הזדקנות בקרינת UV של חומרי הדפסה תלת-ממדית

מבין ארבעת חומרי ההדפסה התלת-ממדית המשווים כאן, ASA הוא היחיד שמיועד לחשיפה מתמשכת לקרינת UV ולתנאי מזג אוויר בחוץ; PLA ו-PETG סטנדרטי אינם מתאימים לכך. בחשיפה קצרת-טווח לקרינת UV-C הדירוג של השניים האחרונים מתהפך: לאחר 24 שעות באורך גל 254 nm, PETG מאבד 38 % מחוזק המתיחה שלו, ואילו PLA מאבד רק 9 % [1]. "עמידות לאור שמש" ו"עמידות לקרינת UV-C" אינן אפוא תכונות זהות הניתנות להחלפה.

חלקי פלסטיק שהודפסו בתלת-ממד ומשמשים בחוץ או נחשפים לקרינת UV משתנים עם הזמן: הם עלולים לדהות, להתקשות ולהיסדק, או לאבד מחוזקם. הגורם לכך הוא קרינה אולטרה-סגולה (UV) בעלת אנרגיה גבוהה, המסוגלת לשבור קשרים כימיים בפולימר – תהליך המכונה הזדקנות פוטו-חמצונית. באופן כללי מבחינים בשלושה תחומים:

• UV-A (315–400 nm): החלק הגדול ביותר מאור ה-UV של השמש, האחראי להזדקנות אטית על פני חודשים ושנים.
• UV-B (280–315 nm): החלק בעל האנרגיה הגבוהה יותר באור השמש, המאיץ את ההזדקנות עוד יותר.
• UV-C (200–280 nm): בטבע אינו מגיע כלל לפני הקרקע, אך משמש בכוונה במכשירי חיטוי משום שהוא משבית מיקרואורגניזמים ביעילות רבה במיוחד – ומאותה סיבה עצמה עלול לפגוע בפלסטיק בעוצמה רבה במיוחד [8].

אך עד כמה עמידים חומרי ההדפסה התלת-ממדית הנפוצים – PLA,‏ TPU,‏ PETG ו-ASA – מפני אור UV וקרינת UV-C? הסקירה שלהלן מסכמת מה נתמך בנתוני מדידה בפועל והיכן הראיות עדיין דלות.

תחומי הספקטרום עצמם נסקרים בפירוט בעמוד מה היא קרינת UV?, מנגנוני ההזדקנות בחומרים נסקרים בעמוד הזדקנות בקרינת UV, עמידות צבע ויציבות פוטוכימית. טכנולוגיית המדידה עבור תהליך ההדפסה וההקשיה שלאחר ההדפסה נסקרת בעמוד מדידת UV לייצור תוסף (Additive Manufacturing) ולהדפסה תלת-ממדית.

המחקרים המצוטטים מתארים נזק UV באמצעות שלושה גדלים מכניים. כל אחד מהם מבטא דבר אחר:

• חוזק מתיחה: הכוח ליחידת שטח שחלק יכול לעמוד בו לפני שהוא נקרע. ירידה בחוזק המתיחה לאחר חשיפה ל-UV משמעה שהחומר נחלש.
• התארכות בקרע: עד כמה ניתן למתוח חומר לפני שהוא נשבר. ירידה בהתארכות בקרע מעידה על כך שהחומר הופך שביר יותר.
• התבססות (Embrittlement): הפולימר מאבד את האלסטיות שלו ונשבר בקלות רבה יותר – לעיתים קרובות זהו סימן מוקדם וגלוי לנזק UV.

מתוך ארבעת החומרים שהושוו, ASA מתאים ביותר לחשיפה מתמשכת לקרינת UV ולתנאי מזג אוויר; PLA ו-PETG סטנדרטי אינם מתאימים לכך. ממצא מרכזי אחד עומד בניגוד לציפייה המקובלת: תחת הקרנת UV-C מבוקרת במשך 24 שעות, PETG מאבד עוצמה בשיעור ניכר בהרבה (−38%) לעומת PLA (−9%) [1]. הדבר מראה כי "טוב באור שמש" אין פירושו בהכרח "טוב תחת UV-C" – שני סוגי הקרינה פועלים באופן שונה על אותו פולימר.

הטבלה הבאה מציגה את ההתנהגות בבלייה טבעית לצד ההתנהגות בהקרנת UV-C. ערכי ה-UV-C עבור PLA ו-PETG מגיעים מאותה סבב בדיקות ולכן ניתן להשוותם ישירות; עבור TPU ו-ASA חסרות מדידות במתודולוגיה דומה.

PLA הוא חומר הבסיס בהדפסה תלת-מימדית: זול ופשוט להדפסה, אך רגיש לחום ולאור UV.

• באופן כללי לא עמיד ל-UV: התבססות (התקשות ושבירות) והצהבה בשימוש חוץ ממושך [2].
• תחת UV-C (24 h, 10 W/m², 254 nm): אין שינויים נראים לעין, חוזק מתיחה −9.1% (מ-29.54 עד 26.86 MPa), חוזק לחיצה −13.1%, מודול יאנג נשאר כמעט ללא שינוי (−1.9%, לא משמעותי סטטיסטית) [1].
• מסקנה: חשיפה קצרת-מועד ל-UV-C נסבלת יחסית טוב מבחינה מכנית, אך בלייה חוצה מתמשכת אינה נסבלת.

TPU הוא חומר גמיש בדמות גומי, שניתן לכפוף ולמתוח – לדוגמה עבור אטמים או ידיות אחיזה.

• TPU סטנדרטי אינו עמיד ל-UV [3].
• עם תוספי UV – מלאים כגון TiO2 או ZnO הסופחים אור UV – העמידות ל-UV והשמירה על חוזק המתיחה וההתארכות בעת שבר לאחר הזדקנות בקרינת UV משתפרות באופן משמעותי; המקור אינו נותן ערכים מדויקים [3].
• אין נתונים אמינים וספציפיים לגבי UV-C.

PETG חזק יותר ועמיד יותר לפגיעה מ-PLA, ולכן נעשה בו שימוש נפוץ בחלקים פונקציונליים.

• עמידות טובה יותר בפני בלייה (weathering) בהשוואה ל-PLA, אך אינו מיועד לחשיפה מתמשכת ל-UV; יכול להפוך לגמיש ורך תחת אור שמש רציף [4].
• תחת UV-C (בתנאים זהים ל-PLA): נזק משמעותי יותר בהשוואה ל-PLA – חוזק מתיחה −38.1% (מ-31.30 ל-19.48 MPa), חוזק לחיצה −33.9%, התארכות בשבר מ-3.06% ל-1.36% (התבהמות (embrittlement) קשה), הצהבה נראית לעין ואיבוד ברק [1].
• קיימים סוגי PETG המיוצבים במיוחד ל-UV לשימוש חוץ (טמפרטורת שירות רציפה מקסימלית 70 °C), אך אלו אינם זהים ל-PETG הסטנדרטי המשמש להדפסה תלת-מימדית [5].

ASA פותח במיוחד לשימוש חוצות ונחשב לחומר ההדפסה העמיד ביותר בפני תנאי מזג אוויר מבין החומרים המשווים כאן.

• פותח במיוחד לעמידות בפני UV ותנאי מזג אוויר: מרכיב הגומי הרגיש ל-UV שבABS מוחלף באסטר אקרילי בעל יציבות UV גבוהה יותר [2].
• שומר על כ-85 % מחוזק המתיחה שלו לאחר 2,000 h של הקרנת UV במבחן מעבדה לפי ASTM G154 [6].
• מבחן חוצות של 122 ימים: לא נמצא איבוד משמעותי של תכונות בחשיפה עזה לקרינת UV [7].
• אין מדידות מכומתות ייעודיות לUV-C. הצהרת מעבדה על 100 h של הקרנת UV-C ישירה ללא שינוי נראה לעין היא סבירה בהתחשב בעמידות ה-UV הכללית, אך אינה ניתנת להשוואה מתודולוגית למחקר על PLA/PETG.

ערכי ה-UVC עבור PLA ו-PETG מקורם בסדרת ניסויים שפורסמה בכתב העת Polymers בשנת 2021 [1]. הדגימות המודפסות הוקרנו במשך 24 שעות ב-254 nm ובעצמת קרינה נופלת של 10 W/m², עם טמפרטורת לוח אחורי של 50 °C; לאחר מכן קוררו הדגימות במשך ארבע שעות בטמפרטורת החדר לפני שבוצעו מבחני מתיחה ולחיצה. במאמר מצוין תא הקרינה BS-02 מבית Opsytec Dr. Gröbel כציוד ההקרנה שבו נעשה שימוש.

שתי נקודות קובעות האם ניתן להחיל ערכים כאלה על היישום שלכם. ראשית, מדובר בעצמת הקרינה הנופלת שנמדדה במיקום הדגימה ובמנת הקרינה הנובעת ממנה, ולא בהגדרת ציוד – ללא מדידה, החשיפות אינן ניתנות להשוואה. שנית, הערכים תקפים לדגימות בעלות עובי שכבה, כיוון ומילוי מוגדרים; עובי הדופן, יחס המילוי והפיגמנטציה של הצבע משנים את התוצאה באופן משמעותי. מי שנדרש להוכיח את עמידות ה-UV של חלק ספציפי בודק אותו אפוא במתקן משלו: תאי הקרנת UV מספקים את תנאי הגבול הניתנים לשחזור, התקנים וההנחיות הרלוונטיים מספקים את המסגרת לתנאי הבדיקה.

• שימוש חיצוני קבוע בחשיפת UV גבוהה: מומלץ להעדיף ASA.
• מחזורי חיטוי UV-C קצרים או חוזרים בסדר גודל של שעות: במחקר ההשוואתי היחיד הקיים, PLA מראה אובדן מכני קטן יותר בהשוואה ל-PETG הסטנדרטי.
• ASA תחת UV-C: עדיין חסרים נתונים בשיטתיות דומה לזו של PLA ו-PETG. עבור חלקים קריטיים מבחינת בטיחות, מומלץ לבדוק אותם בעצמכם, לדוגמה בתא הקרנת UV-C.
• TPU: יש להשתמש ביישומים חיצוניים וביישומי UV רק עם תוספים מייצבי UV.

חלקים שאינם מודפסים אלא מודבקים או יצוקים כפופים לתנאי סף משלהם; אלה מכוסים תחת דבקים, ציפויים ותרכובות יציקה המוקשים בקרינת UV.

1. Amza CG, Zapciu A, Baciu F, Vasile MI, Popescu D: הזדקנות פולימרים מודפסים בתלת-מימד תחת קרינת UV-C מחטאת. Polymers 13(24):4467, 2021.
2. Spectrum Filaments: הסבר על ASA 275 – הפילמנט המתאים לשימוש חוץ.
3. Wang A, Guo J, Shao C, Chen C: קומפוזיטים גמישים של פוליאוריתן תרמופלסטי עם עמידות לקרינה על-סגולה להדפסה תלת-מימדית בשיטת מידול בהתכה. 3D Printing and Additive Manufacturing, 2024.
4. Makelab: PETG לעומת ASA.
5. Noltewerk: גיליון נתונים טכני PETG UV (PDF).
6. Forge Labs: תכונות החומר ASA.
7. Habr: מבחן UV משווה של 122 יום על חומרי הדפסה תלת-מימדית.
8. Teska P (NIST): נזק למשטחי פולימר נפוצים בתחום הבריאות עקב חשיפה ל-UV-C (PDF).

מצב עריכה: 3 בספטמבר 2026.

השאלה האם חלק מודפס שורד את חשיפת ה-UV במקום השימוש שלו נענית רק על ידי בדיקה עם הקרנה מוגדרת ומנת קרינה נמדדת. אנו מספקים את טכנולוגיית המדידה לכך: תאי הקרנת UV כגון BS-02 לבדיקות הזדקנות חזרתיות במעבדה, ספקטרורדיומטר UVpad והרדיומטר RMD Pro למדידת הספקטרום, עצמת הקרינה הנופלת ומנת הקרינה בחלק עצמו. שלחו לנו את שאלתכם.