איך עובדת הדפסת תלת מימד?

שיטת ייצור תוסף אחת היא הדפסת תלת מימד. זה "תוסף" בכך שהוא פשוט עורם וממזג שכבות של חומר כדי ליצור חפצים ממשיים במקום להזדקק לגוש חומר או תבנית. הוא יכול לבנות גיאומטריות מסובכות יותר מטכנולוגיות "קונבנציונליות", הוא לרוב מהיר, בעל עלויות התקנה קבועות זולות ועובד עם מגוון גדל והולך של חומרים. מגזר ההנדסה עושה בו שימוש ניכר, במיוחד בעת יצירת אב טיפוס ופיתוח גיאומטריות קלות משקל.

ייצור תוסף והדפסת תלת מימד

המונח "הדפסת תלת מימד" מקושר לעתים קרובות לתרבות יצרנים, חובבים וחובבים, מדפסות שולחניות, טכניקות הדפסה נגישות כמו FDM וחומרים זולים כמו ABS ו-PLA. זה נובע בחלקו מהמדפסות השולחניות הזולות שצמחו מתנועת ה-RepRap, כמו MakerBot ו-Ultimaker המקוריים, שתרמו לדמוקרטיזציה של הדפסת תלת-ממד ולתנופת ההדפסה התלת-ממדית ב-2009.

טכנולוגיית הדפסת תלת מימד: העתיד של ייצור חדשני

תלת מימדהַדפָּסָההִיסטוֹרִיָה

מוצרי קונספט להדפסת תלת מימד החלו בשנות ה-70. בשנת 1981, המדען היפני ד"ר קודמה, שהיה הראשון שתיאר את שיטת ייצור ההדפסה שכבה אחר שכבה, ניסה הדפסה תלת מימדית, ויצר באופן אישי את טכנולוגיית ההדפסה התלת מימדית של SLA (סטריאוליתוגרפיה) - שרף רגיש לאור פולימר באור אולטרה סגול.

כמה שנים מאוחר יותר, גם המדען האמריקאי צ'ארלס האל ערך מחקר מעמיק על הטכנולוגיה של SLA, והגיש את הפטנט הראשון של SLA בשנת 1986. הקימו את 3D Systems והוציאו את המוצר המסחרי הראשון שלהם, SLA-1, בשנת 1988. (תמונה למטה)

ניתן לומר ש-SLA היא טכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית המוקדמת ביותר שפותחה, אז מתי עשו SLS (Slective Laser Sintering) ו-FDM (Fused Deposition Modeling) מאוחר יותר

בשנת 1988, קרל דקארד האמריקאי רשם פטנט על טכנולוגיית SLS באוניברסיטת טקסס, שהיא טכניקת הדפסה תלת מימדית נוספת שבה לייזר ממזג באופן מקומי חלקיקי אבקה להדפסה. באותה שנה, סקוט קראמפ, אחד ממייסדי Stratasys, הגיש בקשה לפטנט על מודלים של פיוזד בתצהיר (FDM). משנת 1980 עד 1990, שלוש הטכנולוגיות העיקריות של הדפסת תלת מימד היו רשומות כפטנט, מה שסימן את תחילתה של תקופה של התפתחות מהירה בתעשייה זו. .

באירופה, EOS GmbH יצרה מערכת עיצוב להדפסה תלת מימדית: מערכת הסטריאו. כיום, המודלים שלה מודפסים בתלת מימד במגזר התעשייתי משמשים ברחבי העולם לטכנולוגיית הדפסה תלת מימדית SLS (Sellective Laser Sintering) לפלסטיק ומתכות המוכרות ב.

בשנת 1992, הפטנט של טכנולוגיית הדפסת תלת מימד FDM (Fused Deposition Modeling) אושר על ידי Stratasys, שפיתחה מדפסות תלת מימד כדי לענות על הצרכים השונים של אנשי מקצוע ואנשים רבים.

בשנים 1993 עד 1999, הופיעו טכנולוגיות שונות בתעשיית ההדפסה התלת מימדית. במקביל פותחו עוד ועוד תוכנות CAD חדשות, ותוכנות מידול תלת מימד, למשל Sanders Prototype (שנקרא כיום Solidscape) שהיה אחד המשתתפים הראשונים שנוצרו.

יישומי הדפסת תלת מימד מרובי שדות

בשנת 2008 יצאה התותבת הראשונה בהדפסת תלת מימד, שהגדילה עוד יותר את חלקה של הדפסת תלת מימד במדיה. אנשים גילו שהדפסת תלת מימד יכולה לא רק להדפיס חלקים מסורתיים אלא גם לשמש לתיקון גוף האדם. פרויקט הדפסת תלת מימד רפואי מדהים זה משלב את כל חלקי האיבר הביולוגי וניתן להדפיס אותו "כמו שהוא" ללא כל הרכבה לאחר מכן. כיום, בשילוב עם סריקה תלת מימדית, תותבות רפואיות מודפסות בתלת מימד, ואורתוטיקה נעשים זולים ומהירים יותר כדי לענות על צורכי המטופלים. יתרה מכך, תותבות אלו עוברות אופטימיזציה יותר ויותר ומותאמות למורפולוגיה של המטופל. הדפסת תלת מימד מביאה הזדמנויות חדשות להתאמה אישית המונית. (הוסף תמונה)

2009 הייתה השנה שבה פטנטים של FDM נכנסו לתחום הצריכה ההמונית, מה שפתח דרך חדשה לחדשנות נרחבת של מדפסות תלת מימד FDM. ככל שהמחיר של מדפסות תלת מימד שולחניות ירד, יותר ויותר אנשים הצליחו לשים לב להתפתחות תעשיית ההדפסה התלת מימדית.

בשנת 2013, נשיא ארה"ב, ברק אובמה, הזכיר את הדפסת תלת מימד בנאום מדינת האיחוד שלו כאופן הייצור העיקרי של העתיד, מה שהפך את "הדפסת תלת מימד" למילת באז מוחלטת. כעת, מקומו בדעת הציבור בולט מאוד. יותר ויותר חברות קטנות ובינוניות מנצלות את אבות הטיפוס הזולות שמספק הדפסת תלת מימד, ומשלבות אותה במלואה בתהליכי האיטרציה, החדשנות והייצור שלהן.

מכונית קונספט להדפסת תלת מימד

בכל הנוגע ליישומי בנייה, בתים מודפסים בתלת מימד הם כיום מציאות. אנשים עברו לבתים מודפסים בתלת מימד בפעם הראשונה בשנת 2018. הבית בשטח של 1022 רגל מרובע, וזה מאוד ראוי למגורים. זה לקח בסך הכל יומיים להדפיס.

מערכת הסיווג של הדפסת תלת מימד על הדמיון וההבדלים בין ייצור להדפסת תלת מימד

קחו את הכדור החלול כדוגמה. יש יותר מתריסר פרחים על פני השטח. אם הוא מעובד על ידי עיבוד שבבי מסורתי, זה יהיה מאוד בעייתי, ויש לשנות את הדפוסים בזה אחר זה. ואם תבחרו בהדפסת תלת מימד, אין בזבוז של חומר ולכן יש לזה גם שם שנקרא additive manufacturing, כלומר שיטת הצטברות הדרגתית של חומרים משמשת לייצור חלקים פיזיים. השיטה המסורתית היא ליצור תחילה את העובר, לאחר מכן להסיר את החומר העודף, והחומר הנותר הוא הצורה הנדרשת. אם מתגלה בעיה, יש צורך לפתוח תבנית ולשנות אותה; בעוד שהדפסת תלת מימד משתמשת בהצטברות חומר לאט לאט, אתה יכול לראות במהירות את המוצר המוגמר.

מימוש טכנולוגיית הדפסת תלת מימד

טכנולוגיית הדפסת תלת מימד מיושמת לייצור תעשייתי. מה שהדפסת תלת מימד צריכה להשתמש בו הוא לא האובייקט הפיזי, אלא המודל הדיגיטלי. אם אתה רוצה להדפיס בתלת מימד את האובייקט האמיתי שלפניך, אז אתה חייב להשתמש במחשב כדי לדגמן אותו, או להשתמש בסורק תלת מימד כדי לבצע דיגיטציה של האובייקט האמיתי, כלומר מודל תלת מימד, ותוכל להדפיס דברים תוך חמש עשרה דקות בלבד. כיום, טכנולוגיית הדפסת תלת מימד מחולקת לארבע קטגוריות עיקריות: FDM, DLP/SLA ו-SLS

SLS - תהליך יציקת סינטר בלייזר

SLS היא אבקה היי-טקית יחסית הנמסה בתנאי טמפרטורה גבוהה של קרינת לייזר. מורחים שכבה של אבקה דקה על שולחן העבודה, וסרוק את חתך השכבה עם קרן הלייזר כדי להעלות את הטמפרטורה לנקודת ההיתוך, כדי לממש סינטר והדבקה, חזור על פיזור אבקה, סינטה, טחינה וייבוש עד ליצירת הדגם. למעשה, הדפסת תלת מימד היא הדפסה דו מימדית שוב ושוב. אם פורסים חפץ דק מאוד, תגלו שלכל חלק יש צורה. אם מחברים את כל הצורות יחד, מקבלים אובייקט מבנה תלת מימדי. אז אנחנו משתמשים בלייזרים כדי לצייר גרפיקה. העמידות של חלקים יצוקים SLS לסביבה (טמפרטורה, לחות וקורוזיה כימית) דומה לזו של חומרים תרמופלסטיים; בעוד שההתנגדות של חלקים יצוקים של SLA ירודה יחסית, למשל, חלקי עבודה של SLA יצוקים בשרף אפוקסי רגישים ללחות וכימיקלים. קורוזיה, הוא יתרכך ויתעוות בסביבה מעל 38 מעלות צלזיוס, אך דיוק היצירה גבוה.

SLA -- תהליך דפוס סטריאוליתוגרפיה

SLA היא טכנולוגיה לריפוי אור, אשר מפותחת יחסית בסין כיום. "סטריאוליתוגרפיה" היא כאשר קרן הלייזר משרטטת את צורת השכבה הראשונה של האובייקט על פני השרף הנוזלי, ואז פלטפורמת הייצור יורדת במרחק מסוים (בין 0.05-0.025 מ"מ), ולאחר מכן השכבה המוצקת נטבלה בשרף הנוזלי, וכן הלאה. השרף המשמש הוא שרף רגיש לאור, שייצור מצב מוצק לאחר הקרנה בקרן הלייזר, והדגם היוצר מהיר ומדויק.

DLP - תהליך דפוס סטריאוליטוגרפי

עיבוד אור דיגיטלי DLP, המכונה טכנולוגיית עיצוב לייזר. לטכנולוגיית הדפסת 3D DLP יש קווי דמיון רבים עם טכנולוגיית הדפסת 3D SLA. אם ההפקה משולה לציור עיגול בעיפרון, אזי טכנולוגיית SLA שקולה לציור שכבה אחר שכבה, בעוד ש-DLP מקבילה להטבעה ישירות. לייצור ההמוני שאנו חותרים יש שתי נקודות חשובות מאוד, האחת היא יעילות, והשנייה היא עלות החומר. ישנה מדפסת תלת מימד שיכולה להדפיס מהר פי מאות מהייצור המסורתי, כלומר הטכנולוגיה של פנים אל פנים, שפותחה על ידי חברה בשנזן, Light Prism Technology. זה לוקח 2-5 שעות להדפיס כדור חלול עם הדפסת FDM 3D מסורתית, וזה לוקח שעה במקרה המהיר ביותר, אבל זה לוקח רק כ-10 דקות כדי להדפיס עם הטכנולוגיה העדכנית ביותר פנים אל פנים. מהירות ההדפסה מדהימה. ברגע שהדפסת תלת מימד זו יוצאת לשוק, ההשפעה על מלאכת יד מסורתית עדיין גדולה.

FDM - תהליך יציקת משקעים מתמזגים

בהשוואה לטכנולוגיות DLP ו-SLS, טכנולוגיית FDM פשוטה יחסית, ולכן יש לה קהל גדול וקל יותר להיכנס למשפחה. אב הטיפוס נבנה ישירות מנתוני ה-CAD התלת-ממדיים על ידי שימוש בחומר התרמופלסטי לשיחול לתוך חוט נימה מותך למחצה, אשר מופקד על בסיס שכבה אחר שכבה. היתרונות של טכנולוגיית FDM הם מבנה מכני פשוט, עיצוב קל, עלות ייצור נמוכה, עלות תחזוקה ועלות חומר, וללא זיהום לסביבה. לכן, FDM היא גם הטכנולוגיה הנפוצה ביותר במדפסות תלת מימד ביתיות. זוהי שיטת הדפסה מסורתית יחסית, שאינה משתמשת בלייזר ועלותה נמוכה, אך הדיוק אינו גבוה ומהירות ההדפסה איטית מאוד. זוהי השיטה הנגישה ביותר עבור כולם, והיא משמשת בדרך כלל בשוק החינוך.

השפעת הדפסת תלת מימד על ייצור ואומנות מסורתית

יתרונות של הדפסת תלת מימד

(1) התאמה אישית

אם ניקח לדוגמה את רפואת השיניים, השיניים של כל אחד שונות, אבל הדפסת תלת מימד יכולה לפתור את הסתירה בין ייצור מותאם לייצור המוני, וייצור המוני של שתלים, פלטה וכו'.

(2) דגימה בזמן אמת

בגלל המהירות המהירה של הדפסת תלת מימד, המעצב מעצב גרסה של המוצר בבוקר, והמנהיג יכול לראות את המוצר המוגמר בצהריים, ולאחר מכן מעצב גרסה נוספת בשעה 18:00, ולראות את המוצר המוגמר למחרת בבוקר, מה שמאיץ מאוד את מהירות הפיתוח של מוצרים חדשים. אם זה לא מסובך במיוחד, הדפסת תלת מימד יכולה לייצר מוצרים מוגמרים תוך 3 שעות, בעוד הגהה מסורתית אורכת 4-6 שבועות בכל פעם, כך שגם המהירות הכללית של העיצוב התעשייתי משתפרת.

(3) אין זיהום

 מכיוון שחומרי הגלם המיוצרים כולם ידידותיים לסביבה, כל תהליך הייצור הוא ייצור נטול זיהום. אין זיהום של פסולת גז ושפכים, ואין בזבוז של שאריות חומרים.

(4) עיבוד נתונים

כאשר רפואת השיניים הדיגיטלית תבשיל, הדרישות הטכניות לרופאים יצטמצמו מאוד. המטופלים צריכים להשתמש במכשיר רק כדי לסרוק במשך שתי דקות בבית החולים, והם יכולים לדעת את הסיבות והפתרונות של כל בעיות השיניים.

בנוסף, ניתן להשתמש בהדפסת תלת מימד גם ליישור שיניים, הדפסת פלטה שקופה בהתאמה אישית ובהתאמה אישית. האם בזמן ניתוח פלסטי השיניים צריכות לנוע שמאלה או קדימה? כמה מילימטרים להזיז? בעבר, ניתוחי שיניים הסתמכו אך ורק על ניסיונו האישי של הרופא, אך רפואת השיניים הדיגיטלית הגבירה את יציבות הניתוח והורידה את הרף הטכני לרופאים.

(5) מהיר

 בהשוואה לתהליכים תעשייתיים מסורתיים, הדפסת תלת מימד אינה מצריכה הכנות מקדימות כגון כוח אדם ותחבורה. הוא זקוק רק למכונות וחומרי גלם, וניתן להכניסו לייצור במהירות.

(6) אוטומציה

 אפשר לומר שיש רק מדפסת תלת מימד אחת בין הדמיון הווירטואלי לדבר האמיתי. ייצור מפתח אחד של הדפסת תלת מימד חוסך הרבה עלויות עבודה וטעויות אנוש.