איך לבחור טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית

פרק זה מיועד עבור מי שמעוניין להדפיס מודלים תלת מימדיים, באופן ביתי או מקצועי ומתלבט באיזו טכנולוגיית הדפסה עליו לבחור. נפרט את השיקולים שיש לבצע לפני בחירת טכנולוגיית ההדפסה הרצויה.

הקדמה:

על מנת להתחיל בתהליך ייצור באמצעות הדפסה תלת מימדית, ישנם מספר קריטריונים ושיקולים שיש לקחת בחשבון לפני תחילת ההדפסה. תחילה, על מנת לבחור טכנולוגיית הדפסה יש לחדד את הצורך עבורו מיועדת ההדפסה.הצרכים השונים משפיעים על בחירת טכנולוגיית ההדפסה.

צרכים עבור ההדפסה התלת מימדית

ניתן לסווג את הצרכים לפי מגוון קריטריונים:
חשיבות נראות המוצר לעומת החוזק המכני שלו

שנן מדפסות המשלבות את שתי היכולות בצורה אופטימאלית ומאפשרות ייצור של מודלים בעלי חוזק מכני שמתאים לשימוש בתעשיה, יחד עם גימור סופי איכותי. אך כאן נכנס גם מרכיב המחיר של ההדפסה, תכונות המדפסת ומגבלותיה, חומר ההדפסה ואפשרויות ייחודיות הקיימות בטכנולוגיות הדפסה מסוימות (לדוגמא הדפסה בצבע).

 דגמים נראותיים – מודלים המיועדים להצגת ההיבט האסתטי של המוצר, עבור דגמי אדריכלות, פסלים, דגמים נראותיים ראשונים של מוצרים וכו'. בדרך כלל, דגמים נראותיים דורשים טכנולוגיה שתאפשר עובי שכבה נמוך, רזולוציה גבוהה, ולעיתים אף הדפסה צבעונית. מנגד, החשיבות של האמינות המכנית והחוזק המבני של החלקים במקרה זה פוחתת.

 דגמים פונקציונאליים – מודלים המיועדים להוכיח היתכנות של רעיון או פעולה של מנגנון. בדגמים מסוג זה ניתן להשתמש במדפסות בעלות רזולוציה נמוכה יותר, אך החוזק המכני של הרכיבים מוכרח לדמות את החוזק של המוצר הסופי על מנת לבחון את תפקודו כמוצר פעיל.

 רכיבים או מוצרים סופיים – מוצרים אשר מיועדים לשימוש ישיר בתעשיה. מוצרים אלו דורשים בדרך כלל מדפסת המשלבת בתוכה יכולת לייצר מוצר בעל אמינות מכני, חוזק ועמידות, יחד עם גימור סופי טוב ורזולוציית הדפסה גבוהה.

לפי הטכנולוגיות המאפשרות את ייצורן.

החומר הדרוש

קיים מגוון רחב של חומרים שניתן להשתמש בהם בהדפסה תלת מימדית. יש להעריך מהן התכונות הדרושות למוצר ועל בסיס אלה לבחור חומר המאפשר את קיומן.

לדוגמה: חוזק, גמישות, שקיפות, עמידות בחום, וכו'.

כאשר ידוע מהו החומר הרצוי, בחירת המדפסת תיעשה לפי הטכנולוגיות שמאפשרות הדפסה בחומר הרצוי. לעיתים יש יותר ממדפסת אחת המאפשרת הדפסה בחומר מסויים. במקרים כאלה הבחירה תיעשה הן לפי מחיר ההדפסה והן לפי תכונות המדפסת.

למעבר למאמר אודות  אודות  חומרי הדפסה שונים 

תכונות המדפסת הרצויות

לפני בחירת הטכנולוגיה יש להגדיר את תכונות המדפסת הרצויות. המדפסות נבדלות זו מזו במספר מאפיינים:

רזולוציה– עובי השכבה ורזולוציית ההדפסה משפיעים על גימור המודל ונאמנותו לקובץ שתוכנן.

גודל המגש-גודלי מגש ההדפסה משתנים ממדפסת למדפסת. כאשר מגש ההדפסה של המדפסת הרצויה קטן מדי עבור המודל, ניתן לפצל את המודל למספר חלקים ולחבר אותו לאחר ההדפסה. בנוסף, שימוש במגש הדפסה גדול מדי עבור מודל קטן יכול לגרום לבזבוז זמן ועקב כך לעלייה מיותרת במחיר.

זמן-למדפסות שונות מהירויות הדפסה שונות. לעיתים, יש צורך בזמן קירור/חימום נוסף לאחר ההדפסה. זמן ההדפסה הוא שיקול שיש לקחת בחשבון בבחירת טכנולוגיית ההדפסה, הן מטעמי מחיר והן מטעמי לוחות זמנים.

עיבוד לאחר ההדפסה-  ניתן לחלק את העיבוד לאחר ההדפסה לשני סוגים:

עיבוד חיוני: ביצוע תהליך מחייב שבלעדיו למוצר לא יהיו התכונות הסופיות שלו מבחינת חוזק מכני או מבחינת נראות. לדוגמא הקשיה נוספת, קירור או הסרת חומר תמיכה.

עיבוד שאינו חיוני: תהליכים שניתן לעשות בסיום ההדפסה על מנת לתת מענה עבור דרישות המוצר. לדוגמא שיוף או צביעה.

סיווג התכונות החומריות הקיימות לפי הטכנולוגיות העושות בהם שימוש

כפי שנאמר, בטרם בחירת תהליך ההדפסה, חשוב להגדיר מהן הדרישות הנראותיות והמכניות של המוצר. קיים מגוון רחב של מאפיינים שניתן לקבל באמצעות הדפסה תלת מימדית. להלן סקירה של התכונות העיקריות הנדרשות בייצור מוצרים שונים.

מאפיינים נראותיים

שימוש במספר חומרים בהדפסה:

טכנולוגית ה material jetting המבוססת על הזרקת חומר שמתקשה בחשיפה לקרן UV, מאפשרת שימוש במספר חומרים בעלי תכונות שונות בהדפסה אחת (גמישות, שקיפות, קשיחות וכו').

צבעוניות

בעוד שיש טכנולוגיות הדפסה מסויימות מאפשרות הדפסה מונוכרומטית בחומר צבעוני (כלומר מודל שכולו בצבע אחד), ישנן שתי טכנולוגיות המאפשרות הדפסה של מודלים צבעוניים המשלבים מספר צבעים בהדפסה אחת:

binder jetting– מבוססת על הזרקה של חומר מגבש לתוך אבקה,לדוגמא גבס.

והשניה material jetting.

שקיפות

ישנן שתי טכנולוגיות הדפסה המאפשרות הדפסה של מודלים שקופים.

האחת material jetting טכנולוגיה זו מאפשרת ליצור מודלים שקופים ומשתמשת בתומכים מסיסים במים הניתנים להסרה בעזרת נוזל בסיום ההדפסה.

והשניה SLA\ DLP טכנולוגיות המבוססות על שימוש בפוטופולימרים המתמצקים בחשיפה לאורך גל מסוים. טכנולוגיות אלה מחייבות שימוש בתומכים ויש צורך להסירם בעזרת כלי חיוך או פצירה  ולעבד את נקודות ההשקה שלהם למודל בסיום ההדפסה.
  

גימור חלק

ניתן לייצר בעזרת SLA/DLP ובעזרת material jetting .

טקסטורה המדמה חומר מסויים/ בעלת תכונות דומות

טכנולוגיית FDM –  מאפשרת שימוש בפילמנט (חומר הדפסה) המכיל ריכוז גבוהה של שבבי חומר מסויים, ועל ידי כך מעניקה למודל תכונות דומות לחומר אותו הוא מכיל. ניתן ליצור נראות הדומה לעץ או למתכת בעזרת פילמנטים המתאימים לכך. בנוסף, ניתן לייצר בעזרת טכנולוגיה זו מודלים בעלי גמישות גבוהה, בעלי תכונות דומות לגומי.

מודלים בעלי נראות ותכונות הדומות לגומי ניתן לייצר גם בעזרת material jetting או SLA/DLP אך טכנולוגיות אלה מאפשרות ייצור גמישות פחותה.
מאפיינים מכאניים

גמישות

ניתן לייצר מודלים גמישים בעזרת מספר טכנולוגיות:

FDMמאפשרת ייצור של מודלים בעלי יכולת מתיחה גבוהה, יש צורך בתומכים.

SLSטכנולוגיה המבוססת על סינטור של אבקת חומר. מאפשרת ייצור של מודלים בעלי יכולת מתיחה גבוהה ללא צורך בתומכים.

SLA/ DLP– מאפשרת ייצור מודלים בעלי גמישות, אך הם אינם בעלי כושר מתיחה גבוה. יש צורך בתומכים.

Material jetting – מאפשרת ייצור מודלים בעלי גמישות, אך הם אינם בעלי כושר מתיחה גבוה. אין צורך בתומכים.
 
חוזק

חוזק המוצרים המודפסים נבדל לפי סוג החומר המודפס. ישנן מדפסות שמאפשרות הדפסה במתכת  (DMLS, SLM,binder jetting) ומאפשרות יצירה של מודלים חזקים ביותר המתאימים לשימוש בתעשיות השונות.  ניתן לייצר גם מודלים חזקים מפלסטיק (לדוגמא בטכנולוגית SLS).

עמידות בחום/ אש

ניתן לייצר מודלים עמידים בחום בעזרת מספר טכנולוגיות:

SLA/DLP

SLS

תאימות ביולוגית (ביוקומפטביליות) או התאמה למאכל

ניתן לייצר מודלים בעלי תאימות ביולוגית או בעלי תאימות למאכל בעזרת הטכנולוגיות הבאות:

DMLS/SLMטכנולוגיות המשמשות ליצירת מודלים ממתכת על ידי התכה או קרוב להתכה של אבקה באמצעות לייזר.  (הרחבה בנושא SLM בפרק 5 )

FDM

SLA/DLP

חומרי הדפסה

ניתן לחלק את חומרי ההדפסה למספר קבוצות מרכזיות: מתכות, פולימרים (פלסטיק)

וחומרים קראמיים. בהמשך פרק זה נתמקד בכל אחת מקבוצות אלה, במאפיינים ובשימושים שלהן.

ישנן מספר תצורות לחומרי ההדפסה השונים: אבקה, סליל חומר ונוזל סמיך שנקרא שרף (resin), והן משתנות בהתאם לטכנולוגיית ההדפסה.

פולימרים (חומרים פלסטיים)
חומרים תרמוסטים

הפולימרים מתחלקים לשתי קבוצות: תרמופלסטיים ותרמוסטיים. ההבדל בין השניים טמון ביכולת החומרים לעבור למצב צבירה מוצק וחזרה לנוזל. בעוד שחומרים טרמופלסטיים מוצקים ניתנים להתכה וניתן לבצע בהם התכות חוזרות ונשנות גם אחרי התקררותם והפיכתם למוצקים, חומרים תרמוסטיים יכולים להפוך למוצקים בתהליך חד פעמי בלבד ובעת חשיפה לטמפרטורות מסוימות הם מתפרקים ונשרפים.

חומרים אלה מתאימים לדגמים נראותיים בהם ישנה חשיבות עיקרית לאסתטיקה ולנראות המוצר. ניתן לייצר איתם גימור משטחים חלק, ואף לקבל תכונות מיוחדות כגון גמישות או התאמה לשימושים רפואיים. לעומת זאת, הם פחות מתאימים לשימוש פונקציונאלי היות והם שבירים ופריכים.

לחומרים התרמוסטים שני מצבי צבירה אפשריים, נוזל ומוצק. כפי שנאמר קודם לכן, חומרים אלה יכולים לעבור למצב צבירה מוצק בתהליך חד פעמי שאינו מאפשר את חזרתם למצב הצבירה הנוזלי הקודם.

הפיכת החומרים התרמוסטיים למוצקים יכול להיגרם ממספר גורמים המשתנים בין חומר לחומר. חלק מהחומרים מתקשים בעת חשיפה לחום וחלקם בעת חשיפה לאורך או סוג גל מסויים.
ישנם חומרים תרמוסטיים המתקשים בעת חשיפה לקרני אור מסוימות, בדרך כלל קרני UV. חומרים אלה נקראים חומרים פוטופולימרים.

טכנולוגיות ההדפסה המשתמשות בפוטופולימרים על מנת ליצור מודלים מוצקים הן SLA, DLP, והזרקת חומר (Material Jetting). בעוד SLA ו-DLP מייצרות גימור פחות חלק היות והן מצריכות שימוש בתומכים,הזרקת חומר מאפשרת יצירה של מודלים עם גימור יותר חלק בעזרת שימוש בתומכים מסיסים. עם זאת, טכנולוגיית הזרקת חומר היא יותר יקרה.

חומרים תרמופלסטים

חומרים אלה מתאימים לייצור מוצרים פונקציונליים הניתנים לשימוש ישיר בתעשיה. ניתן לייצר בהם מוצרים בעלי אמינות מכנית גבוהה וחוזק מבני, וחלקם מתאימים למוצרי מזון ומגע עור. את התוצר הסופי ניתן למחזר והוא בטוח לשימוש. מנגד, אין אפשרות לייצר מוצרים שקופים, ובחלק מהטכנולוגיות פני השטח פחות חלקים.

טכנולוגיות ההדפסה המשתמשות בחומרים תרמופלטים הן FDM MJF ו-SLS.
בטכנולוגית FDM, החומר התרמופלסטי מגיע במצב צבירה מוצק בצורת סליל חומר. הסליל עובר דרך צינורית קטנה ומחוממת בתהליך שנקרא שיחול, ובעזרת הסליל המותך נבנה המודל התלת מימדי. בטכנולוגיה זו, התוצר אינו חלק וניתן לראות את שכבות ההדפסה. בנוסף, הטכנולוגיה משתמשת בתומכים המשאירים חותם על התוצר המודפס.

בטכנולוגיות SLS וMJF החומר מגיע כאבקת פלסטיק העוברת תהליך של סינטור או התכה. תהליך זה גורם לגרגירי הפלסטיק להתאחד למודל מוצק אחד. בטכנולוגיה זו אין צורך בתומכים.

מתכת

מוצרים המודפסים במתכת הם בעלי חוזק מבני, עמידות בתנאי חום קיצוניים והתאמה לשימוש בתעשיה בתור מוצרים פונקציונליים. כיום, התעשיות ההנדסיות והרפואיות עושות שימוש במדפסות מתכת עבור יצירה של מוצרים קלי משקל יחסית למוצרים שיוצרו בשיטות ייצור מסורתיות.

טכנולוגיות ההדפסה המשתמשות במתכות הן DMLS, SLM ו-Binder Jetting.
טכנולוגיות DMLS ו-SLM מאפשרות ייצור מודלים בעלי רזולוציה גבוהה יותר ועם אמינות מכנית גבוהה יותראך טכנולוגיית Binder Jetting מאפשרת ייצור מודלים בעלות זולה יותר ובקנה מידה יותר גדול.

חומרים קרמיים

הדפסה בחומרים קרמיים מאפשרת יצירת דגמים נראותיים ואף צבעוניים במידת הצורך. חומרים אלה הם שבירים מאוד אם לא מבוצע בהם תהליך חיזוק מכוון לאחר ההדפסה. לכן, הם בדרך כלל לא מתאימים לשימושים פונקציונליים בתעשיה, אלא משמשים לייצור דגמים אסתטיים, כמו לדוגמה מודלים אדריכליים.
המדפסת המשתמשות בחומרים קרמיים משתייכות לטכנולוגיית ההדפסה מסוג Binder Jetting.