הדפסת תלת מימד קרמית: מהפכה בייצור

השימוש בקרמיקה מתוארך ליוון העתיקה, שם היא נוצרה במקור כדי לפתח צנצנות או צלחות למאכל, העשויות לרוב מחימר שנשרף בטמפרטורות של עד 500 מעלות. עד סוף המאה ה-19 התגלו בתעשייה תכונותיהם של חומרים אלו: הם סיפקו בידוד תרמי וחשמלי מעניין במיוחד למנועים. בשל ההיסטוריה הארוכה שלה, הדפסת תלת מימד קרמית זוכה לציפייה רבה בשוק, שכן חומרים קרמיים מציעים תכונות מכניות וגיאומטריות ברזולוציה גבוהה שלא ניתן לנצל על ידי טכנולוגיות מסורתיות.

על פי דוח מחקרי שוק שפורסם על ידי MarketDigits באפריל 2024, שוק הדפסת התלת מימד הקרמי יהיה שווה 270 מיליון דולר ב-2023 וצפוי להגיע ל-2.6 מיליארד דולר עד 2032, צמיחה של 28.6% במהלך תקופת הניתוח. זוהי טכנולוגיית ייצור מתפתחת שנותרת נישה בהשוואה לתהליכי פולימר או מתכת. אבל הדפסת תלת מימד קרמית מאפשרת להשיג חלקים מדויקים, עמידים וטכניים, בהתאם לחומר הנבחר. אנו מזמינים אתכם לסקור את היסודות של ייצור תוספים קרמיים ומקומו בשטח

סוגים שונים של קרמיקה

מבחינה היסטורית, חימר היה החומר הנפוץ ביותר כאשר מדברים על ייצור חומר קרמי, במיוחד מכיוון שמדובר בחומר טבעי שניתן למצוא בקלות כמעט בכל סביבה. ככל שהחומרים מתפתחים, צצו אפשרויות ייצור חדשות. ישנם סוגים רבים של קרמיקה כיום: הנפוצים שבהם הם אלו המשמשים בסביבה היומיומית שלנו, כגון כלי שולחן, אריחי קרמיקה וכו'. מצד שני, יש לנו קרמיקה מבנית לבנייה, כמו אריחים או לבנים לציפויים ולבסוף קרמיקה טכנית, המפגישה חומרים בעלי עמידות מכנית, תרמית, כימית וחשמלית;

סדרה אחרונה זו פופולרית במיוחד בתחום הייצור התוסף, מכיוון שהיא מציעה תכונות מעניינות מאוד לתעשיות המשתמשות בה. יש להתייחס לשתי קטגוריות עיקריות: תחמוצות ולא תחמוצות, אשר בעלות תכונות שונות בשל הרכבן הכימי. קרמיקה טכנית זו מגיעה בצורות רבות: נימה, אבקה, שרף, אשר ישפיעו על בחירת תהליך ההדפסה. הפופולרי שבהם הוא תחמוצת אלומיניום, אשר מוערך בשל קשיותו ועמידותה לטמפרטורות גבוהות. ולזירקוניה תכונות מכניות טובות מאוד.

תהליך הדפסת תלת מימד קרמית

טכנולוגיית הדבקת אבקה הומצאה ב-MIT בתחילת שנות ה-90 ולאחר מכן נלקחה לידי Z Corporation, שנרכשה על ידי 3D Systems ב-2012. הטכנולוגיה כוללת מיצוק האבקה באמצעות קלסר – אחד היתרונות של טכנולוגיה זו הוא היכולת לייצר אבקות שלמות. -חלקים צבעוניים ללא תמיכה בהדפסה. האבקה יכולה להיות קרמית, שכבה אחר שכבה, ויוצרת את החלק הרצוי.

Tecnalia Research & Innovation היא משתמשת במכונות הזרקת קלסרים מתכת Destkop ומייצרת בעיקר חלקי סיליקון קרביד. מנהל הפרויקט וראש הצוות איניגו אגוטה מאשר: "לאחר סינטר, צפיפות החלקים שאנו משיגים דומה לחלקים מסחריים המיוצרים באופן קונבנציונלי בנוסף, גם הקשיות וחוזק השבר של החומר דומים".

סטריאוליטוגרפיה ופוטופולימריזציה של חומרים קרמיים

סטריאוליתוגרפיה היא טכנולוגיה פופולרית נוספת בייצור תוסף. היא גילתה עניין בקרמיקה בשלב מאוחר בחייה, אך כיום היא נמצאת בשימוש נרחב ומציעה רמה גבוהה של דיוק ופירוט. אם נרחיב את ההיקף, טכנולוגיית DLP (המשתמשת במקרן וידאו במקום בלייזר כמקור החום) תואמת גם לקרמיקה.

במונחים של שחקנים בשוק, יש הרבה יותר מתהליכי הדבקת אבקה – בצרפת לבדה אנחנו יכולים לצטט את 3DCeram, מחלוצות הדפסת תלת מימד קרמית פוטופולימריזית, ואפילו את Prodways. בתחום המכונות התעשייתיות, Lithoz, Admatec ו-3D Systems מספקות פתרונות הדפסה תלת מימדית של שרף קרמי. לבסוף, תחום מדפסות התלת מימד השולחניות מתפתח כעת היטב ונוכל לדבר על יצרנים כמו Formlabs או Tethon 3D. המטרה היא להפוך את העיצוב של חלקי קרמיקה לקל ומשתלם יותר.

שחול חומר

שחול חומרים היא ללא ספק אחת מטכנולוגיות ההדפסה התלת מימדית הקרמית הנפוצות ביותר בשוק. זה כרוך בהפקדת שכבות של חומר קרמי ליצירת חלק או דגם, בהתאם ליסודות טכנולוגיית FDM אך באמצעות אקסטרודר המתאים לחומר. זה כרוך בהפקדת שכבות של חומר קרמי ליצירת חלק או דגם, בהתאם ליסודות טכנולוגיית FDM אך באמצעות אקסטרודר המתאים לחומר. אלה הם בדרך כלל פולימרים או חימר המניעים את המכונה, מה שהופך אותה לטכנולוגיה משתלמת יותר מאלו שהוזכרו קודם לכן.

אם נסתכל על השימוש בחימר, נמצא מגוון רחב של פתרונות, החל ממכונות משרדיות המוצעות על ידי 3D Potter ועד למכונות טכניות יותר שמציעה Lynxter, או מכונות בפורמט גדול שמציעה WASP. הבחירה תלויה ביישום הסופי, כפי שקורה בדרך כלל בייצור תוסף.

בצד הפולימרי, יש לך אפשרות להשתמש בתמיסות נימה מבית Nanoe France, או במכונות התואמות לכדורים. בשני המקרים, שקול שלבי עיבוד לאחר עיבוד כגון ביטול כריכה וסינטר.

Nanoparticle Jet™

הטכנולוגיה, שפותחה על ידי חברת XJet הישראלית, כוללת הפקדת אלפי טיפות על לוחית הדפסה המכילה חלקיקי ננו קרמיים. "המפתח ל-NanoParticle Jetting™ מתחיל בשיטת פיזור הנוזל הייחודית שלו. תרחיף נוזלי של חלקיקים מוצקים המכילים חומרי בנייה ותמיכה מוזרק על שולחן בנייה כדי ליצור חלקים מפורטים שכבה אחר שכבה", מסביר חנן גוטאיט נמסר והותקן בקופסה אטומה ללא כל בעיות הדיוק של ראש ההדפסה שלנו והשימוש בשכבות דקות במיוחד יצרו רזולוציית Z גבוהה מאוד, מה שמקל על ביצוע חלקים ברורים מאוד אם אנחנו רוצים להדפיס קרמיקה בתלת מימד גודל וצורה וסובלנות אופטימלית חשובים מאוד."

יישומים של הדפסת תלת מימד קרמית

להדפסת תלת מימד קרמית יש את מקומה בתעשיות רבות והוכיחה את יתרונותיה. כפי שהסברנו קודם, קרמיקה טכנית מסויימת מעוררת עניין במיוחד בשל התכונות המכניות וההפצה התרמית שלה. למעשה, בהתאם לקרמיקה הנבחרת, תוכלו להשיג חלקים עמידים יותר לטמפרטורות גבוהות ממתכת, תוך ייעול המשקל. לכן, מדובר בטכנולוגיה מוכחת עבור מגזר התעופה והחלל, אך כפופה למגבלות טמפרטורה חמורות. בנוסף, חלק מהקרמיקה עמידה מאוד בפני קורוזיה או בעלת תכונות בידוד חשמלי טובות. מבחינת יישומים, הדפסת תלת מימד קרמית מאפשרת לתכנן מסנני תדר רדיו למערכות תקשורת כמו לוויינים תבניות עמידות יותר לייצור כלים וחלקי לוויין;

להדפסת תלת מימד קרמית יש את מקומה בתחום הרפואי, ומציעה אפשרות לעצב שתלים מותאמים אישית ואפילו מכשירים כירורגיים מדויקים. קרמיקה מסויימת היא למעשה תואמת ביולוגית וספיגה ביולוגית, מה שהופך אותם לאידיאליים לעיצוב של שתלים מותאמים אישית. לדוגמה, 3DCeram מסבירה: "ייצור תוסף יכול לשלוט במיקום ובגיאומטריה של נקבוביות בחלופות קרמיות, בניגוד לשתלים שנעשים נקבוביים על ידי הוספת קצפים אורגניים נקבוביות מבנית תלת מימדית ואינטראקטיבית לחלוטין הקוטר הקבוע של החורים המחוברים מקדם אוסאואינטגרציה וחוזק מכני של התחליף ההתנגדות המכנית לדחיסה גבוהה פי שלושה מזו של מבנים נקבוביים רגילים.

רשימת היישומים של הדפסת תלת מימד קרמית אינה ממצה: ניתן לדבר על השפעתה על אמנות ופיסול, הודות למחוללים, המאפשרים הנחת חימר בצורה מדויקת ומורכבת. זוהי טכנולוגיה מעניינת במיוחד למחקר ופיתוח. למעשה, מעבדות ואוניברסיטאות רבות השקיעו בייצור אבות טיפוס במהירות ובזול. הצוות כל הזמן עושה ניסויים ובודקים, במהלכם הם זקוקים לרכיבים שפותחו בהתאמה אישית. הדפסת תלת מימד קרמית מציעה גמישות רבה יותר, ומאפשרת לך להשיג חלקים רלוונטיים ביעילות רבה יותר. לבסוף, הדפסת תלת מימד קרמית משמשת לעתים קרובות לעיצוב הליבות של תבניות יציקה.

חנן גוטאיט מסכם: "הטכנולוגיה צריכה להתקבל במלואה כשיטת ייצור יעילה, הכרחית ואפילו מועדפת הדפסת קרמיקה תלת מימדית נמצאת עדיין בחיתוליה אך הגורם העיקרי כאן הוא הדרישה לחלקים באיכות גבוהה יותר להתנגדות ולחוזק בטמפרטורה יש מגבלות, והקרמיקה עובדת טוב מאוד."

מה העתיד של הדפסת תלת מימד קרמית?

אין להכחיש שהדפסת תלת מימד קרמית תמשיך להתפתח. אבל כמו טכנולוגיות ייצור תוסף אחרות שאומצו בתעשייה, קבלת קבלה מלאה ייקח זמן. חומרים ללא ספק ישחקו תפקיד מפתח – קרמיקה טכנית מאוד אטרקטיבית לתעשייה, אבל קרמיקה מסורתית יותר יכולה למלא תפקיד גם בתחומים אמנותיים יותר.

הפופולריות של טכנולוגיית הדפסת תלת מימד קרמית החלה, אך יצרנים, שירותים ומשתמשים עדיין חייבים לשקול כמה פרטים לפני אימוץ הטכנולוגיה. מנכ"ל XJet אמר: "כדי להשיג צמיחה זו, יש לטפל בכמה אתגרים חשובים, כגון תוכניות הכשרה למהנדסי קרמיקה זו על ידי שחקנים מרכזיים בשוק הקרמיקה, כולל יצרנים, ספקי שירותים ומשתמשי קצה. שלב קריטי בהתקדמות הזו ברגע שהתהליך הזה יתחיל, יהיה לו אפקט של כדור שלג והטכנולוגיה תהפוך לחוקית ופופולרית מאוד.