היכרות עם הדפסת תלת מימד במתכת

פרק זה מיועד עבור מי שמתעניין בטכנולוגיות הדפסה תלת מימדית במתכת, באופן פעולתן ובהבדלים ביניהן ויעסוק בשאלות כמו איך הדפסת מתכת עובדת? מה ההבדל בין טכנולוגיות הדפסת מתכת שונות? באיזה טכנולוגיה כדאי לבחור?

תוכן עניינים

הקדמה

הדפסה תלת מימדית במתכת משנה את חוקי המשחק של עולם היצור כפי שאנחנו מכירים אותו כיום.

מדפסות המתכת נמצאות בסביבה כבר מספר שנים, אך בעוד שבעבר מדובר היה בטכנולוגיה יקרה ביותר ובלתי נגישה, כיום ייצור במדפסות מתכת הופך לנגיש ויעיל יותר ואף מציב מתחרה ישיר לשיטות הייצור המסורתיות במתכת.

הדפסת מתכת פותחת אפשרויות חדשניות ליצירת מוצרים שלא היו ניתנים לייצור באף שיטה אחרת, אם בשל גאומטריה מורכבת או בגלל לחצים פנימיים שהיו נוצרים כתוצר לוואי בתהליך או בגלל צורך בהתאמה אישית מהירה של החלק.

>> לקריאה נוספת על דרכים בהן הדפסת מתכת משנה את העולם

 

קיימות 5 דרכים מרכזיות להדפסת מתכת. מדפסות המתכת נבדלות זו מזו בתצורה בה החומר המקורי מגיע ובסוגו ובמוקד הגורם לאיחוי שכבות המתכת והפיכתן למודל תלת מימדי. הבדלים אלה מספקים לכל אחת מהטכנולוגיות יתרונות וחסרונות משלה המתבטאים בזמן ההדפסה, עלות ההדפסה, איכות התוצר והחומרים הניתנים להדפסה.

בפרק זה נסביר כיצד כל אחת מטכנולוגיות אלה פועלת ומה ההבדלים ביניהן.

 

PBF – Powder Bed Fusion – התכת מצע אבקתי

PBF היא משפחת טכנולוגיות הדפסה תלת ממדית המאגדת תחתיה מספר טכנולוגיות המאפשרות הדפסה בחומרים שונים. בכל טכנולוגיות הPBF ההדפסה התלת ממדית מתבצעת בעזרת פיזור מצע אבקתי על מגש ההדפסה, שכבה אחר שכבה. בכל שכבה מתאחה האזור הרצוי בעקבות חשיפה לאנרגיה תרמית וכך נבנה המודל התלת ממדי. בסיום ההדפסה המודל מצוי בתוך מגש מלא באבקה שלא עברה תהליך איחוי ויש להוציאו ממנה. טכנולוגיות הPBF נבדלות זו מזו בחומר המצוי באבקה ובמקור האנרגיה הגורם לאיחוי חלקיקי האבקה.

במדפסות מתכת המשתייכות למשפחת הPBF איחוי חלקיקי המתכת נעשה בעזרת קרן לייזר או קרן אלקטרונים.

תהליך ההדפסה במתכת בטכנולוגיות PBF

  1. הזרמת גז אינרטי (לדוגמא ארגון) לחלל ההדפסה- תהליך ההדפסה מתבצע בתא 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. לאחר מכן חלל ההדפסה מחום לטמפרטורה הדרושה לתהליך.
  2. פיזור השכבות ואיחוי האבקה- שכבה דקה ביותר של אבקת מתכת מפוזרת על משטח ההדפסה. האזורים המיועדים להיות מוקשחים, נחשפים לאנרגיה תרמית ממוקדת (לדוגמא קרן לייזר או קרן אלקטרונים) ועוברים התכה או סינתור הגורמים לאיחוי בין חלקיקי האבקה.
  3. ירידת מגש ההדפסה ופיזור שכבות בזו אחר זו- בסיום ההתכה (או הסינתור) של שכבה אחת, מגש ההדפסה יורד מעט ומעל לשכבה הראשונה מפוזרת שכבה נוספת העוברת תהליך איחוי זהה. כך שכבה אחר שכבה חלקיקי אבקת המתכת הרצויים נחשפים למקור אנרגיה ממוקד ומתאחים אחד לשני ויוצרים מודל קשיח תלת מימדי המוטמע בתוך האבקה שלא עברה איחוי.
  4. קירור החלק והסרת האבקה העודפת- בסיום ההדפסה החלק המודפס שקוע כולו בתוך האבקה וטמפרטורת המדפסת גבווה ביותר. לאחר התקררות, החלק מחולץ מן האבקה.
  5. טיפול תרמי- על מנת להגיע לחוזק הסופי, מודלי המתכת עוברים טיפול בחום בעוד שהחלק עדיין מחובר למגש ההדפסה, על מנת למנוע עיוותים ולחצים במודל.
    *בניגוד לטכנולוגית SLS, טכנולוגיה זו דורשת תומכים העשויים מהחומר המודפס על מנת לפצות על הלחצים העודפים המיוצרים בתהליך בניית המודל. בנוסף, התומכים מסייעים בהפחתה של עיוותים במודל. התוצרים המתקבלים הם חזקים ומוכנים לשימוש.
  6. הסרת המודל מהמגש ומעבר לטיפול מתקדם- היות והמודל המתכתי שהודפס מחובר ישירות למגש ההדפסה ומכיל תומכים, יש להסירו מהמגש ולהעביר את החלק לתהליך

DMLS – Direct Metal Laser Sintering סינטור מתכת ישיר בלייזר

DMLS מבוססת על טכנולוגית ה-(PBF (Powder Bed Fusion. במקרה זה, המצע האבקתי הוא חלקיקי מתכת קטנטנים ומקור האנרגיה הוא קרן לייזר. בטכנולוגיה זו ניתן להשתמש במגוון של סגסוגות אך לא ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו במתכות טהורות כלל. אבקת המתכת מפוזרת בשכבות אחידות על מצע ההדפסה ומחוממת עד טמפרטורה הקרובה לנקודת ההתכה שלה בה החומר מתחבר יחד כימית.

SLM – Selective Laser Melting
התכה בעזרת לייזר סלקטיבי

SLM היא טכנולוגיה בעלת דמיון רב באופן הפעולה לטכנולוגית DMLS מלבד מספר הבדלים. SLM גם היא מבוססת על טכנולוגית PBF בה אבקת מתכת עוברת תהליך איחוי כתוצאה מחשיפה לאנרגית חום. בניגוד ל-DMLS, בטכנולוגית SLM ניתן להשתמש במתכות טהורות בלבד ולא ניתן להשתמש בסגסוגות כלל. בנוסף בעוד שב-DMLS המתכות השונות בסגסוגת עוברות תהליך של סינטור הגורם להתאחות (חימום חומר עד לכ-70% מנקודת ההתכה שלו), בSLM היות ולא מדובר במספר מתכות אלא במתכת אחת, המתכות עוברות התכה מלאה הגורמת לאיחוי בין שכבות האבקה.

EBM – Electron Beam Melting
התכה בעזרת אלומת אלקטרונים

טכנולוגיה נוספת למשפחת הPBF. ההבדל בינה לבין טכנולוגיות ה-DMLS וה-SLM היא שמקור האנרגיה עבור תהליך ההתכה הוא אלומת אלקטרונים ולא לייזר. טכנולוגיה זו מייצרת פחות לחצים עודפים בחלקים, לכן הסכנה לעיוותים פוחתת והצורך בתומכים יורד. EBM דורשת פחות אנרגיה ומייצרת שכבות יותר מהר מ-SLM ו-DMLS, אך התוצרים יוצאים באיכות נמוכה יותר בהיבטי עובי שכבה, גודל גרגר, וגימור המשטח.

DED – Direct Energy Deposition
השמת אנרגיה ישירה

טכנולוגיה זו מבוססת גם היא על פיזור אבקת מתכת והתכתה, אך בשונה מטכנולוגיות PBF לא מדובר בשכבות אבקה המפוזרות על מצע ההדפסה ומותכות באזורים הרצויים אלא באבקה המפוזרת אך ורק במקום בו המודל עתיד להיווצר.
אבקת המתכת מתאחה ישירות במיקום בו היא פוזרה בעזרת קרן לייזר ממוקדת או בעזרת קרן אלקטרונים. קרן הלייזר או קרן האלקטרונים יוצרות בריכת התכה במקום בו מיועד להיות חומר, ואבקת המתכת מפוזרת באזור, כך האבקה מותכת ולאחר מכן מתמצקת כאשר היא מתקררת. הבסיס עליו נבנה המודל הוא בדרך כלל מגש מתכת או רכיב קיים. טכנולוגית DED מאפשרת ייצור חלקים חדשים אך גם הוספת חומר על רכיבים קיימים ועל ידי כך תיקון או שדרוג שלהם.

NPJ – Nano Particle Jetting 
הזרקת ננו חלקיקים

טכנולוגית NPJ איננה מבוססת על אבקה כלל. NPJ משתמשת בנוזל המכיל ננו חלקיקים של מתכות שונות. ראשי ההדפסה מטפטפים את טיפות המתכת במקומות המיועדים לכך על מגש ההדפסה יחד עם טיפות נוספות של חומר תמיכה שכבה אחר שכבה. בעקבות חום רב של כ-300 מעלות צלזיוס בתהליך ההדפסה הנוזל בו נמצאים חלקיקי המתכת מתאדה ומותיר אחריו שכבות של מתכת הנתמכות בעזרת חומר התמיכה. בסיום ההדפסה, חלקי המתכת נמצאים במצב "חצי מוכן" ועל מנת להיהפך למודל העשוי ממתכת מוקשה במלואו הם דורשים מעבר של תהליך סינטור.

FDM – Fused Deposition Modeling
הדפסת סליל

FDM היא משפחת טכנולוגיות הדפסה העושות שימוש בחומר תרמופלסטי (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.

Metal Extrusion
שיחול מתכת

טכנולוגיה זו משתייכת למשפחת הFDM. במקרה זה סליל החומר הנדחס דרך ראש ההדפסה הוא פולימר המכיל אחוזים גבוהים של אבקה מתכתית. המודל התלת ממדי שנוצר בסיום התהליך נמצא גם הוא במצב "חצי מוכן" בדומה לתוצר ההדפסה בטכנולוגית NPJ וזקוק לתהליך סינטור על מנת להגיע לתכונותיו הסופיות. טכנולוגיה זו משמשת בעיקר ליצירה של דגמים ואבי טיפוס מהירים יחסית, אך איכות התוצר הן מבחינה חומרית והן מבחינת נראות וגימור היא נמוכה משמעותית מהטכנולוגיות האחרות. כיום טכנולוגיות ההדפסה במתכת הנפוצות ביותר הן DMLS וה-SLM, הטכנולוגיה הנפוצה אחריהם היא ה-NPJ ואחריה טכנולוגית שיחול המתכת. לסיכום, הדפסת מתכת יעילה ומהירה נחשבת ל"גביע הקדוש" של תעשיית הייצור התוספתי ותעשיות הייצור בכלל. 
 
חברות נמצאות במרוץ חימוש לביסוס האמצעים האפקטיביים ביותר לייצור חלקי מתכת בעזרת הדפסה תלת ממדית. רוב החברות פונות לייצור בחברת הדפסה חיצונית, היות ותפעול ותחזוקה של מדפסת מתכת יחד עם שלבי העיבוד של החלק המודפס כרוכים במשאבים תשתיתיים ואנושיים. יש סיבה להאמין שטכנולוגית ההדפסה המתכתית לא הולכת להעצר היכן שהיא כיום, טכנולוגיות הדפסה חדשניות נמצאות בתהליכי פיתוח תמידיים ובקרוב יתנו את אותותיהם המשמעותיים על כל תעשיית הייצור שאנו מכירים כיום.
גלילה למעלה דילוג לתוכן