חומרי גלם להדפסת תלת מימד לפי דרישות הרכיב

חומרי גלם להדפסת תלת מימד נבחרים לפי דרישות הרכיב: עומס מכני, טמפרטורת עבודה, סביבה ותקן שהלקוח מחייב.
בתעופה ובביטחון הבחירה הנפוצה היא סגסוגת הטיטניום Ti-6Al-4V בצורת אבקה, לחלקים קלים וחזקים, ואילו אלומיניום, נירוסטה ואינקונל מתאימים כשהדרישות שונות.
בחלקים גדולים עוברים מאבקה לחוט או למוט מתכת, ובפולימרים בוחרים בין גרגירים לחוט לפי הגודל והעומס.
מה שמבדיל בין חומר טוב לחומר מתאים הוא התעודה, המפרט והבדיקה, ולא רק שם הסגסוגת.

CMI פעילה משנת 1988 ועוסקת בהדפסת תלת מימד משנת 2012.
החברה מוסמכת ISO 9001-2015 וספקית מורשית של משרד הביטחון והתעשייה האווירית.
לצד הדפסת מתכת תלת מימדית, מכירת אבקות מתכת ומדפסות לתעשייה והדפסת פולימר במידות גדולות, היא מספקת גם בדיקות אל הרס (NDT), כך שבחירת החומר ואימות הרכיב נעשים באותו מקום.
יש לכם רכיב ספציפי?
שלחו לצוות ההנדסה של CMI את השרטוט והדרישות, ונתאים חומר וטכנולוגיה.

אילו חומרי גלם להדפסת תלת מימד מתאימים לתעשייה?

השאלה הראשונה אינה "איזה חומר", אלא באיזו צורה הטכנולוגיה מקבלת אותו.
בשיטת "מצע אבקה" (PBF), שבה קרן אנרגיה ממיסה שכבות דקות של אבקה, נדרשת אבקה עדינה, בדרך כלל בגודל חלקיק של כ-15 עד 45 מיקרון.
טכנולוגיות לחלקים גדולים עובדות אחרת לגמרי, והחומר שלהן הוא חוט או מוט.

טכנולוגיה	צורת החומר	חומרים נפוצים	שימוש אופייני
היתוך מצע אבקה (PBF)	אבקה עדינה	Ti-6Al-4V, אינקונל 718, נירוסטה 316L, AlSi10Mg	חלקים קטנים עד בינוניים בגאומטריה מורכבת
AFSD (טכנולוגיית MELD)	מוט מתכת מוצק	אלומיניום, נחושת, פלדה וסגסוגות ניקל	חלקים גדולים, ציפוי ותיקון
EBAM (טכנולוגיית Sciaky)	חוט מתכת, בתא ואקום	טיטניום, אינקונל, נירוסטה	רכיבים מבניים גדולים, בעיקר לתעופה
הדפסת פולימר במידות גדולות	גרגירים או חוט	ABS ופולימרים הנדסיים	דגמים, כלי עבודה ורכיבי עזר גדולים

ב-"AFSD" (Additive Friction Stir Deposition, הדפסה בחיכוך ובערבול של חומר מוצק) החומר אינו נמס, ולכן נמנעים מחלק מפגמי ההתמצקות שמוכרים מהיתוך.
ב-"EBAM" (Electron Beam Additive Manufacturing, הדפסה בקרן אלקטרונים) חוט המתכת נמס בוואקום, וזה יתרון מכריע בטיטניום, שמגיב בקלות עם חמצן בטמפרטורה גבוהה.
CMI מייצגת בישראל את MELD Manufacturing ואת Sciaky Inc, ולכן הבחירה בין אבקה לחוט נעשית מתוך היכרות עם שתי הגישות.

בפולימרים ההחלטה היא בין חוט הדפסה לגרגירים.
גרגירים מתאימים להדפסת חלקים בגודל של מטרים ובדרך כלל זולים יותר לקילוגרם, וחוט נותן שליטה טובה יותר בפרטים קטנים.
לשירות הדפסה בפולימר במידות גדולות, או לרכישת חומר, אפשר לפנות ל-CMI בלי להתחייב לטכנולוגיה מראש.

איך מתאימים חומר לדרישות הרכיב?

ההתאמה מתחילה בשרטוט ובמפרט, לא בקטלוג החומרים.
חמש שאלות מצמצמות את הרשימה במהירות:

• עומס מכני ועייפות: חלק שעובר מחזורי עומס חוזרים צריך חוזק עייפות גבוה, וזה מקום שבו Ti-6Al-4V ופלדות מסוימות מובילות.
• טמפרטורת עבודה: אלומיניום מתאים לטמפרטורות נמוכות יחסית, טיטניום מתאים לטווח גבוה יותר, ואינקונל 718 נבחר לעבודה בסביבות 650 מעלות צלזיוס.
• משקל: צפיפות האלומיניום כ-2.7 גרם לסמ"ק, של Ti-6Al-4V כ-4.43 וצפיפות הפלדה כ-7.8. בתעופה כל גרם נספר, ולכן יחס חוזק למשקל קובע.
• סביבה וקורוזיה: נירוסטה 316L וטיטניום עמידים בלחות, במלח ובכימיקלים, ופלדה רגילה דורשת ציפוי.
• הסמכה ומפרט: בתעופה ובביטחון החומר והתהליך נכללים במפרט הלקוח, ולכן חומר שעבר שינוי ספק עלול לדרוש הסמכה מחדש.

לדברי מהנדס חומרים בכיר בתעשיית התעופה, "האבקה היא חלק מהמפרט של הרכיב ולא חומר מתכלה, ומי שמחליף ספק אבקה לפי מחיר מחליף בפועל את תכונות החלק".

דוגמה: תושבת שמחזיקה ציוד על מבנה ונחשפת לרעידות.
היא קטנה, מורכבת ודורשת הקלה במשקל, ולכן אבקת Ti-6Al-4V בהדפסת מצע אבקה היא בחירה טבעית.
לעומתה, בסיס מבני באורך מטר וחצי לציוד קרקע יצא יקר ואיטי באבקה, והדפסה בחוט או במוט היא הפתרון המעשי.
השיקול הזה חוזר גם בשירותי הנדסה ובתכנון תלת מימד לפני ההדפסה: התכנון תלוי בחומר, והחומר תלוי בגודל ובכמות.

מה ההבדל בין אבקות הטיטניום השונות?

טיטניום הוא החומר המרכזי בהדפסת מתכת לתעופה, אך "אבקת טיטניום" אינה מוצר אחד.
שלוש משפחות עיקריות שונות זו מזו בהרכב ובשימוש:

• טיטניום טהור מסחרית (CP), דרגות 1 עד 4: ההבדל ביניהן הוא תכולת חמצן וברזל. דרגה 1 רכה וגמישה ביותר, ודרגה 4 חזקה ביותר. עמידות הקורוזיה מצוינת, ולכן הן נפוצות בציוד כימי וימי.
• Ti-6Al-4V דרגה 5: סגסוגת עם כ-6% אלומיניום וכ-4% ונדיום. זהו "סוס העבודה" של התעופה, עם יחס חוזק למשקל גבוה ויכולת עיבוד תרמי טובה. התקן ASTM F2924 מגדיר אותה להדפסה בשיטת מצע אבקה.
• Ti-6Al-4V ELI דרגה 23: אותה סגסוגת עם רמות נמוכות במיוחד של חמצן, חנקן, פחמן וברזל. "ELI" (Extra Low Interstitial) נותן קשיחות שבר וגמישות גבוהות יותר, ולכן היא נבחרת לשתלים ולרכיבים קריטיים. התקן ASTM F3001 מגדיר אותה.

המספרים מראים כמה קטן ההבדל וכמה גדולה ההשפעה: ASTM F2924 מגביל חמצן בדרגה 5 ל-0.20% לכל היותר, ואילו ASTM F3001 מגביל אותו ל-0.13% בדרגה 23.
חמצן עודף מקשיח את הסגסוגת ומפחית את חוסן השבר שלה.

גם דרך הייצור של האבקה משפיעה.
ב-"אטומיזציה בגז" (ריסוק מתכת מותכת בזרם גז לטיפות שמתמצקות לכדוריות) מתקבלת אבקה כדורית שזורמת היטב.
ב-"אטומיזציה בפלזמה" מזינים חוט טיטניום ללהבת פלזמה, והתוצאה כדוריות גבוהה במיוחד וחלקיקים נקיים.
בשיטת PREP, אלקטרודה מסתובבת נמסת בפלזמה והטיפות נזרקות החוצה.
אבקות בשיטת HDH (הידרציה ודה-הידרציה) הן לא כדוריות וזולות יותר, ולכן מתאימות לטכנולוגיות אחרות ולא להדפסה במצע אבקה.

כדוריות גבוהה, גודל חלקיק מבוקר ותכולת חמצן נמוכה הם שלושת הפרמטרים שמבדילים אבקה להדפסה מאבקה כללית.
CMI מוכרת אבקות מתכת להדפסת תלת מימד ללקוחות תעשייתיים, ובאתר יש מדריך נפרד על אבקות הטיטניום ויתרונותיהן.
הרכב מדויק וזמינות מתבררים מול הצוות לפי הפרויקט.

איך מוודאים שהחומר עומד בדרישות האיכות?

הוכחת האיכות מתחילה לפני ההדפסה, בתעודה.
תעודת אנליזה (CoA) לכל אצווה צריכה לכלול הרכב כימי, התפלגות גודל החלקיקים, צפיפות מדומה וקצב זרימה.
הבדיקות המקובלות לכך מוגדרות בתקני ASTM B212 לצפיפות מדומה ו-ASTM B213 לזרימה במשפך הול, והדרישות הכלליות לאבקות מתכת להדפסה מרוכזות בתקן ISO/ASTM 52907.

בטיטניום יש עניין נוסף: שימוש חוזר באבקה.
אחרי כל מחזור מנפים את האבקה ומודדים חמצן, ואם ההרכב חורג מהתקן מערבבים אבקה טרייה או מחליפים אצווה.
בלי רישום אצוות ומעקב אחרי מספר המחזורים, אי אפשר להוכיח למפקח שהחלק יוצר מחומר תקין.

אחרי ההדפסה בודקים את החלק עצמו.
מדידת צפיפות מגלה נקבוביות, ובדיקות אל הרס (NDT) בודקות סדקים ופגמים פנימיים בלי לפגוע ברכיב.
CMI היא נציגה רשמית של חברת Vibrant בישראל לבדיקות PCRT (Process Compensated Resonance Testing).
בשיטה הזו מודדים את תדרי התהודה של החלק ומשווים אותם לאוכלוסיית ייחוס, וסטייה מצביעה על סדק, נקבוביות או הבדל בחומר.

לפני הזמנה כדאי לברר מול כל ספק:

• האם מצורפת תעודת אנליזה לכל אצווה, ומה הטווחים שנמדדו?
• לאיזה תקן החומר מוגדר, ומי מוסמך לאשר חריגה?
• איזה מעקב קיים אחרי אצוות, ואיך מתועד שימוש חוזר?
• אילו בדיקות מבוצעות על החלק המוגמר, ובאיזו שיטה?

כשחומר, הדפסה ובדיקה נמצאים אצל אותו ספק, מתקצר המסלול בין תוצאת בדיקה לתיקון בתהליך.
זה אחד היתרונות של עבודה עם חברה שמחזיקה גם אישור ISO 9001-2015 וגם אישורי עבודה מול ספקי תעופה וביטחון.

שאלות נפוצות על אבקות וחומרים להדפסה

כמה שאלות מעשיות שעולות כשעוברים מהבחירה התיאורטית לעבודה בפועל.

האם אפשר להשתמש שוב באבקת טיטניום שנשארה אחרי הדפסה?

כן, אבל בבקרה.
מנפים את האבקה, מודדים חמצן וחנקן ומתעדים כמה מחזורים עברה.
כשהערכים מתקרבים לתקרת התקן, מערבבים אבקה טרייה.
בלי מעקב כזה אי אפשר להבטיח שהרכיב יעמוד בדרישות תעופתיות.

איך מאחסנים אבקות מתכת בבטחה?

במכלים אטומים, במקום יבש וקריר, הרחק ממקורות הצתה.
אבקות עדינות של טיטניום ואלומיניום הן תגובתיות ועלולות להתלקח, ולכן עובדים בהארקה ובכלים שאינם מייצרים ניצוץ, ולפי נוהלי הבטיחות של האתר.

האם אפשר להזין למדפסת קיימת חומר של יצרן אחר?

לעיתים כן, אבל לא אוטומטית.
לכל שילוב של מדפסת, חומר ופרמטרים יש הסמכה משלו, ואבקה אחרת משנה את התנהגות ההתכה.
לכן כדאי לבצע הדפסות מבחן ולבדוק צפיפות ותכונות מכניות לפני מעבר לייצור.

האם פולימרים דורשים טיפול לפני ההדפסה?

בחלקם כן.
פולימרים כמו ניילון סופגים לחות מהאוויר, והדפסה בלי ייבוש מקדים נותנת חלקים חלשים עם פגמי פני שטח.
גם בחומרי גלם להדפסת תלת מימד מפולימרים, תנאי האחסון הם חלק מהמפרט.

חומרי גלם להדפסת תלת מימד ב-CMI: מהמפרט ועד הרכיב המוגמר

הבחירה בחומר מתחילה בדרישות הרכיב ולא בשם הסגסוגת: עומס, טמפרטורה, משקל, סביבה ותקן.
אחריהן באה הטכנולוגיה, אבקה במצע אבקה או חוט ומוט ב-EBAM וב-AFSD, ואז סוג הטיטניום או הסגסוגת הנכונים ובדיקות שמוכיחות שהחלק עומד במפרט.

CMI משלבת מכירת אבקות מתכת ומדפסות, הדפסת מתכת ופולימר, שירותי הנדסה ובדיקות NDT ו-PCRT.
הניסיון של החברה מאז 1988 וההסמכות שלה מאפשרים ללקוחות בתעופה, בביטחון ובתעשייה כבדה לקבל תשובה אחת לשאלה שמטרידה כל מהנדס: איזה חומר, ואיך מוכיחים שהוא מתאים.
אם אתם בוחנים חומרי גלם להדפסת תלת מימד לרכיב חדש או לחלק חילוף שאינו זמין, שלחו לנו את השרטוט והמפרט ונחזור אליכם עם המלצה מנומקת.