מדפסת תלת-ממד למתכת: סקירת DMLS וההבדלים המהותיים מ-SLS ו-SLA

זוהי אחת השאלות החשובות – ואחד הבלבולים הנפוצים ביותר – בעולם הייצור בתוספת (Additive Manufacturing). קל מאוד להתבלבל בין שלל ראשי התיבות, במיוחד כשהם נשמעים דומים.

בואו נעשה סדר באופן חד וברור: מבין שלוש הטכנולוגיות שציינת, רק DMLS היא טכנולוגיה המיועדת באופן ישיר להדפסת מתכת פונקציונלית וסופית.

• SLA (Stereolithography): היא טכנולוגיה המשתמשת בשרף נוזלי (פוטופולימר) המתקשה באמצעות לייזר UV. היא אינה מדפיסה מתכת.
• SLS (Selective Laser Sintering): היא טכנולוגיה המשתמשת בלייזר כדי לאחות אבקת פולימר (פלסטיק), לרוב ניילון. היא ה"אחות" של DMLS, אך מיועדת לעולם הפלסטיק.
• DMLS (Direct Metal Laser Sintering): היא טכנולוגיה המשתמשת בלייזר רב-עוצמה כדי להתיך (Melting) או לאחות (Sintering) אבקת מתכת דקיקה, שכבה אחר שכבה.

הבלבול נובע מכך שגם SLS וגם DMLS הן טכנולוגיות "מיטת אבקה" (Powder Bed Fusion) המשתמשות בלייזר. ההבדל הקריטי הוא סוג החומר (פלסטיק מול מתכת) ועוצמת הלייזר הנדרשת.

בסקירה זו, נצלול לעומק כל אחת מהטכנולוגיות, נסביר מדוע הבלבול קיים, ונציג את הטכנולוגיות הנוספות שכן משמשות להדפסת מתכת, כדי שתקבלו תמונה מלאה ומדויקת.

1. DMLS (Direct Metal Laser Sintering) – הטכנולוגיה המרכזית להדפסת מתכת

DMLS, ולעיתים קרובות במונח המקביל SLM (Selective Laser Melting), היא הטכנולוגיה המזוהה ביותר עם הדפסת מתכת תעשייתית, מדויקת ופונקציונלית. שתיהן פועלות תחת עקרון הגג של Powder Bed Fusion (PBF).

איך זה עובד? (שלב אחר שלב)

דמיינו תא סגור ואטום, מלא בגז אציל (כמו ארגון) כדי למנוע חמצון של המתכת.

1. פיזור אבקה: מכל אבקה מפזר שכבה דקיקה ואחידה (בעובי של 20-100 מיקרון) של אבקת מתכת על פני משטח בנייה.
2. התכה בלייזר: לייזר סיב (Fiber Laser) רב-עוצמה (מאות ואף אלפי וואטים) סורק את פני השכבה ומתיך באופן סלקטיבי את האבקה, בדיוק לפי חתך השכבה הדיגיטלי (מהקובץ). המתכת המותכת מתמזגת באופן מלא עם השכבה שמתחתיה.
3. ירידת המשטח: משטח הבנייה יורד מטה בדיוק בגובה של שכבה אחת.
4. חזרה: זרוע הפיזור (Recoater) מפזרת שכבת אבקה חדשה, והתהליך חוזר על עצמו מאות ואלפי פעמים עד שהחלק מושלם.
5. סיום: בסיום ההדפסה, החלק המוכן "קבור" בתוך ערימה של אבקה שלא הותכה, אשר מנוקה וממוחזרת לשימוש חוזר.

היתרונות של DMLS

• תכונות מכאניות מעולות: התהליך יוצר חלקים בצפיפות של 99.9% ומעלה, עם תכונות מכאניות השוות (ולעיתים עולות) על אלו של חלקים שנוצרו ביציקה או בעיבוד שבבי.
• דיוק ופרטים: מאפשר יצירת גיאומטריות מורכבות ביותר, תעלות קירור פנימיות, מבני סריג לחיסכון במשקל ופרטים עדינים.
• מגוון חומרים: תומך במגוון רחב של מתכות הנדסיות, כולל טיטניום, אלומיניום, נירוסטה (פלדת אל-חלד), אינקונל (סגסוגת-על), קובלט-כרום ופלדות כלים.

החסרונות של DMLS

• עלות: החסרון העיקרי הוא שהמכונות יקרות מאוד (מאות אלפי עד מיליוני דולרים). אך בשנה האחרונה הייתה קפיצה משמעותית בטכנולוגיה ששינתה את התמונה. חברת פריטק השיקה מדפסות מתכת במחירים שמתחילים ב 99,000 ש"ח למכונה שולחנית ומאות אלפי שקלים בודדים למכונה תעשייתית.

2. SLS (Selective Laser Sintering) – מדוע היא לא למתכת

SLS היא טכנולוגיה "אחות" ל-DMLS, והיא הסיבה המרכזית לבלבול.

איך זה עובד?

התהליך כמעט זהה ל-DMLS: מיטת אבקה, זרוע פיזור, ולייזר הסורק את חתך השכבה. ההבדלים המהותיים:

1. החומר: SLS משתמשת באבקות פולימר (פלסטיק), כשהנפוצה ביותר היא ניילון (PA12).
2. הלייזר: נעשה שימוש בלייזר CO2 בעוצמה נמוכה יותר, המספיקה רק כדי "לאחות" (Sinter) את גרגרי הפלסטיק יחד בנקודות המגע שלהם, ולא להתיך אותם לחלוטין.
3. טמפרטורה: כל מיטת האבקה מחוממת לטמפרטורה קרובה לנקודת ההתכה של הפלסטיק, כך שהלייזר צריך להוסיף רק מעט אנרגיה.

היתרון הגדול של SLS (שאין ב-DMLS)

ב-SLS, האבקה שלא אוחתה משמשת כתמיכה לחלק הנבנה. מכיוון שהכל מחומם ואין מאמצים תרמיים קיצוניים כמו במתכת, אין צורך לבנות מבני תמיכה ייעודיים. זהו יתרון עצום המאפשר חופש גיאומטרי מוחלט וניצול מקסימלי של נפח הבנייה (ניתן "לקנן" עשרות חלקים זה על גבי זה). ב-DMLS, חוסר היכולת לעשות זאת (בגלל הצורך בתמיכות) הוא מגבלה גדולה.

3. SLA (Stereolithography) – עולם השרף הנוזלי

SLA היא טכנולוגיית הדפסת התלת מימד הוותיקה ביותר, והיא שונה לחלוטין מהשתיים האחרות.

איך זה עובד?

1. החומר: מאגר (Vat) מלא בשרף נוזלי (פוטופולימר) הרגיש לאור UV.
2. התהליך: קרן לייזר UV בעוצמה נמוכה מאוד "מציירת" את חתך השכבה על פני השרף (או דרך תחתית שקופה).
3. התמצקות: בכל מקום שהלייזר פוגע, השרף מתמצק והופך לפלסטיק קשיח.
4. תנועה: משטח הבנייה יורד או עולה בשכבה אחת, והתהליך חוזר.
5. סיום: החלק המוכן יוצא מהנוזל ועובר שטיפה באלכוהול ו"אשפרה" (Post-Cure) נוספת בתא UV כדי להגיע לחוזק סופי.

יתרונות ושימושים

SLA אינה רלוונטית למתכת, אך היא מלכת הדיוק וגימור פני השטח. היא מייצרת חלקים חלקים כמשי, ברזולוציה הגבוהה ביותר, ומשמשת לאבות טיפוס ויזואליים, מודלים דנטליים, תכשיטנות (ליציקת שעווה) וחלקים שקופים.

אז אילו טכנולוגיות כן משמשות להדפסת מתכת (בנוסף ל-DMLS)?

כעת, כשהבנו ש-DMLS היא הטכנולוגיה המרכזית, וש-SLA/SLS אינן רלוונטיות, בואו נשלים את התמונה עם שתי הטכנולוגיות האמיתיות הנוספות להדפסת מתכת.

1. Metal Binder Jetting (הזרקת חומר מקשר)

זוהי הטכנולוגיה המבטיחה ביותר לייצור המוני (Mass Production) במתכת, והמתחרה הגדולה של DMLS.

• איך זה עובד: תהליך דו-שלבי.
  1. שלב א' (הדפסה): בדומה ל-SLS, זרוע מפזרת אבקת מתכת דקה. אך במקום לייזר, ראש הדפסת דיו (כמו במדפסת נייר) עובר ומטפטף "דבק" (Binder) פולימרי בדיוק בצורת החלק. התהליך חוזר על עצמו במהירות עצומה. התוצאה היא "חלק ירוק" (Green Part) – גוף שביר המורכב מאבקה ודבק.
  2. שלב ב' (אחרי עיבוד): החלק ה"ירוק" נכנס לתנור מיוחד. תחילה הוא עובר "Debinding" (הסרת הדבק), ואז סינטור (Sintering) בטמפרטורה גבוהה (קצת מתחת לנקודת ההתכה), שגורם לגרגרי המתכת להתמזג לגוף מוצק.
• יתרונות: מהירות הדפסה גבוהה פי 50-100 מ-DMLS, עלות לחלק נמוכה משמעותית, ואין צורך בתמיכות.
• חסרונות: החלקים עוברים התכווצות משמעותית (כ-20%) בתנור, מה שמקשה על הדיוק. החוזק המכאני נמוך מעט מזה של DMLS (צפיפות של 97%-99%).

2. DED (Directed Energy Deposition)

טכנולוגיה זו שונה לחלוטין. במקום מיטת אבקה, יש זרוע רובוטית שפועלת כמו רתכת תלת-ממדית.

• איך זה עובד: זרוע רובוטית מתיכה חומר גלם (בצורת אבקה או חוט מתכת) בדיוק ברגע שהוא פוגע במשטח הבנייה. מקור האנרגיה יכול להיות לייזר חזק או קרן אלקטרונים.
• יתרונות: יכולת לבנות חלקים ענקיים (בגודל מטרים), קצב בנייה מהיר, והיכולת הייחודית לתקן חלקים קיימים (למשל, להוסיף חומר ללהב טורבינה שחוק).
• חסרונות: דיוק וגימור פני שטח נמוכים מאוד (דורש עיבוד שבבי מסיבי לאחר מכן).

טבלת השוואה: טכנולוגיות הדפסת מתכת אמיתיות

כדי לסכם, הנה השוואה בין הטכנולוגיות שבאמת מדפיסות מתכת:

מאפיין	DMLS / SLM (התכת אבקה)	Metal Binder Jetting (הזרקת דבק)	DED (הפקדת אנרגיה)
חומר גלם	אבקת מתכת	אבקת מתכת	אבקת מתכת או חוט מתכת
תהליך	התכה מלאה בלייזר במיטת אבקה	הדבקת אבקה + סינטור בתנור	התכה רובוטית "באוויר"
דיוק	גבוה מאוד	גבוה-בינוני (בגלל התכווצות)	נמוך מאוד
חוזק החלק	מעולה (99.9%+ צפיפות)	טוב (97%-99% צפיפות)	מעולה (כמו ריתוך)
מהירות	איטי מאוד	מהיר מאוד (בשלב ההדפסה). אך דורש תהליכים נוספים	מהיר (קצב הפקדה גבוה)
צורך בתמיכות	תלוי בגאומטריה של החלק	אין צורך (האבקה תומכת)	תלוי בגיאומטריה
שימוש עיקרי	חלקים מורכבים (תעופה, רפואה)	ייצור סדרתי של חלקים קטנים	חלקים ענקיים, תיקונים

שאלות ותשובות (שאלות זהב)

שאלה: אז למה קיים המונח "סינטור" (Sintering) גם ב-SLS וגם ב-DMLS?

תשובה: זוהי הסיבה המרכזית לבלבול. "סינטור" (Sintering) הוא תהליך של חיבור גרגרי אבקה באמצעות חום, מבלי להגיע להתכה מלאה.

• ב-SLS (פלסטיק): התהליך הוא באמת סינטור קלאסי.
• ב-DMLS (מתכת): השם המקורי היה "סינטור", אך כיום רוב המכונות (במיוחד אלו הנקראות SLM – Selective Laser Melting) מבצעות התכה מלאה (Melting) של האבקה. התכה מלאה יוצרת חלק צפוף וחזק יותר מאשר סינטור בלבד. עם הזמן, המונחים DMLS ו-SLM הפכו כמעט למילים נרדפות בשוק.

שאלה: האם יש איזושהי דרך להדפיס מתכת ב-SLA?

תשובה: באופן עקיף, וזהו פתרון נישתי מאוד. קיימים שרפים (Resins) מיוחדים המשולבים באבקת מתכת (בדומה לחומר של Metal FFF). מדפיסים את החלק ב-SLA, ואז, בדומה ל-Binder Jetting, מכניסים את החלק לתנור לשטיפה וסינטור. התוצאה היא חלק מתכת, אך התהליך ארוך ומשמש בעיקר ליישומים זעירים (Micro-AM) או דנטליים. זו אינה טכנולוגיית SLA סטנדרטית.

שאלה: איזו טכנולוגיה הכי טובה למתכת?

תשובה: אין טכנולוגיה "הכי טובה" – יש טכנולוגיה "הכי מתאימה".

• אם אתה צריך חלק קריטי, חזק ומדויק (כמו שתל רפואי או רכיב טיל): DMLS/SLM.
• אם אתה צריך לייצר 10,000 חלקים קטנים ומורכבים בעלות נמוכה: Metal Binder Jetting.
• אם אתה צריך לתקן להב טורבינה או לבנות שלדת טנק: DED.

סיכום

הבנת ההבדלים בין הטכנולוגיות היא קריטית. DMLS היא אכן טכנולוגיית ליבה להדפסת מתכת, המציעה חוזק ודיוק ללא תחרות עבור חלקים מורכבים. לעומת זאת, SLS ו-SLA הן טכנולוגיות חיוניות ומרכזיות בעולם הפלסטיק והשרף, ואינן משמשות להדפסת מתכת ישירה. להשלמת התמונה, טכנולוגיות כמו Binder Jetting ו-DED מציעות פתרונות מתכת לייצור המוני ולחלקים גדולים, בהתאמה.