סקירת טכנולוגיות שונות להדפסה תלת מימדית

פרק זה מיועד עבור מי שמתעניין בטכנולוגיות הדפסה שונות ובהבדלים ביניהן. פרק זה יעסוק בסקירה של טכנולוגיות ההדפסה הקיימות כיום והסברת כל שיטה בפרט.

הקדמה

היות וקיים מבחר נרחב של טכנולוגיות הדפסה, מספר טכנולוגיות שונות יכולות להוות מענה לצורך מסוים. מידע על השימושים השונים בהדפסה תלת מימדית ניתן למצוא בפרק השני במדריך זה.
כל מדפסת ניחנת בתכונות משלה, מהם עולים היתרונות והחסרונות שלה בביצוע כל פרוייקט. המדפסות נבדלות זו מזו ברזולוציה שלהן, מהירות ההדפסה, עלות ההדפסה, תכונות החומרים איתן הן יכולות לעבוד, ועוד.
אז איך בכל זאת ניתן לבחור את המדפסת המתאימה ביותר? לשם כך סיווגנו במסמך הבא את המדפסות לפי ההבדלים בין כל טכנולוגיית הדפסה.

שיחול חומר (material extrusion)

שיחול הוא תהליך בו חומר בצורה ומבנה מסוימים מאולץ, באמצעות דחיסה לעבור דרך גוף בעל שטח חתך קטן יותר בדרך זו מתקבל שטח חתך חדש וצורת החומר משתנה. תהליך זה דומה לשימוש באקדח דבק חם בו מקל הדבק נדחס דרך חריר קטן ומשנה את צורתו. בטכנולוגית הדפסה זו החומר משוחל דרך דיזה ובונה את המודל התלת מימדי שכבה אחר שכבה.

הדפסת סליל  (FDM מידול בריבוד מותך Fused Deposition Modeling)

שלפעמים קרויה גם FFF (ראשי תיבות של Fused Filament Fabrication.)

תהליך ההדפסה:

מדפסות FDM משתמשות בחומר טרמופלסטי
  (חומר שעם התחממותו הוא מתרכך וניתן לעיצוב ללא שינוי משמעותי בתכונותיו האחרות). חומר זה מגיע בתצורת סליל, אשר נדחס דרך ראש הדפסה מחומם ומותך תוך כדי כך. ראש ההדפסה זז ומפזר את החומר שהותך מהסליל באזורים שתוכננו, וכך בונה את המודל שכבה אחר שכבה. כאשר החומר מתקרר הוא מתקשה.

הדפסת סליל היא טכנולוגיית ההדפסה הנפוצה ביותר בעולם נכון להיום, היות ומדובר בטכנולוגיה מהירה וזולה יחסית עבור ייצור דגמי פלסטיק ואף ייצור של מוצרים סופיים.אף על פי כן, היא אינה מייצרת גימור חלק, וניתן לראות את שכבות הסליל המרכיב את המודל, בנוסף לסימנים באזור החיבור עם התומכים.

טכנולוגיה יצרנים עיקריים חומרים
FDM Stratasys, Ultimaker, MakerBot, Markforged ABS, PLA, Nylon, PC, fiber-reinforced Nylon, ULTEM, exotic filaments (wood-filled, metal-filled etc)

פוטופילמור

התמצקות של תמיסה נוזלית המכילה פולימרים בעקבות חשיפה לאור באורך גל מסוים. מדובר בפולימרים המשתייכים לקבוצת הפוטופולימרים, פולימרים הנקשרים זה לזה בעת חשיפה לאורך גל ספציפי. ישנן מספר טכנולוגיות הדפסה שמשתמשות בשיטה זו.

SLA

סטריאוליטוגרפיה stereolithography, סטריאו=מרחב, ליתוגרפיה=כתיבה, הדפסה

תהליך ההדפסה:
תחילה, הבמה שעליה מודפס המוצר מושקעת לתוך מיכל שקוף שמכיל תמיסה פוטופולימרית כך שרק שכבה דקה של תמיסה נוצרת על הבמה. לאחר מכן, קרן הלייזר של המכונה סורקת את הבמה וממצקת את הפולימר על גביה באזורים שתוכננו על ידי המעצב. כך, היא יוצרת את השכבה הראשונה בהדפסה. לאחר מכן, הבמה עולה מעט ומאפשרת לשכבה נוספת של תמיסה להיווצר מתחת לפולימר המוקשה. סריקה נוספת של הלייזר מקשה את השכבה הבאה וכך הלאה עד לקבלת המוצר הסופי. ייצור בעזרת SLA דורש עיבוד הכרחי לאחר ההדפסה. על מנת לשפר את התכונות המכניות של המוצר הוא עובר תהליך הקשחה בעזרת קרינת UV.

DLP

Digital light processin – עיבוד אור דיגיטלי

תהליך ההדפסה:

טכנולוגיה זו משתמשת גם היא בתגובה של פוטופולימרים לחשיפה לאור באורך גל מסוים. בניגוד לטכנולוגיית ה-SLA בה הלייזר עובר בכל שכבה באופן פרטני על כל נקודה, בשיטה זו נעשה שימוש במקרן שמקרין בכל שכבה בבת אחת את אורכי הגל המקשים את כל האזורים הנדרשים באופן מיידי. לכן, זמן ההדפסה בטכנולוגיה זו הוא מהיר יותר מאשר בטכנולוגיית SLA.
המקרן הוא מסך דיגיטלי, ובדומה למסכי המחשב שלנו הוא מורכב מפיקסלים. לכן, השכבה שנוצרת עשויה ממשולשים קטנים, Voxels, המקבילה התלת מימדית של פיקסל.
כמו בטכנולוגיית ה-SLA, גם בטכנולוגיה זו נדרש עיבוד לאחר ההדפסה – הקשיה בעזרת קרינת UV.

טכנולוגיות ה-SLA וה-DLP מאפשרות יצירה של חלקים עם פרטים עדינים והן מייצרות גימור סופי חלק. תכונות אלה טובות לייצור תכשיטים, אמצעים רפואיים, תבניות ועוד. אף על פי כן, טכנולוגיות אלה משתמשות בחומרים תרמוסטים. לכן, המוצרים הינם שבירים בהשוואה לטכנולוגיות אחרות המשתמשות בחומרים תרמופלסטיים.

 להרחבה בנושא סוגי חומרים – קרא בפרק הרביעי של מדריך זה.

טכנולוגיה יצרנים עיקריים חומרים
SLA Formlabs, 3D Systems, DWS Standard, tough, flexible, transparent, & castable resins
DLP B9 Creator, MoonRay Standard & castable resins

מקור: 3Dhubs

היתוך מצע אבקתי

Powder Bed Fusion בראשי תיבות (PBF) טכנולוגיה זו מבוססת על התכה של מצע אבקתי של פלסטיק, מתכת, ועוד, בעזרת מקור אנרגיה תרמית (לדוגמה לייזר או קרן אלקטרונית). בכל שכבה מתכסה הבמה כולה בשכבה אחידה ודקה של אבקה. לאחר מכן, היא עוברת תהליך התכה על ידי המקור התרמי במקומות שהוגדרו על ידי מתכנן המודל. בכל פעם יורדת הבמה מעט ומתכסה בשכבה דקה נוספת של אבקה שמותכת. כך, בסיום ההדפסה, טמון המודל המוצק בתוך אבקת החומר שלא הותך. PBF שמבוססות על פולימרים מאפשרות חופש עיצובי וייצור אלמנטים בעלי גיאומטריה מורכבת, היות ואין בטכנולוגיה זו צורך בתומכים. אובייקטים המודפסים בשיטה זו בדרך כלל מתאימים לשימוש כתוצר סופי, הם בעלי חוזק ועמידות מכאנית שלעיתים אף יותר טובה משימוש בחומרים זהים בטכנולוגיות ייצור מסורתיות. ניתן להעניק לאלמנטים המודפסים בשיטה זו גימור חלק לחלוטין. עיקר המגבלות של טכנולוגיה זו נובעות מהתכווצות מודלים בתהליך ההדפסה והיווצרות של עיוותים.

SLS

סינטור אבקה בעזרת לייזר סלקטיבי Selective Laser Sintering
טכנולוגיה זו משתמשת באבקת פלסטיק הנפרס בשכבות דקות בדומה ל-PBF. בכל שכבה, בעזרת קרן לייזר, עוברת האבקה תהליך של סינטור – חימום אבקה לטמפרטורה שהיא בערך 80% מטמפרטורת ההתכה של החומר, כך שגרגירי האבקה מתחברים זה לזה ויוצרים גוף קשיח. בסיום התהליך, המודל שקוע באבקה שלא עברה את התהליך, והיא ניתנת לשימוש חוזר. את האבקה יש לשאוב ואת המודל יש לנקות בעזרת מברשות, לחץ אוויר או ריסוס חול.
טכנולוגיה זו מאפשרת שימוש במגוון רחב של פולימרים, חומרים גמישים, חומרים המכילים מעכבי בעירה, סיבי זכוכית, ועוד. טכנולוגיה זו מאפשרת ייצור של מודלים סופיים שמיועדים לשימוש כמוצרים מוגמרים.

SLM

התכה בעזרת לייזר סלקטיבי Selective Laser Melting
טכנולוגיה זו משמשת ליצירת מודלים ממתכת על ידי התכה מלאה של האבקה באמצעות לייזר.
ישנה טכנולוגיה דומה בשם DMLS, בה האבקה מחוממת עד נקודה קרובה להתכה, שבה החומר מתחבר יחד כימית. שיטת DMLS עובדת עם סגסוגות בלבד, בעוד ש-SLM מאפשרת עבודה עם יסודות מתכתיים נפרדים (לדוגמה אלומיניום).
התהליך מתבצע בתא קר, סגור ומרוקן מחמצן ע"י הזרמה של גז אינרטי (גז שאינו עובר תהליכים כימיים בתנאים רגילים ומשמש למניעת תגובות כימיות לא רצויות במתכת כגון חימצון והידרוליזה).
בניגוד לטכנולוגית SLS, טכנולוגיה זו דורשת תומכים על מנת לפצות על הלחצים העודפים המיוצרים בתהליך בניית המודל. בנוסף, התומכים מסייעים בהפחתה של עיוותים במודל. התוצרים המתקבלים הם חזקים ומוכנים לשימוש. שימוש בטכנולוגיה זו נפוץ בתחום רפואת השיניים עבור יצירה של בסיס לכתרים מטיטניום.

EBM

התכה בעזרת אלומת אלקטרונים Electron Beam Melting טכנולוגיה נוספת המשמשת יצירה של מודלים ממתכת. הטכנולוגיה מבוססת על התכה בעזרת אלומת אלקטרונים, בניגוד ל-SLM שמשתמשת בלייזר. טכנולוגיה זו מייצרת פחות לחצים עודפים בחלקים, לכן הסכנה לעיוותים פוחתת והצורך בתומכים יורד.טכנולוגיה זו דורשת פחות אנרגיה ומייצרת שכבות יותר מהר מ-SLM ו-DMLS, אך התוצרים יוצאים באיכות נמוכה יותר בהיבטי עובי שכבה, גודל גרגר, וגימור המשטח. בנוסף, התהליך דורש שימוש בחומרים מוליכים בלבד ועליו להיעשות בתנאי ריק.

MJF

סינטור בעזרת הזרקת חומר למצע אבקתי Multi Jet Fusion
טכנולוגיה זו מבוססת על הזרקת חומר לתוך אבקת פלסטיק וחשיפה לאנרגיה אינפרה אדומה הגורמת להתכה וגיבוש מדויק של השכבה המודפסת. בעצם, מדובר בשילוב בין טכנולוגית SLS לטכנולוגית הזרקת דיו.
טכנולוגיה זו עובדת על ידי פיזור אחיד של אבקת פלסטיק, לתוכה מוזרק על ידי ראשי ההדפסה חומר מגבש באזורים הרצויים המעודד התכה של החומר בעת חשיפה למקור אנרגיה אינפרה אדומה.באותו הזמן, באזור גבולות האובייקט, מפוזר חומר שנקרא "Detailing" המונע סינטור. כך מוגדרים גבולות האובייקט בצורה ברורה ומדוייקת. לאחר מכן, מקור חזק של אנרגיה אינפרה אדומה עובר מעל משטח הבניה וגורם להתכה באזורים בהם פוזר החומר המגבש.

השוואה בין MJF לSLS

PBF שמבוססות על פולימרים מאפשרות חופש עיצובי וייצור אלמנטים בעלי גאומטריה מורכבת היות ואין בטכנולוגיה זו צורך בתומכים. אובייקטים המודפסים בשיטה זו בדרך כלל מתאימים לשימוש כתוצר סופי, הם בעלי חוזק ועמידות מכאנית שלעיתים אף יותר טובה משימוש בחומרים זהים בטכנולוגיות ייצור מסורתיות. ניתן להעניק לאלמנטים המודפסים בשיטה זו גימור חלק לחלוטין.

עיקר המגבלות של טכנולוגיה זו נובעות מהתכווצות מודלים בתהליך ההדפסה והיווצרות של עיוותים.

טכנולוגיה יצרנים עיקריים חומרים
SLS EOS, 3D Systems, לסקירת מדפסות SLS שונות הקיימות בשוק
לסקירת מדפסות הSLS של EOS
Nylon, alumide, carbon-fiber filled nylon, PEEK, TPU
SLM/DMLS EOS, 3D Systems, Sinterit Aluminum, titanium, stainless steel, nickel alloys, cobalt-chrome
EBM Arcam Titanium, cobalt-chrome
MJF HP לסקירה על מכונת HP 4200:
לסקירה על מכונת HP 580:
Nylon

Material Jetting - הזרקת חומר

בטכנולוגיה זו, בדומה לטכנולוגיית הזרקת דיו, ראשי ההדפסה מטפטפים טיפות קטנות של חומר. להבדיל מ-MJF, מדובר באלפי טיפות של חומר נוזלי המתקשה בחשיפה ל-UV או חום. בנוסף, חומר זה הוא אינו חומר מגבש כלשהו, אלא החומר עצמו ממנו יהיה מורכב המודל הסופי. טכנולוגיה זו מאפשרת הדפסה בכמה חומרים במקביל ואף ניתן להדפיס תומכים מסיסים במים.

NPJ - הזרקת ננו-חלקיקים

טכנולוגיה זו משתמשת בנוזל מיוחד המכיל ננו חלקיקים של מתכות שונות. ראשי ההדפסה מטפטפים את הנוזל במקומות המיועדים לכך על מגש ההדפסה. בעקבות החום הרב בתהליך ההדפסה, הנוזל בו נמצאים חלקיקי המתכת מתאדה ומותיר אחריו שכבות של מתכת.טכנולוגיה זו מאפשרת לייצר מודלים ממתכת בצורה מהירה משמעותית ממדפסות המבוססות על לייזר.

טכנולוגיה זו מתאימה לייצור חלקים מדוייקים, בעלי גימור חלק היכולים לשמש כתוצר סופי.

טכנולוגיה יצרנים עיקריים חומרים
Material jetting Stratasys (Polyjet), 3D Systems (MultiJet )https://www.stratasys.com/3d-printers Rigid, transparent, multi-color, rubber-like, ABS-like. Multi-material and multi-color printing available
NPJ Xjet Stainless steel, ceramics

Binder Jetting - הזרקת חומר מגבש

טכנולוגיה זו פועלת על פיזור של שכבות אבקה והדבקתן על ידי חומר מגבש המוזרק על גביהן. בטכנולוגיה זו ניתן לייצר מודלים מחומרים קרמיים (גבס, זכוכית) וממתכות. תהליך ההדפסה כולל פריסה של שכבה דקה של אבקה על גבי במת ההדפסה. מעל השכבה נע ראש הדפסה המפזר טיפות של חומר מגבש במקומות שהוגדרו לכך על ידי מתכנן המודל. עם סיומה של כל שכבה, במת ההדפסה נעה כלפי מטה, מעליה מפוזרת שכבה חדשה של חומר, והתהליך חוזר על עצמו.
היות וטכנולוגיה זו מאפשרת שימוש בחומרים "פריכים" כדוגמת גבס, המוצרים דורשים עיבוד נוסף של חיזוק הנעשה בדרך כלל בעזרת דבק מהיר או אפוקסי.
בדומה למדפסת הזרקת דיו ביתית המדפיסה על נייר, גם כאן ניתן להשתמש במספר ראשי דיו צבעוניים במקביל וכך לקבל מודלים צבעוניים.
שיטה זו מתאימה ליצירה של דגמים אסתטיים כמו מודלים אדריכליים, אך היא אינה מיועדת לייצור רכיבים פעילים היות והחלקים הם שבירים מאוד.
הדפסת מתכת בטכנולוגיה זו היא זולה יותר מטכנולוגיות SLM ו-DMLS, אך התוצרים הינם בעלי מאפיינים מכניים פחותים.

טכנולוגיה יצרנים עיקריים חומרים
Binder jetting 3D Systems, Voxeljet particle material, gypsum,Silica sand, PMMA
ExOne Stainless steel, ceramics, cobalt-chrome, tungsten-carbide

Direct Energy Deposition - DED

 Direct Energy Deposition השמת אנרגיה ישירה

טכנולוגיה זו מיועדת למתכות בלבד, ופועלת על ידי התכה ישירה של אבקה באזור בו היא מיושמת. בנוסף, היא מאפשרת הוספת חומר על רכיבים קיימים.

טכנולוגיה זו משתמשת בלייזר או בקרן אלקטרונים. הלייזר יוצר בריכת התכה במקום בו מיועד להיות חומר, וחומר מפוזר באזור. כך האבקה מותכת ולאחר מכן מתמצקת כאשר היא מתקררת. הבסיס עליו נבנה המודל הוא בדרך כלל מגש מתכת או רכיב קיים. טכנולוגיה זו מאפשרת ייצור חלקים חדשים ובנוסף תיקון חלקים קיימים או הוספה של אלמנטים על חלקים קיימים.
טכנולוגיה יצרנים עיקריים חומרים
LENS (לייזר) Optomec Titanium, stainless steel, aluminum, copper, tool steel
EBAM (קרן אלקטרונים) Sciaky Inc Titanium, stainless steel, aluminum, copper nickel, 4340 steel