סקירת טכנולוגיות שונות של הדפסה תלת ממדית בפלסטיק

December 26, 2017

מכל מגוון שיטות ההדפסה הקימות היום הדפסת פלסטיק לסוגיו השונים הוא התחום הנפוץ ביותר מתוך כלל שיטות ההדפסה.

הדפסה של פלסטיק היא גם הפשוטה ביותר ביחס לחומרים אחרים ומסיבה זו טכנולוגית ההדפסה התלת ממדית   בתחילת דרכה שימשה אך ורק לתחום הפלסטיק והדפסת חומרים נוספים הגיעה בשלב מאוחר יותר.

הפלסטיק מטבעו הינו חומר שקל לעבד עקב טמפרטורת ההיתוך (או טמפרטורת הפילמור כאשר מדובר בפלסטיק תרמוסטי)  הנמוכות שלו.

ניתן לחלק את טכנולוגיות ההדפסה בפלסטיק למספר משפחות עיקריות:

  1. הדפסה על-ידי פילמור או סינתור – באמצעות קרן לייזר  או מקור אור אחר

  2. הדפסה על ידי התכה – שימוש בפילמנט פלסטיק כחומר גלם

  3. הדפסה על-ידי למינציה -  שימוש בגליון מצופה בחומר אדהזי בתור חומר גלם

  4. הדפסה על-ידי הזרקה – הזרקת חומר מראש הזרקה (בדומה להדפסת נייר)

 

הדפסה על-ידי פלמור באור (UV בדרך כלל)

 

 

טכנולוגית ההדפסה התלת ממדית הראשונה שנוצרה אי פעם היא טכנולוגית  SLA – Stereo lithography apparatus, אשר לפעמים נקראת גם SL, טכנולוגיה זו נמצאת בשימוש רחב גם היום.

עקרון הפעולה של שיטה זו היא יצירת שכבות של פוטופולימר (סוג של פלסטיק אשר מתקשה בחשיפה לאור) באמצעות קרן לייזר – השכבות נבנות בתוך אמבט של תמיסת פוטופולימר על-גבי מגש שיושב על בוכנה, בתחילת תהליך בניית הדגם המגש ממוקם ממש בפני השטח של התמיסה, קרן לייזר פוגעת בצורה סלקטיבית בשכבת התמיסה הקרובה למגש ומקשה אותה, לאחר הקשיית כל השכבה הבוכנה יורדת בגובה עד אשר כל השכבה שהוקשתה נטבלת מחדש, הלייזר מקשה את השכבה הבאה שמתקשה על השכבבה הראשונה ומתחברת איליה, התהליך חוזר על עצמו עד שבסופו של דבר מתקבל דגם שלם.

לאחר סיום בניית הדגם יש צורך להסיר בצורה מכאנית את התמיכות, לנקות את שאריות התמיסה ולבצע פילמור נוסף שמעניק הקשייה נוספת לדגם (בדרך כלל תחת מנורת UV).

יתרונות השיטה הן דיוק גבוה וקבלת פני שטח באיכות מצויינת (באזורים שלא היו בהם תמיכות), יתרון נוסף הוא מגוון רחב של עיבודים משלימים כמו ליטוש וצביעה שקיים לדגמים שמודפסים בSLA.

חסרונות השיטה הם צורך בהסרה מכאנית של תמיכות, תהליך ניקיון מורכב באופן יחסי והצורך לבצע סינטור נוסף. חומר הגלם להדפסה הוא יקר באופן יחסי.

 

הדפסה בסנתור

 

טכנולוגית הדפסה ותיקה נוספת ודומה בעקרון הפעולה הינה שיטת ה -  SLS - Selective Laser Sintering, גם טכנולוגיה זו נמצאת בשימוש רחב היום.

 

עקרון הפעולה דומה לשיטת הSLA  אך במקום אמבט שממולא בתמיסה נוזלית חומר הגלם כאן הינו אבקה.

במערכת SLS  ישנן 2 או 3 בוכנות, בוכנה אחת שעליה יושב המגש שבו נבנה הדגם ובוכנה אחת או שתיים נוספות המשמשות כמחסנית חומר הגלם. בתחילת תהליך הבנייה רולר מפזר שכבה דקה ואחידה של אבקה על-גבי המגש וקרן לייזר מסנתרת את האבקה בצורה סלקטיבית לייצירת שכבה של פלסטיק קשיח, לאחר מכן הבוכנה עם המגש יורדת בגובה והרולר מפזר שכבת אבקה נוספת שאותה הלייזר מסנתר מחדש, השכבות מחוברות אחת לשנייה ובוספו של תהליך מתקבל דגם שלם.

לאחר סיום הבנייה יש צורך לנקות את האבקה העודפת, ישנם תהליכים משלימים בהתאם לח"ג המודפס – ישנם חומרים (כגון פולימרים דמויי שעווה) אשר מצריכים תהליך חימום נוסף והקשייה באמצעות הספגה בחומרים נוספים.

יתרון משמעותי של שיטה זו היא שאין צורך ביצירת תמיכות מכיוון שבזמן הבנייה הדגם יושב בתוך אמבט של אבקה דחוסה שמתפקדת גם בתור תומך, יתרון משמעותי נוסף הוא חומר הגלם – החומר הנפוץ ביותר בשימוש בשיטה זו הינו ניילון – polyamide  שהוא חומר הנדסי בכל תכונות חוזק גבוהות.

חסרונה העיקרי של השיטה הווא השימוש באבקה והצורך להסרתה – תהליך הניקוי של האבקה הוא תהליך ארוך יחסית שמצריך עבודה רבה, העבודה עם אבקות באופן כללי מלכלכת יותר בהשוואה לעבודה עם חומרי גלם אחרים כגון תמיסות או פילמנטים. בנוסף מערכות SLS  מצריכות ציוד משלים כמו הגנה של גז אינרטי על תהליך סינתור האבקה עקב היווצרות חום רב.

עוד חסרונות של שיטה זו הם זמני חימום וקירור ארוכים יחסית וכן טיב פני שטח מחוספס בהשוואה לשיטות אחרות.

 

הטכנולוגיה נוספת הדומה לשתי השיטות הקודמות נקראת DLP – Digital light processing, עקרון הפעולה של שיטה זו דומה לעקרון של טכנולוגית הSLA – גם בשיטה זו יש אמבט עם פוטופולימר אולם מקור האור להקשייה מגיע מלמטה, מקור האור הוא בדרך כלל  מנורה חזקה (כגון מקרן)

 

מקור האור כאמור יושב מתחת לאמבט הפולימר, תחתית האמבט היא שקופה למעבר אור, ומקור האור מעביר את האור בצורה סלקטיבית ומשתנה וע"י כך מקשה את התמיסה לפלסטיק קשיח באזורים הנדרשים, הדגם נבנה בצורה הפוכה ובשונה מטכנולוגיות אחרות המגש שעליו (או יותר נכון מתחתיו) נבנה הדגם עולה בין שכבה לשכבה ולא יורד.

יתרונות טכנולוגיה זו הן במהירות הדפסה גבוהה, פני שטח ורמת דיוק טובים מאוד וכן יש צורך בפחות תמיסה מאשר בטכנולוגית הSLA

חסרונות השיטה הם בכך שיש צורך בתמיכות והסרתם וכן בטיפולים משלימים כמו ניקוי וליטוש.

 

 

הדפסה על ידי התכה

טכנולוגית ההדפסה הנפוצה ביותר (והזולה ביותר) היא FDM- Fused Deposition Modelling, לעיתים נקראת גם FFF - Fused filament fabrication,

עקרון פעולה של שיטה זו היא שימוש בפילמנט פלסטיק שמוזן לתוך גוף חימום, מותך ויוצא מתוך

 

נחיר בעל פתח קטן, הפלסטיק המותך מתקשה ויוצר שכבה של פלסטיק קשיח, לאחר סיום בניית שכבה המגש יורד מעט בגובה (או שראש ההדפסה עולה בגובה) ונבנית שכבה נוספת על-גבי השכבה קודמת עד אשר מתקבל דגם סופי.

לצורך בניית מודלים מורכבים משתמשים בתמיכות, התמיכות יכולות להיות מאותו חומר הגלם שמשמש לבניית הדגם או פלסטיק מסוג אחר אם יש למדפסת יותר מראש הדפסה אחד, ישנם חומרים אשר ניתן להמיס במים או בתמיסות פשוטות וכך לחסוך הסרה מכאנית של התמיכות ופגיעה בפני השטח.

מגוון החומרים שניתן להדפיס בטכנולוגית הFDM  הוא רחב ביותר החל מפלסטיקים קשיחים כמו ABS  ,PLA ,פוליקרבונט ועוד וכן חומרים אלסטומרים (פלסטיק דמוי גומי) ועד חומרים מיוחדים כדוגמת חומרים זוהרים, חומרים מוליכי חשמל, חומרים דמויי עץ ומתכת ועוד.

עם היתרונות של שיטה זו ניתן למנות את הפשטות היחסית של הטנולוגיה – פשטות להפעלה ולבנייה, אין צורך במערכות יקרות, ישנו מגוון חומרים גדול שניתן להדפיס, ניתן לקבל חומרים עם תכונות מכאניות טובות.

חסרונות השיטה הם רמת דיוק נמוכה וטיב פני שטח ירוד מטכנולוגיות אחרות, בנוסף יש צורך להסרת תמיכות והחלקים מתקבלים עם תכונות אנאיזוטרופיות.

 

הדפסה על-ידי למינציה

הטכנולוגיה הראשונה שקשורה בלמיצניה היא טכנולוגיה בשם SDL - Selective Deposition Lamination, עקרון הפעולה של שיטה זו היא שימוש במדפסת נייר רגילה – כאשר פורסים את המודל לפרוסות רבות כל שכבה היא בעצם דף נייר שעליו מודפסת עם דיו רגיל השכבה בצורה דו מימדית, לאחר מכן כל דף בתורו מצופה בחומר פולימרי שגורם להדבקה לדף הקודם וכן מעניף חוזק לדגם הסופי, הדף מוצמד בלחץ ובחום לדף הקודם ולאחר ההצמדה האזורים המיותרים בדף עוברים חיתוך וכך דף אחר דף נוצר הדגם הסופי.

יתרונות השיטה הם שימוש בחומרי גלם פשוטים וזולים.  בנוסף ניתן לקבל כל צבע שרוצים עקב השימוש במדפסת דיו רגילה.

חסרונה העיקרי של שיטה זו היא במגבלה של שימוש אך ורק בנייר בתור בסיס להדפסה, בנוסף השיטה לא אידיאלית עבור גיאומטריות מורכבות

 

שיטה נוספת מתחום הלמינציה היא טכנולוגית LOM - Laminated Object Manufacturing, עקרון פעולה של שיטה זו דומה לשיטת הSDL  אלא שבמקום שימוש בדפי נייר משתמשים כאן בגליל רציף של חומר גלם שיכול להיות נייר, פלסטיק או חומרים נוספים בעלי תכונות מכאניות דומות.

הגליל מזין את חומר הגלם המצופה בחמר אדהזי  לתוך המדפסת שם כלי חיתוך (סכין או לייזר) מבצע חיתוך סלקטיבי ויוצר שכבה, המגש שעליו נבנה הדגם יורד והגליל מזין שכבה חדשה של חומר שגם היא נחתכת בהתאם, לאחר מכן מכבש מצמיד את השכבה האחרונה לשכבה הקודמת. התהליך חוזר על עצמו עד לקבלת דגם סופי.

יתרונות השיטה הם קלות יחסית בבנית דגמים גדולים, חומרי הגלם נפוצים וזולים.

חסרונות השיטה הם רמת דיוק נמוכה בהשוואה לשיטות אחרון, בנוסף השיטה לא אידיאלית עבור גיאומטריות מורכבות.

 

הדפסה על ידי הזרקה

השיטה הראשונה בקטגוריה זו היא שיטת ה - MJP – Multi Jet Printing, נקראת גם Material Jetting, עקרון הפעולה של שיטה זו דומה למדפסת הזרקת דיו, ראש הזרקה מזריק חומר גלם נוזלי על-גבי משטח הבנייה, לאחר המגע עם משטח הבנייה חומר הגלם מתמצק ומתקשה, מגש הבניה יורד ושכבה נוספת של חומר גלם מוזרקת על גבי השכבה הקודמת, תהליך זה חוזר על עצמו על קבלת דגם סופי, מחלק מהמדפסות נעשה שימוש גם באור אולטרה סגול על מנת לסנתר ולהוסיף הקשייה לדגם.

בטכנולוגיה זו נעשה שימוש בתמיכות על-ידי הדפסתם מחור שונה כגון שעווה אשר ניתן להסיר בקלות יחסית

חומרי הגלם בטכנולוגיה זו הם פוטופולימרים בעלי קשיחות וחוזק שונים וגם אלסטומרים.

יתרונות השיטה הם קבלת דגם ברמת דיוק וטיב פני שטח מצויינים.

חסרונה העיקרי של שיטה זו הוא מגבלה בסוג חומרי (חומרים פוטופולימריים בלבד).

 

שיטה נוספת ממשפחת שיטות ההזרקה היא שיטת ה- Binder Jetting, עקרון פעולה של שיטה זו משלב את שיטות הMJP יחד עם שיטת הSLS.

רולר משטח שכבה של חומר גלם אבקתי על גבי משטח העבודה ולאחר מכן חומר כורך (binder) מוזרק בצורה סלקטיבית על מצע האבקה וגורם לקשירת גרגירי האבקה יחד לגוף קשיח, לאחר מכן משטח העבודה יורד במקצת, הרולר משטח שכבת אבקה  נוספת וראש ההזרקה מזריק כורך פעם נוספת. התהליך חוזר על עצמו עד לקבלת דגם סופי.

עם יתרונות השיטה ניתן למנות את האפשרות להדפיס חלק במגוון צבעים (מוסיפים צבע לכורך), בדומה לSLS השימוש במצע של אבקה דחוסה מאפשר לעבוד ללא מתיכות, יתרון נוסף הוא שניתן להשתמש במגוון של חומרים כולל חומרים קירמיים ואפילו מזון.

חסרונות השיטה הם שהחלקים המתקבלים הם בעלי חוזק מופחת ביחס לשיטות הדפסה אחרות וכן יש צורך בביצוע פעולות משלימות להדפסה.

 

 

לסיכום לכל שיטת הדפסה יש יתרונות ויש חסרונות כמו כן יש הבדלים גדולים מאוד בעלויות המדפסות וחומרי הגלם השונים.

 חשוב מאוד לדעת מה מטרת ההדפסה, יש הדפסות שדורשות רמת פני שטח גבוה, יש הדפסות שדורשות חוזק ויש כאלו שמצריכות דיוק.

עם ידע מקדים על טכנולוגיות הדפסה הזמינות ובעזרת תכנון  הנדסי נכון של חלק  ניתן להפיק את המיטב מכל טכנולוגיה ואף להתגבר על חולשותיהן.

Share on Facebook
Share on Twitter
Please reload

Featured Posts

I'm busy working on my blog posts. Watch this space!

Please reload

Recent Posts
Please reload

Archive