טכניקות מתקדמות בהדפסות תלת-ממד

Lidor Perez
17 ביוני
זמן קריאה 3 דקות

טכניקת גיהוץ מודולציות מהירות (Speed-Modulated Ironing, או בקיצור SMI) היא פיתוח חדשני המאפשר לשדרג משמעותית את המראה והתחושה של אובייקטים המודפסים בתלת-ממד בטכנולוגיית FDM. הייחוד המרכזי בשיטה הוא ביכולת שלה "לתכנת" תכונות מגוונות לתוך אובייקט המודפס מחומר גלם יחיד, וזאת על ידי ניצול תכונותיהם של פילמנטים תרמו-רספונסיביים - חומרים המשנים את מאפייניהם בתגובה לחום. כל זאת מתבצע ללא צורך בשינויי חומרה מורכבים במדפסת סטנדרטית בעלת דיזה כפולה. הטכניקה פותחה על ידי חוקרים מ-MIT ואוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה (TU Delft).

הרעיון המרכזי: דיזה כפולה, מהירות משתנה, וחומרים מגיבי-חום

בבסיס שיטת SMI עומדת מדפסת FDM סטנדרטית בעלת דיזה כפולה (dual-nozzle). לכל דיזה תפקיד מוגדר:

הדיזה הראשונה: אחראית על הנחת שכבות הפילמנט התרמו-רספונסיבי כרגיל. שלב זה מתבצע בטמפרטורה נמוכה יחסית, שאינה גורמת להפעלת התכונות המיוחדות של החומר.
הדיזה השנייה: נותרת ריקה (ללא פילמנט) ומחוממת לטמפרטורה קבועה וגבוהה יותר. דיזה זו מבצעת את פעולת ה"גיהוץ" על השכבה שהונחה.

הקסם מתרחש באמצעות שליטה מדויקת על מהירות התנועה של הדיזה השנייה בזמן שהיא עוברת מעל השכבה המודפסת. כמות החום המועברת לחומר התרמו-רספונסיבי נמצאת ביחס הפוך למהירות הדיזה:

מהירות איטית: זמן מגע ארוך יותר, טמפרטורת חומר גבוהה יותר, הגורמת לשינוי משמעותי יותר בתכונות החומר התרמו-רספונסיבי.
מהירות גבוהה: זמן מגע קצר יותר, טמפרטורת חומר נמוכה יותר, הגורמת לשינוי מתון יותר או לא מפעילה כלל את תגובת החומר.

גישה זו מאפשרת ויסות מדויק של החום המועבר לחומר, ועל ידי כך שליטה מדויקת בתגובות הספציפיות של הפילמנט התרמו-רספונסיבי בו משתמשים.

איך זה עובד בפועל? הפעלת תכונות החומר התרמו-רספונסיבי

הצלחת טכניקת SMI תלויה באופן קריטי בשימוש בפילמנטים המכילים תוספים או בעלי מבנים המשנים את תכונותיהם בתגובה לחום. החום המבוקר, המועבר על ידי הדיזה השנייה במהירות משתנה, הוא שמפעיל את התגובות הללו בחומר. דוגמאות לחומרים כאלה שהודגמו במחקר:

פילמנט מקציף (למשל LW-PLA): חימום מפעיל חומר מקציף בפילמנט, הגורם לחומר להתרחב וליצור מבנה תאי סגור. מידת ההקצפה (ומכאן האטימות, הצפיפות והמרקם) נשלטת על ידי מהירות הגיהוץ, כלומר, הטמפרטורה אליה מגיע החומר.
פילמנטים עם מילוי עץ/שעם: פילמנטים אלו מכילים סיבים טבעיים. חימום גורם לתהליך פירוליזה (חריכה) של סיבים אלו. טמפרטורות גבוהות יותר (תוצאה של מהירות גיהוץ נמוכה) גורמות לחריכה רבה יותר, וכתוצאה מכך לגוון צבע כהה יותר באופן הדרגתי.
פילמנט PLA סטנדרטי: גם פילמנט PLA רגיל, ללא תוספים מיוחדים, יכול להראות שינויים תחת SMI, בעיקר בגימור פני השטח (ברק/מרקם). חימום רב יותר (גיהוץ איטי יותר) יכול ליצור אזורים חלקים ומבריקים יותר.

באמצעות שליטה בתגובות החומרים התרמו-רספונסיביים, ניתן "לתכנת" מגוון תכונות ויזואליות וטקטיליות ברזולוציה גבוהה, כגון גוון צבע, שקיפות/אטימות, מרקם (חספוס/חלקות) וברק, ואף ליצור מעברים הדרגתיים (gradients) עדינים.

דרישות ויישום

חומרה: מדפסת FDM סטנדרטית עם דיזה כפולה.
חומר: פילמנטים תרמו-רספונסיביים הם המפתח להשגת שינויים משמעותיים בתכונות החומר (כגון: מקציפים, ממולאי עץ/שעם). ניתן להשתמש גם ב-PLA סטנדרטי להשגת אפקטים של שינוי ברק ומרקם.
תוכנה: פותחו מודלים וכלים (למשל, יישום ב-Rhinoceros 3D Grasshopper ) המתרגמים את התכונות הרצויות על המודל התלת-ממדי להוראות G-code עבור שתי הדיזות, השולטות הן בהדפסה והן בגיהוץ במהירות משתנה.

חשוב לכייל בקפידה את פרמטרי הגיהוץ (טמפרטורת דיזה, טווח מהירויות, גובה דיזה) כדי להבטיח הפעלה נכונה של התכונות בחומר התרמו-רספונסיבי ולמנוע נזק לחלק המודפס.

פילמנטים תרמו-רספונסיביים

סוג פילמנט	רכיב/מנגנון פעיל	תגובה לטמפרטורה	אפקטים מושגים (צבע, מרקם, שקיפות)
פילמנט מקציף (LW-PLA)	חומר מקציף (Blowing Agent)	התרחבות ליצירת קצף תאי סגור	עלייה באטימות (צבע בהיר יותר), ירידה בצפיפות, עלייה בחספוס (בטמפ' גבוהה/מהירות נמוכה); שקיפות למחצה, צפיפות גבוהה, חלקות (בטמפ' נמוכה/מהירות גבוהה)
פילמנט עם מילוי עץ (Wood-Filled)	סיבי עץ	פירוליזה (חריכה) של הסיבים	התכהות הדרגתית של הגוון (יצירת גווני אפור)
פילמנט עם מילוי שעם (Cork-Filled)	חלקיקי שעם	פירוליזה (חריכה) של החלקיקים	התכהות הדרגתית של הגוון (יצירת גווני אפור)
PLA סטנדרטי	פולימר PLA	ריכוך והחלקת פני השטח	שינוי בברק ובמרקם (חלק/מבריק יותר בחימום רב יותר)

טכניקות אחרות מול SMI

גיהוץ סטנדרטי בתוכנות חיתוך מול SMI: גיהוץ סטנדרטי נועד להחליק את פני השטח העליונים והשטוחים של המודל באמצעות מעבר נוסף של דיזת ההדפסה תוך הזרמת כמות קטנה של חומר. לעומת זאת, SMI משתמשת בדיזה שנייה ריקה, במהירות משתנה וללא הזרמת חומר, כדי לווסת חום ולהפעיל תגובות בחומרים תרמו-רספונסיביים ספציפיים.

טכניקת SMI לאומת FDM מרובה חומרים: הדפסה מרובת-חומרים דורשת החלפה פיזית של פילמנטים, תהליך איטי המייצר פסולת רבה. SMI, על ידי שימוש בחומר תרמו-רספונסיבי יחיד והפעלת תכונותיו באופן מבוקר, מציעה הדפסה מהירה יותר באופן משמעותי, הפחתה דרסטית בפסולת (עד פי 10 פחות בהשוואה למערכות מסוימות), ויכולת ליצור מעברים הדרגתיים עדינים יותר בתכונות החומר.

למרות המגבלות, תלות בחומרים תרמו-רספונסיביים ספציפיים וצורך בכיול קפדני, SMI מהווה צעד חשוב לעבר הדפסת FDM רב-תכליתית, יעילה ובת-קיימא יותר. היא פותחת אפשרויות חדשות למעצבים וליצרנים, ומדגישה את המעבר מחומרה מורכבת לשליטה תהליכית מדויקת וניצול טוב ויעיל של תכונות החומר.