המדריך המקיף: החומרים להדפסת תלת מימד במתכת

הדפסת תלת מימד במתכת מאפשרת לייצר חלקים ממגוון רחב של סגסוגות תעשייתיות מתקדמות. החומרים המשמשים בתהליך מגיעים כאבקה דקיקה, חוט מתכתי, או פילמנט המכיל מתכת.

החומרים הנפוצים ביותר מחולקים למספר קבוצות עיקריות:

1. פלדות אל-חלד (נירוסטה): כמו 316L, זוהי "סוס העבודה" של התעשייה. חומר זה עמיד בקורוזיה, חזק יחסית, וקל לעבודה.
2. סגסוגות טיטניום: בעיקר Ti-6Al-4V. חומר זה מבוקש מאוד בזכות היחס יוצא הדופן בין חוזק למשקל ובזכות התאימות הביולוגית שלו (ביוקומפטביליות).
3. סגסוגות אלומיניום: כגון AlSi10Mg. חומרים אלו קלי משקל ובעלי מוליכות חום מצוינת.
4. סגסוגות-על (מבוססות ניקל): כמו Inconel 718. אלו מתכות-על השומרות על חוזקן בטמפרטורות קיצוניות.
5. פלדות כלים: כמו H13 או M2. אלו פלדות קשות ועמידות בשחיקה המשמשות לייצור תבניות וכלים.

בנוסף לחמשת הגדולים הללו, טכנולוגיות הדפסה מתקדמות מאפשרות עבודה גם עם נחושת טהורה, מתכות יקרות (זהב, פלטינה), ומתכות רפרקטוריות (כמו טונגסטן) ליישומים מיוחדים. הבחירה בחומר תלויה לחלוטין ביישום הסופי של החלק (מה הוא צריך לעשות?) ובטכנולוגיית ההדפסה שבה משתמשים (לייזר, קרן אלקטרונים, הזרקת דבק וכו'), שכן לא כל מדפסת יכולה לעבוד עם כל חומר.

"חמשת הגדולים": קבוצות החומרים הפופולריות ביותר

בעוד שהרשימה הפוטנציאלית ארוכה, רוב מוחלט של הדפסות המתכת בעולם מתבצע באמצעות חמש משפחות חומרים. אלו החומרים המוכרים, המאושרים (בעלי סטנדרטים) והאמינים ביותר.

1. פלדות אל-חלד (נירוסטה)

זוהי נקודת הפתיחה הנפוצה ביותר בעולם הדפסת המתכת. קל יחסית להדפיס אותן, הן מציעות תכונות מכאניות טובות, עמידות מצוינת בפני קורוזיה, והן זולות יחסית (בהשוואה לשאר חומרי ההדפסה).

• החומר המוביל: 316L. זוהי הנירוסטה הקלאסית והנפוצה ביותר. היא משמשת לאבות טיפוס, חלקי מכונות, ציוד רפואי שאינו שתל, וציוד לתעשיית המזון. קל מאוד לעבד אותה לאחר ההדפסה.
• חומרים נוספים: 17-4PH. זוהי נירוסטה "מוקשחת בהפרשה" (Precipitation Hardened). היא חזקה וקשה משמעותית מ-316L ומשמשת לחלקים תעשייתיים הדורשים עמידות גבוהה יותר בשחיקה.
• טכנולוגיות מתאימות: PBF (לייזר), Binder Jetting, ו-Metal FFF (הדפסה שולחנית).

2. סגסוגות טיטניום

טיטניום הוא חומר הפרימיום של עולם ההדפסה, והוא הסיבה המרכזית לפריצת הטכנולוגיה בתחומי התעופה והרפואה.

• החומר המוביל: Ti-6Al-4V (דרגה 5). זוהי סגסוגת הטיטניום הנפוצה בעולם (בהדפסה ובכלל). היתרונות שלה עצומים:
  • יחס חוזק-משקל: היא חזקה כמו פלדה אך שוקלת כ-40% פחות.
  • עמידות בקורוזיה: עמידות פנומנלית.
  • תאימות ביולוגית: הגוף האנושי אינו דוחה אותה, מה שהופך אותה לאידיאלית לשתלים.
• יישומים: שתלים אורתופדיים (ברכיים, ירכיים), שתלים דנטליים, רכיבי מנועי סילון, חלקי שלדה קריטיים למטוסים, ורכיבי רכבי מרוץ.
• טכנולוגיות מתאימות: PBF (גם לייזר וגם EBM, כאשר EBM מצטיינת בהפחתת מאמצים פנימיים בטיטניום) ו-DED.
• אתגר: אבקת טיטניום היא נפיצה מאוד ודורשת סביבת הדפסה מבוקרת לחלוטין עם גז אציל (ארגון).

3. סגסוגות אלומיניום

אלומיניום מציע משקל קל מאוד ומוליכות חום וחשמל מצוינת. האתגר בהדפסתו הוא שהאבקה נפיצה מאוד (אפילו יותר מטיטניום) ושהחומר עצמו מחזיר מאוד את אור הלייזר, מה שמקשה על ההתכה.

• החומר המוביל: AlSi10Mg. זוהי סגסוגת אלומיניום-סיליקון-מגנזיום, שדומה מאוד לסגסוגת יציקה נפוצה.
• יתרונות: קל משקל, מוליכות חום טובה, קל לעיבוד שבבי.
• יישומים: גופי קירור (Heatsinks) עם גיאומטריה מורכבת, רכיבים קלי משקל לרחפנים ומל"טים, חלקים לרכב שאינם דורשי חוזק קיצוני, ותבניות אב-טיפוס.
• טכנולוגיות מתאימות: PBF (דורש לייזרים חזקים או לייזרים ייעודיים).

4. סגסוגות-על (מבוססות ניקל)

זוהי קטגוריה של חומרים אקזוטיים שתוכננו לעמוד בתנאים הקיצוניים ביותר שהאדם מכיר: טמפרטורות אדירות, סביבות כימיות אגרסיביות ולחצים גבוהים.

• החומר המוביל: Inconel 718 (או Inconel 625). אינקונל היא סגסוגת-על מבוססת ניקל-כרום. התכונה המדהימה שלה היא "חוזק בטמפרטורה גבוהה" (Creep Resistance) – היא שומרת על התכונות המכאניות שלה גם בטמפרטורות של 700-800 מעלות צלזיוס, שבהן פלדה רגילה הייתה הופכת ל"פלסטלינה".
• יישומים: תעופה וחלל (כמעט כל החלקים ה"חמים" של מנוע סילון – להבי טורבינה, תאי בעירה, רכיבי פליטה), תעשיית הנפט והגז (שסתומים וציוד תת-ימי), ותעשייה כימית.
• טכנולוגיות מתאימות: PBF (בעיקר לייזר).

5. פלדות כלים

פלדות כלים הן קבוצה של פלדות פחמן קשות במיוחד, שמהן מייצרים כלי עבודה, תבניות וכלים לעיבוד שבבי.

• החומרים המובילים: H13 ,M2 ,A2. פלדות אלו ידועות בקשיותן הגבוהה, עמידותן בשחיקה, והיכולת שלהן לשמור על קצה חד.
• היתרון בהדפסה: היתרון המרכזי אינו החומר עצמו, אלא הגיאומטריה. הדפסת תלת מימד מאפשרת לייצר תבניות הזרקת פלסטיק עם תעלות קירור פנימיות (Conformal Cooling). תעלות אלו עוקבות אחרי הגיאומטריה של החלק ומקררות את התבנית באופן אחיד ומהיר פי כמה, מה שמקצר דרמטית את זמן המחזור של הזרקת פלסטיק ומעלה את איכות המוצר.
• טכנולוגיות מתאימות: PBF ,DED, ו-Metal FFF (הדפסה שולחנית מצטיינת בייצור מהיר של תבניות קטנות מפלדות כלים).

קטגוריות חומרים מתקדמים וייעודיים

מעבר ל"חמשת הגדולים", החדשנות בתחום פותחת אפשרויות לחומרים מאתגרים יותר.

6. נחושת וסגסוגותיה

נחושת טהורה (Copper) היא אחד החומרים המאתגרים ביותר להדפסה, אך גם אחד המבוקשים ביותר.

• האתגר: נחושת היא בעלת מוליכות חום קיצונית ומחזירה מאוד את אור הלייזר (במיוחד לייזר אינפרא-אדום סטנדרטי). שני גורמים אלו מקשים מאוד על יצירת "אמבט התכה" (Melt Pool) יציב.
• הפתרון: שימוש בלייזרים מיוחדים (כמו לייזר ירוק, שאותו הנחושת סופגת טוב יותר) או מערכות EBM (קרן אלקטרונים) שאינן מושפעות מהחזרתיות.
• יישומים: מוליכי חשמל מורכבים, אנטנות, מחליפי חום וגופי קירור בעלי ביצועים קיצוניים, וסלילי השראה (Inductors).

7. מתכות יקרות

היכולת להדפיס ישירות מודל דיגיטלי למתכת יקרה, ללא בזבוז חומר, משנה את פני תעשיית התכשיטנות והרפואה היוקרתית.

• החומרים: זהב (בדרך כלל 18 או 22 קראט), פלטינה, כסף.
• היתרון: ייצור תכשיטים בעיצוב אישי עם גיאומטריה שבלתי אפשרי ליצור ביציקה או בעבודת יד. כמו כן, הפחתה דרמטית של בזבוז חומר יקר (כל האבקה שלא הותכה ניתנת למיחזור מלא).
• יישומים: תכשיטי יוקרה בהתאמה אישית, כתרים דנטליים מיוחדים, רכיבי מעבדה יוקרתיים.
• טכנולוגיות מתאימות: PBF (לייזר) במכונות קטנות וייעודיות.

8. מתכות רפרקטוריות (וקשות להתכה)

אלו הן "החומרים הקיצוניים" של הטבלה המחזורית, בעלי נקודות התכה גבוהות במיוחד.

• החומרים: טונגסטן (W), מוליבדן (Mo), טנטלום (Ta).
• האתגר: טונגסטן, לדוגמה, ניתך ב-3,422 מעלות צלזיוס. לייזר רגיל מתקשה להתיך אותו ביעילות.
• הפתרון: שימוש בטכנולוגיית EBM (קרן אלקטרונים) הפועלת בעוצמות אנרגיה גבוהות בהרבה ובוואקום, או שימוש בטכנולוגיית Binder Jetting (שאינה מתיכה את החומר כלל בהדפסה, אלא מסנטרת אותו בתנור לאחר מכן).
• יישומים: נחירי רקטות, רכיבי כורים גרעיניים, מיגון קרינה ברפואה, ורכיבים לתנורים בטמפרטורה גבוהה.

איך החומר מגיע? הצורות השונות של חומר הגלם

החומר חייב להיות מותאם לטכנולוגיית ההדפסה. אי אפשר פשוט לקחת גוש טיטניום ולשים במדפסת.

1. אבקה (Powder)

זוהי הצורה הנפוצה והחשובה ביותר. היא משמשת בטכנולוגיות PBF (התכה במיטת אבקה) ו-Binder Jetting (הזרקת חומר מקשר). האבקה הזו היא מוצר הנדסי מתוחכם בפני עצמו.

• איך מייצרים אותה: התהליך הנפוץ נקרא אטומיזציה בגז (Gas Atomization). מתיכים את המתכת הרצויה ויוצקים אותה דרך נחיר. זרם חזק של גז אציל (כמו ארגון) פוגע במתכת הנוזלית ומפרק אותה לאלפי טיפות זעירות, שמתקררות ומתמצקות באוויר והופכות לחלקיקים כדוריים מושלמים.
• דרישות קריטיות:
  • כדוריות (Sphericity): החלקיקים חייבים להיות כדוריים ככל האפשר כדי "לזרום" טוב במכונה וליצור שכבות אחידות וצפופות.
  • פיזור גודל חלקיקים (PSD): הגודל חייב להיות אחיד, לרוב בטווח של 15 עד 45 מיקרון (עובי שערה אנושית הוא כ-70 מיקרון).
  • ניקיון: האבקה חייבת להיות נקייה לחלוטין ממזהמים ומחמצן.

2. חוט (Wire)

צורה זו משמשת בעיקר בטכנולוגיות DED (הפקדת אנרגיה ישירה) ובמיוחד ב-WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), שדומה לריתוך רובוטי תלת-ממדי.

• החומר: זהו חוט רתך סטנדרטי או ייעודי.
• יתרונות: החומר זול משמעותית מאבקה, קל ובטוח לאחסון (אינו נפיץ), וקצב ההדפסה מהיר מאוד.
• חסרונות: הדיוק וגימור השטח נמוכים בהרבה, ומתאים בעיקר לחלקים גדולים מאוד.

3. פילמנט (Filament)

צורה זו משמשת בטכנולוגיות השולחניות החדשות (Metal FFF / BMD).

• החומר: זהו חוט פלסטי למראה, הדומה לפילמנט של מדפסת FDM רגילה. אך החוט הזה מורכב מכ-80% אבקת מתכת דחוסה וכ-20% חומר מקשר (Binder) פולימרי.
• התהליך: המדפסת מתיכה את הפילמנט ובונה "חלק ירוק". לאחר מכן החלק עובר שטיפה כימית (להסרת הדבק) וסינטור בתנור (להפיכת האבקה למתכת מוצקה).
• יתרונות: תהליך משרדי, בטוח (אין אבקה חופשית), ועלות כניסה נמוכה.
• חסרונות: תהליך רב-שלבי, והחלקים מתכווצים משמעותית בסינטור.

נקודה למחשבה: האם חומר מודפס זהה לחומר מחושל? לא בדיוק. התכונות המכאניות של חלק מודפס שונות מאלו של אותו חומר שעבר עיבוד מסורתי (כמו חישול או יציקה).

תהליך ההתכה וההתקררות המהיר מאוד (Rapid Solidification) במיטת האבקה יוצר מיקרו-מבנה (Microstructure) שונה. בדרך כלל, הגרגירים במתכת המודפסת קטנים ואחידים יותר.

התוצאה: חלקים מודפסים הם לרוב חזקים וקשים יותר מחלקים יצוקים, אך עלולים להיות פריכים יותר (פחות משיכים, Ductile). זו הסיבה שרוב מוחלט של חלקי המתכת המודפסים (במיוחד לתעופה) עוברים תהליכי עיבוד משלימים כמו טיפול תרמי (לשחרור מאמצים) או HIP (Hot Isostatic Pressing) – תהליך שבו דוחסים את החלק בלחץ ובטמפרטורה גבוהים כדי לסגור נקבוביות פנימיות זעירות ולהפוך אותו לצפוף ב-100%.

שאלות ותשובות (שאלות זהב)

שאלה: האם אפשר להדפיס פלדה "רגילה" וזולה, כמו פלדת בניין?

תשובה: בדרך כלל לא. פלדות פחמן פשוטות (Mild Steel) הן "קשות לריתוך". תכולת הפחמן הגבוהה גורמת להן להיות מועדות להיסדקות במהלך ההתקררות המהירה של תהליך ההדפסה. הסגסוגות המשמשות להדפסה (כמו 316L) פותחו במיוחד כדי להיות יציבות בתהליכי התכה וריתוך, ולכן הן יקרות יותר ובעלות הרכב כימי מדויק.

שאלה: האם אפשר לערבב חומרים או להדפיס בכמה חומרים?

תשובה: ברוב הטכנולוגיות (כמו PBF ו-Binder Jetting) התשובה היא לא. כל תא הבנייה מלא באבקה מסוג אחד. עם זאת, בטכנולוגיית DED (הפקדת אנרגיה ישירה), שבה החומר מוזן מראש נפרד, זה אפשרי בהחלט. ניתן להשתמש במספר הזנות חומר ולהחליף ביניהן תוך כדי הדפסה. זה מאפשר יצירת "חומרים מדורגים" (Functionally Graded Materials – FGM), למשל חלק שמתחיל כפלדה קשה בבסיסו ומשתנה בהדרגה לסגסוגת עמידה בחום בקצהו.

שאלה: האם אפשר למחזר את האבקה שלא נעשה בה שימוש?

תשובה: כן, וזהו חלק קריטי בכלכליות התהליך. בתהליך PBF, רק 5%-20% מהאבקה במיטה הופכת לחלק. את שאר האבקה (ה-Overflow) שואבים, מסננים (Sieving) וממחזרים לשימוש בבנייה הבאה. עם זאת, לא ניתן למחזר לנצח. כל חשיפה לחום משנה מעט את תכונות האבקה (למשל, סופחת מעט חמצן). לכן, נהוג לערבב אבקה ממוחזרת עם אבקה "בתולה" (Virgin Powder) ביחס מוגדר כדי לשמור על איכות אחידה.

סיכום

מגוון החומרים הזמינים להדפסת מתכת הוא רחב וטכני, ומתמקד בעיקר בסגסוגות מתקדמות בעלות ערך מוסף גבוה. הבחירה בחומר אינה רק שאלה של "מה אני צריך", אלא משולש מורכב של דרישות היישום (חוזק, משקל, עמידות בחום), יכולות הטכנולוגיה (PBF, DED, FFF), וצורת חומר הגלם (אבקה, חוט, פילמנט).

החדשנות האמיתית בתחום כיום היא לא רק במדפסות חדשות, אלא בפיתוח סגסוגות חדשות (High-Entropy Alloys, MMCs) שתוכננו מלכתחילה עבור התכונות הייחודיות של תהליך הייצור בתוספת.