמצאת בשימוש מאמצע שנות השמונים של המאה הקודמת. ב SLA חומר הגלם הוא נוזל או שרף (resin)  צמיגי מסוג פוטופולימר  כלומר,  חומר פלסטי (פולימר) ההופך למוצק בחשיפה לאור . במקור, 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 . קיימים עשרות חומרי גלם בעלי תכונות שונות וכתלות בחומר ניתן לקבל חלקים ברורים ומדוייקים, אטומים שקופים או גמישים. בין החסרונות ניתן למנות תהליך הדפסה איטי, הצורך להדפסת תמיכות והטיפול המשלים שנדרש לאחר ההדפסה לניקוי התמיכות וייצוב פני השטח. החסרון העקרי נובע מהשימוש בחומרים פוטופולימרים שאינם חומרים הנדסיים כלומר, קשה להבטיח את השמירה על תכונות החומר לאורך זמן או אפילו בין הדפסה להדפסה. בנוסף,  המודל המודפס מושפע לאורך הזמן מתנאי הסביבה כגון לחות, חום או אור.  ב SLA משתמשים בעיקר לאבי טיפוס או לבנית כלים (תבניות לואקום בתחום רפואת השיניים)  ולאביזרי שמיעה. 

עם השנים התפתחו מה SLA מספר שיטות נוספות המציעות מקור אנרגיה (אור) שהוא לא לייזר : 

• DLP - שימוש במקרן אור מסוג DLP במקום הלייזר לפילמור (מיצוק) הנוזל שיכבה אחר שיכבה על ידי הקרנת תמונה דו ממדית בוהקת 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. בשיטה זו יש מקור אור עוצמתי אחד שאיננו אחיד לכל המשטח 
• LCD - שימוש במסך  LCD כמקור האור לפילמור כל שיכבה במקום מקרן DLP. מסכי LCD משתמשים בתאורה אחורית בנורות LED שמספקות את האנרגיה הנדרשת לפלמור השרף (resin). השיטה מאפשרת לפתח מדפסת גדולה כגודל מסך ה LCD בו עושים שימוש כאשר עוצמת וזווית מקור האור היא זהה בכל נקודה על פני המשטח. 

Carbon 3D Technology 

הדפסה איטית בשיטת SLA נובעת מהצורך לעצור את ההדפסה בין שיכבה לשיכבה בגלל כוחות קרום מתח
הפנים הפועלים על החלק המוצק בזמן המשיכה או השיקוע בתוך הנוזל שמשפיע גם על מבנה גבישי פנימי לא אחיד למודל המודפס. מספר חברות מציעות טכנולוגיות שונות להתגבר על הבעיה. המוכרת מבינהן היא  Carbon  שפותרת את הבעיה על ידי הזרמת חמצן דרך ממברנה חד כיוונית לאזור הפילמור. החמצן מעקב את התהליך ומאפשר הדפסה רציפה של המודל במהירות מדהימה תוך קבלת תכונות מכניות טובות יותר.   

FDM / FFF

Fused Deposition Modelling/ Fused Filament Fabrication

שיטת ההדפסה מאוד נפוצה שמתאימה במיוחד  למשרד או לבית אבל בשימוש גם בחברות ענק.  המקור מגיע מחברת  Stratasys  בשנת 1991. בשנת 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 בדו מידמד של משטח בסיס (בדומה לשימוש באקדח דבק חם). בסיום כל שכבה יורד משטח הבסיס קצת (כעשירית המילימטר) וחומר נוסף מוזרק על השכבה הקודמת. היתרונות 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 הגובה (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 כמו סידרת ה Stratays Fortus מגיעות עם תא הדפסה סגור ומבוקר טמפרטורה ומאפשרות ייצור של מודלים גדולים יותר ומפולימרים אורגנים מתקדמים כגון Ultem או PEEK. 

חברת Markforged הייתה הראשונה להציעה יישום נוסף לשיטה לחלקים מהדפסת חומרים מרוכבים על ידי שימוש בשני חוטים האחד מסיבי פחמן והשני מניילון. יישום נוסף הוא שימוש בחוט מועשר בחלקיי מתכת בריכוז גבוה לצורך הדפסת מודל ראשוני או מכניסים לכבשן שמאייד את חומרי הקישור ומתיך את חלקיקי המתכת לקבלת מודל תלת ממדי ממתכת.  

טכנולוגית FDM / FFF היא כרטיס הכניסה הנוח ביותר לעולם ההדפסה התלת ממדית ובארץ ובעולם יש מספר רב של קבוצות ופורומים של חובבים שעוסקים בבניה והדפסה במדפסות מסוג זה

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). שיטה זו היא הדרך המקובלת לייצור חלקי פלסטיק איכותיים בהדפסה תלת ממדית בעלי 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 - המדפסות מאוד יקרות, חומר הגלם יקר, פני השטח טיפה גסים, לא ניתן לקבל חלקים שקופים או צבעוניים והדיוק מוגבל. 

HP Multi Jet Fusion

Binder printing/Jetting - הזרקת / התזת חומר כורך

בינדר ג'טינג היא טכנולוגית הדפסה שתופסת לאחרונה מקום חשוב ונותנת פתרונות למספר משפחות חומרים. 

הטכנולוגיה מבוססת על הדפסה במגש אבקה (אבקה המפוזרת על משטח שנע על ציר Z ) כאשר בכל שכבה מוזרק על משטח האבקה חומר מקשר או כורך (Binder) המחבר את גרגרי האבקה בשלב הראשון. 

בתחום הפולימרים, HP היא בין המובילות בשימוש בטכנולוגיה זו המכונה בשפתם Multi Jet Fusion 

שיטת ההדפסה של HP הקרובה מאוד ל SLS. במקום לייזר, HP הוסיפה למדפסת ראש הזרקת דיו שמשחרר בצורה מדויקת דיו מיוחד מוליך המכונה Agent על משטח האבקה באזור אותו רוצים למצק, לאחר הדפסת החומר המקשר, 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. 

הדפסת חומר כורך על מגש אבקה משמשת גם להדפסת מתכת. במקרה זה האבקה היא אבקת מתכת והחומר הכורך עוזר ליצירת מודל פריך תלת ממדי המכונה מודל ירוק (Green Body). לאחר ניקוי האבקה העודפת ואידוי החומר הכורך מוכנס המודל לכבשן לחימום בטמפרטורה מאוד גבוהה. הכבשן מחבר את גרגרי האבקה למוצר מוצק אחיד בתהליך המכונה "סינטור". תהליך הסינטור הנדרש בתום ההדפסה הופך את הייצור לטיפה מורכב יותר מכמה סיבות. הפעלת תנור הסינור היא יקרה יחסית, נדרש פרופיל טמפרטורות מדויק ותכנון מראש שמביא בחשבון את התכווצות המודל בתהליך.

בשיטה של הזרקת חומר כורך ניתן גם להדפיס חלקי פלסטיק גדולים והיא נפוצה מאוד בהדפסת תבניות ליציקות חול לייצור חלקי מתכת. מדפסות Voxeljet ו ExOne עושות שימוש בטכנולוגיה הנ"ל למיגוון חומרים

Selective Laser Melting -  SLM / Digital Melting laser 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. 

המדפסות הנ"ל יקרות מאוד ומחירן יכול לעבור את המיליון דולר למדפסת. הן דורשות ידע מקצועי רב בכל שלבי ההדפסה מהתכנון ההדפסה  ועד לתהליכי הגמר

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. 

Speed3D האוסטרלית היא אחת מהחברות המציעות מדפסות בטכנולוגיה זו 

הזרקת חומר PolyJet/ MultiJet

PolyJet printer

מדפסות הזרקת החומר (Jetting) 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. 

חברת אובג'ט הישראלית(היום Stratasys)  הייתה הראשונה לפתח טכנולוגיה זו והיא עדין המובילה העולמית בתחום עם מדפסות המדפיסות דגמים בכל צבע ובמיגוון ענק של חומרים ומופתחות במשרדי החברה בישראל. 

Material Jetting

בדומה לפוליג'ט גם כאן נמצא ראשי הזרקת דיו כאשר החומר המוזרק הוא ג'ל המכיל אחוז גבוה של חלקיקי מתכת או חרס (Ceramic) להדפסה מאוד מדוייקת. בסיום ההדפסה, המודל מוכנס לתנור בטפרטורה גבוהה שמאייד את הג'ל ומסנטר את המתכת או החרסינה לחלק חזק ואיכותי בעל גימור טוב מאוד. חברת Xjet הישראלית היא הראשונה בעולם לפתח טכנולוגיה זו. 

 

הדפסת כלי ממתכת לאופנוע ב XJET

 ColorJet Printing - CJP

מודל גבס צבעוני

מדפסות מגש אבקה המשתמשות באבקת גבס אותה הופכים למוצק בעזרת מריחת שכבה דקה של חומר מקשר.  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. 

Lamination,  למינציה או ריבוד גיליונות 

ייצור על ידי הנחת שכבות דקות של דפי ניר, פולימר או רדידי מתכת וחיתוך כל שכבה לאחר ההנחה. החיבור בין שהכבות נעשה על ידי דבק, חום או הרעדה  תלוי בחומר. 

אחד היישומים הותיקים לשיטה זו הוא הדבקת שכבות דקות של ניר גזור אחת על השניה. המודל המתקבל דומה בתכונותיו לעץ דחוס וניתן לקבל צבע מלא ואמיתי בשילוב של ראש מדפסת הזרקת דיו שמדפיס על הניר

Directed-energy deposition - DED

הדפסה באמצעות הוספת אנרגיה ישירה. תהליך הדפסת מתכת שעושה שימוש במקור אנרגיה עוצמתי, בדרך כלל קרן לייזר, שמופעל על אבקה מותזת או על חוט מתכת ומתיך אותם שכבה אחר שכבה לבנית חלק מתכתי. ראש ההדפסה הוא בדרך כלל זרוע רובוטית.  ההדפסה היא גסה ונהוג לשלב עיבוד שבבי לאחר הדפסת כמה שכבות בשביל לקבל גימור טוב יותר (Hybrid 3D printing). לא נהוג להדפיס תמיכות ומכיוון ששכבת המתכת המודפסת מתקררת במהירות, ניתן לייצר גאוטריות לא נתמכות ללא בעיה. שיטת הדפסה זו משמשת בדרך כלל לבנית חלקים גדולים כגון מנועים רקטים, קונסטרוקציות או גשרים. מדפסות המתכת הגדולות בעולם מייצרות בשיטת DED.

Hybrid 3D printing

Directed energy deposition (DED) metal 3D printing

Laser cladding

Ultrasonic 3d printing

Ultrasonic 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. 

פורמט גדול  

קיימות מספר שיטות המיועדות להדפסה של גופים גדולים במיוחד החל ממודלים של תבניות אפוקסי ליצירת חומרים מרוכבים ועד לבניינים שלמים בני מספר קומות. השיטות והחומרים למודלים גדולים הם מאוד מגוונים. למשל, המדפסת האנכית של Massivit מישראל שמדפיסה מודלים לצרכי פרסום ושיווק מפוטופולימרים וגם תבניות אפוקסי או המדפסת האופקית של BAAM היכולה להדפיס גוף של סירה שלמה. 

 

רוצים להשאר מעודכנים עם מה שקורה בתחום? הצטרפו לאלפי האנשים שקוראים כל שבוע את 10X3D, הניוזלטר היחידי בעברית לתחום ההדפסה בתלת ממד

גל רז 

מה ללמוד באוניברסיטת לימודי התלת ממד

אם תשאלו את העוסקים בעתידנות, את האנליסטים את חוזי הטכנולוגיה או את הפוליטיקאים (אובמה למשל) ואפילו אם תפליגו עד למחוזות השרלטנות והטיפשות של האסטרולוגים, הנומרולוגים או עושי הכשפים האחרים, תמצאו תמימויות דעים שהדפסה תלת ממדית היא מקצוע העתיד. 

תפישה זו מנביטה  קורסים שונים המלמדים "הדפסה תלת ממדית" על רגל אחד. אבל, מה באמת צריך ללמוד כדי להשתלב בתחום בצורה מסחרית ? 

במסלול הלימודים במגמת הנדסת ה 3D להדפסה, אלו המקצועות שהייתי שמח לראות אותכם לומדים:

תיב"ם (CAD)

ראשי התבות של תכנון בעזרת מחשב. כל מי שעוסק בתחום ההדפסה התלת ממדית חייב שליטה במספר מאפיינים של תוכנות תיב"ם תלת ממדיות שונות.שליטה טובה באחת מתוכנות ה SOLID הנפוצות היא הכרחית על מנת לתקשר עם העולם ההנדסי. SolidWorks או אוטודסק אינוונטור היא בחירה טובה. תוכנת הענן החדשה  Onshape יכולה לשמש גם היא ככרטיס כניסה. אבל, בעוד סטודנטים להנדסת מכונות יכולים להסתפק בתוכנות הנ"ל, במסלול שלנו להנדסת 3D צריכים כלי תיב"ם נוספים.

נדרשת  שליטה בתוכנות המכינות את הקבצים להדפסה. תוכנות המסדרות את החלקים בצורה אופטימלית על מגש ההדפסה. על מנת לנצל את היתרונות של הייצור בהדפסה יש צורך גם בכלי תכנון ייחודיים המייצרים גאומטריה אופטימלית שלא ניתן לקבל אותה בתוכנת SOLID . תוכנות כגון Inspire או Within המבצעות סימולציה כדי לקבל מודל אופטימלי להדפסה או תוכנות כמו Grasshopper המאפשרות לקבל צורות גאומטריות ממשואות מתמטיות. 

הפורמט הסטנדרטי של קבצי הדפסה הוא STL . קובץ מסוג זה מופק מרוב תוכנות התלת ממד ושייך לקטגורית קבצי ה Mesh . נדרשת הכרות עם תוכנות לטיפול, תיקון ושינוי קבצים אלו. 

דוגמה יפה מאוטודסק הממחישה את המעבר ממודל סוליד ולמודל המתוכנן להדפסה

הנדסת חומרים:

הבנה בחומרים נדרשת לפיתוח חומרים חדשים לתחום וגם, להבנת ההתנהגות של החלקים בתוך תהליך ההדפסה, למה לצפות ומה צריך לעשות כדי לקבל חלקים טובים יותר.

אפשר לומר די בודאות שהרבה יותר קל לפתח מדפסת חדשה מאשר חומר חדש להדפסה. כל חומר מתנהג אחרת במעבר מנוזל, אבקה או שרף לחומר מוצק עם מקדמי התכווצות והתפשטות שונים, יכולות שונות להולכת חום ועוד... יש כיום רק כ 200 חומרים להדפסה מכ 10 משפחות שונות. עדין אנו מתקשים במציאת חומרים גמישים, מוליכים או בצבעים ושקיפויות שונות.

כדי קבל תוצאות טובות בהדפסה תלת ממדית על המפעיל להכיר את חומר הגלם, את תכונותיו ולהבין את המגבלות וכיצד לעקוף אותן. יש חשיבות רבה לאורנטציה המרחבית בהדפסת החלק בהתאם לתכונות ולגאומטריה, לזמן ואופי קירור החלקים לפני הוצאת מהמכונה, להכרת התהליכים המשלימים שניתן לבצע עם כל חומר ועוד...

 חוזק חומרים:

התמחות בתחום חדש יחסית מחייבת גם הכרות עם כלי סימולציה המאפשרים לבדוק את התכנון לפני הייצור. המעבר מטכנולוגיות ייצור מסורתיות בהן נצבר ניסיון וידע במשך שנים רבות לייצור בטכנולוגיה חדשה ועם חומרים חדשים קל יותר כאשר ניתן לוודא שהתכנון נכון ומתאים לטכנולוגיה על ידי בחינת החלק בכלי סימולציה ובכך להקטין את הסיכוי לכשל מאוחר יותר.

רובוטיקה:

מדפסת  תלת ממד היא סוג של רובוט הפועל על פי תוכנית מוכנה מראש. בעתיד אין סיבה שלא ישולבו במדפסות מעגלי החלטה שיאפשרו למכונה קבלת החלטות עצמאיות שיאפשרו להשתמש במדפסות להרכבות ושיבוץ של רכיבים נוספים. קיימים גם מספר פרויקטים של פיתוח מדפסות, מעין רובוט מעופף, היכולות להדפיס תוך כדי תנועה למשל, מדפסת מעופפת המדפיסה חלקי בנין במבנה רב קומות. 

 סריקה תלת ממדית:

כדי להדפיס אנחנו חייבים מודל תלת ממדי, לפעמים, הדרך היחידה להשיג אותו היא סריקה תלת ממדית. הדרך להעביר מודל פיזי כקובץ תיב"ם תלת ממדי למחשב איננה קלה כלל. היא מחייבת הכרות עם שיטות הסריקה השונות, טיפול במידע המתקבל ושימוש בתוכנות ייחודיות המאפשרות להפוך את אוסף הנקודות המתקבלות בסריקה למודל שאיתו אפשר להמשיך לעבוד בתוכנות שונות.

ראייה מלאכותית:

סריקה תלת ממדית היא חלק חשוב מעולם ההדפסה התלת ממדית אבל ראייה מלאכותית יכולה לשמש גם כדי לשפר תהליכי הדפסה במקומות רבים ולתת בקרה וביקורת איכות טובות יותר. בדור העתיד של המדפסות נראה יכולות כאלה במספר מאפיינים. 

נניח שאנחנו מדפיסים טבעת ורוצים לשלב אבן יקרה בתוך התהליך. יכולת ראייה מלאכותית תאפשר למדפסת לזהות את האבן הספציפית ששלבנו בתהליך ולהתחשב בגאומטריה הייחודית שלה כדי להדפיס מסביב מבלי שנצטרך לתת לה הוראות מראש.

בקרה ממוחשבת:

מדפסות מורכבות ממנועים חשמליים, ראשי חימום, מקרנים, ראשי לייזר, משאבות, מערכות קירור ועוד. כל החומרה הזו נשלטת ע"י בקרים המחוברים למערכת מחשוב. על מנת לבנות את הדור הבא של מדפסות התלת ממד או לתחזק את הדור הקיים, נדרש ידע והבנה בכל הנושא של בקרה ממחושבת.

הנדסה רפואית:

עצמות, איברים ובכלל גופים אורגנים מגיעים תמיד בצורות שונות ובגאומטריות שקשה לייצר בשיטות מסורתיות. הדפסה תלת ממדית מאפשרת התאמה קלה ומהירה של כל מודל וייצור של כל צורה. תחומים שונים בעולם הרפואה מאמצים את ההדפסה כפתרון ייצורי. נוכל למצוא היום מדרסים אורתופדים, שתלים אורטודנטים, מקבעים לניתוחים, סדים שונים, פרותזות ועוד מוצרים רבים העושים שימוש בהדפסה תלת ממדית. לתחום הרפואי דרישות ואילוצים משלו ששונים במקרים רבים מתחומי הנדסה אחרים.

ניהול הייצור:

הדפסה תלת ממדית היא שיטת ייצור חדשה הפועלת לצד שיטות מוכרות ונפוצות. להדפסה תלת ממדית חוקי ייצור ייחודיים למשל, בייצור סדרתי בהדפסה, כל חלק עומד בפני עצמו והמורכבות של הייצור סדרה של 1,000 חלקים זהים או 1,000 חלקים שונים היא די דומה בנוסף, מהדפסה תלת ממדית מצופה לייצר את הסדרה הראשונה מהר יותר מאשר כל שיטת ייצור אחרות.  על מנת להצליח בעולם זה יש ללמוד על שיטות ניהול הייצור, בקרת איכות, רכש ואספקה.

חוקי זכויות יוצרים:

הדפסה וסריקה תלת ממדית מאפשרות העתקה, שכפול והפצה בקלות שלא הייתה מוכרת עד היום. הנושא מעורר ענין ויש לצפות לחקיקה בעתיד שיכולה להשתנות ממדינה למדינה עם הגבלות מיוחדות על מה מותר להדפיס. כלי נשק למשל אינם מותרים להדפסה בכל מקום. 

 

גל רז 

בכל שבוע אני מפרסם ניוזלטר עם תקציר של 10 הידיעות המעניינות ביותר בתחום ההדפסה התלת ממדית. הניוזלטר עוזר לכם להשאר מעודכנים וחוסך את הצורך לעבור על מאות ידיעות חדשות כל שבוע (אני עושה זאת בשבילכם) להרשמה, כנסו ללניק הבא: 10X3D printing newsletter

במידה ותגלו שהמייל השבועי לא תורם, מפריע, מרעיש או מיותר, אל דאגה. לכל מייל מצורף כפתור הסרה.

השוואה בין תכונות חומר גלם להדפסה

הנדסת מכונות בקיצור היא גאומטריה וחומר, כאשר החומר מסווג לפי מספר קטגוריות של חוזק, מוליכות, משקל, קשיות ועוד תכונות המכונות "תכונות חומר הגלם" או "תכונות מכניות".

כל ההשוואה בין חומרים ושיטות ההדפסה דורשת דבר ראשון הבנה בסיסית של התכונות הנדרשות וההבדלים ביניהן . 

גליל של חומר גלם 

כדי לפשט את הנושא נתמקד בחמישה חומרי גלם פלסטיים נפוצים, בשלוש שיטות הדפסה ובארבע תכונות מכניות החשובות לתכנון חלקים הנדסיים. לצערנו המגוון של חומרי גלם שניתן להדפיס איתם כיום הוא כ 200 ומתוכם, שלושת החומרים הנפוצים ביותר לייצור בהדפסה תלת ממדית הם החומרים פלסטיים מסוג ABS, PLA וניילון 12. 

ABS וניילון הם פולימרים פלסטיים מוכרים ונפוצים מאוד בתעשייה. PLA הוא פולימר אורגני המופק בעיקר מתירס ותכונותיו מתאימות במיוחד לשימוש במזון לכלים חד פעמיים

ABS ו PLA ניתן להדפיס רק בשיטת ההדפסה של FFF או FDM (התכה ומיזוג לצורך מידול ). בשיטות אלו חומר הגלם מסופק כחוט המלופף על גליל .

Polycarbonate) PC ) הוא חומר פלסטי נוסף אותו נמצא רק בשיטת ההדפסה בחוט - FDM . 

ניילון 12 ניתן להדפיס גם ב FDM אבל, הוא נפוץ בעיקר בשיטת ההדפסה SLS המשתמשת בלייזר למצק אבקת ניילון בסינטור . תהליך בו הלייזר מספק אנרגית חום עד לטמפ. הנמוכה במקצת מנקודת ההתכה.

שיטת יצור נוספת היא ה Polyjet המוכרת בעיקר מהמדפסות של חברת אובג'ט. בשיטה זו מזריקים שרף המתמצק על ידי חשיפה לאור. לשיטת ה Polyjet מספר רב של חומרי גלם ייחודיים. ה VeroClear הוא אחד הנפוצים ולכן נכניס גם אותו להשוואה. חומרי הגלם ב Polyjet משנים את תכונותיהם בחשיפה לאור ולחות ולכן הם נפוצים יותר למודלים ופחות לשימושים הנדסיים. 

ננסה להשוות על פי ארבע תכונות מכניות חשובות*:

בדיקת הלימה

1.  משקל סגולי או צפיפות – בפשטות, עם נכפיל את המשקל הסגולי בנפח, נקבל את משקל החלק. המשקל הסגולי של מים הוא בקרוב 1 גרם לסמ"ק.
2.  חוזק למתיחה (Tensile Strength) – מקסימום כוח מתיחה שאפשר להפעיל על חלק עד לנקודה בה הוא נכשל 
3.  קשיחות – (Toughness ) – הקשיחות מעלה את הסבירות לשבר כאשר החלק מקבל מכה למשל, בנפילה על משטח קשה. זו הסיבה שעל מסך הזכוכית וחלקי האלומיניום הקשיחים בטלפון הסלולרי אנחנו מגנים בעזרת כיסוי פלסטיק זול. קימות מספר שיטות מדידה לקשיחות הבודקות את יכולת החומר לספוג אנרגיה מבלי להישבר. בפלסטיק מבצעים בדיקת הלימה או Impact. נשווה בין החומרים על פי Izod Impact notched . ככל שהערך נמוך יותר, החומר שביר יותר בנפילה. 
4.  טמפרטורת מעוות (Heat deflection temperature) – הטמפרטורה בה חלק פלסטיק מתעוות תחת מאמץ נתון

חומר גלם	שיטת ייצור	משקל סגולי	חוזק למתיחה	קשיחות	טמפ. מעוות
VeroClear	Polyjet	1.18 g/cm3	50 Mpa	20 j/m	47 c
PLA	FDM/FFF	1.25 g/cm3	50 Mpa	80 j/m	65 c
ABS	FDM/FFF	1.04 g/cm3	33 Mpa	106 j/m	95 c
PC	FDM/FFF	1.2 g/cm3	68 Mpa	53 j/m	137 c
Nylon 12	FDM/FFF	1.01 g/cm3	48 Mpa	200  j/m	97 c
Nylon 12	SLS	0.93 g/cm3	48 Mpa	220  j/m	163 c

כל הנתונים נלקחו מהפרסומים של חברות *EOS, 3D systems, Stratasys

על פי הטבלה המצורפת, קל לראות מדוע ניילון 12 הוא החומר הפלסטי המועדף לייצור בהדפסה תלת ממדית במיוחד בשיטת הייצור ב SLS המאפשרת קבלת יחס חוזק למשקל פנטסטי.

בעת בחירת חומר גלם ושיטת הדפסה יש להתחשב במספר פרמטרים נוספים, הנפוצים הם:  

•  בהדפסה בשיטת FDM או FFF יש פער גדול בין תכונות החלק בציר ההדפסה Z (הגובה) לצירים X,Y כאשר לאורך ציר Z החלק חלש משמעותית.
• עמידות לשחיקה מכנית – בשיטת הייצור ב SLS ניתן להוסיף כדוריות זכוכית או אלומיניום להדפסה ולקבל חלקים העמידים יותר בשחיקה. ב FDM ניתן להשתמש בחומרים אקזוטיים כגון אולטם  
• הולכת חום – בעקרון, פלסטיק הוא מוליך חום גרוע. תוספת אלומיניום לניילון 12 יכולה לשפר את המצב.
• עמידות בתנאי סביבה – PLA  מתפרק בחשיפה ממושכת לשמש או למים. חומרי ה Polyjet סופחים לחות. חלקים המודפסים ב FDM לא יכולים לעמוד בלחצי נוזלים. ABS מושפע בקלות מממיסים שונים כגון אצטון.