המונח Additive Manufacturing מתייחס לטכנולוגיה שמייצרת גופים תלת ממדים על ידי הוספת שכבות חומר דקות, אחת בכל פעם, אחת על השנייה, עד ליצירת גוף תלת ממדי. השכבות הם בד”כ של חומר מותך או חצי מותך, תלוי בטכנולוגיה. ” הדפסת תלת-ממד” הוא המושג היותר פופולרי לתיאור שיטת היצור זאת אבל Additive Manufacturing מקיף הרבה מעבר.
איך זה עובד:
ההדפסה מתבצעת על ידי בנית שכבות אחת על השנייה.
השימוש במודל תלת ממדי ממחושב שנוצר בתוכנת תכנון (תיב”מ / CAD) או סריקה תלת ממדית להגדרת הגאומטריה, מאפשר ל”חתוך” את הגאומטריה לפרוסות דקיקות המגדירות את שכבות ההדפסה.
עבור כל שכבת הדפסה, המערכת מחשבת מאין רקמת קווים המהווים את המסלול לראש ההדפסה בשכבה הספציפית (Hatching).
ישנן מספר שיטות ליצור השכבות, החל מסוג של אקדח דבק חם שמצייר שכבות אחת על גבי השנייה וכלה בסט לייזרים מתוחכם שמתיך מסלול על בשכבות של אבקת מתכת.
הגישה של יצור על ידי הוספת חומר בניגוד להורדת חומר בשיטות היצור המסורתיות (חריטה, כרסום, קידוח וכו’ ), היא מהפכנית ופורצת את גבולות תהליכי היצור המסורתיים שהיו מקובלים במשך מאות שנים. ההשפעה היא עצומה, משנה דרכי מחשבה, תכנון וניהול.
בניגוד לשיטות המסורתיות הבסיס הדיגיטלי (מודל גאומטרי ממוחשב של הגוף התלת ממדי) הוא הכרחי להדפסה תלת ממדית והוא מה שנמצא בלב הטכנולוגיה ומאפשר אותה תוך פתיחת עולם חדש ליצור בתלת ממד שרק הדמיון מגביל אותו.
השימושים המשמעותיים של הדפסת תל ממדית הם:
אבות טיפוס
המעבר הפשוט בין מודל דיגיטלי תלת ממדי לדגם פיסי מודפס מפולימריים היה אחד השימושים העיקריים של הדפסה תלת ממדית. הרבה יותר פשוט לבחון ולהדגים אבות טיפוס ממשיים מדיגיטליים. השימושים יכולים להיות דגמים של אבות טיפוס והוכחת יכולת, דגמים בעולם הארכיטקטורה, חינוך או אפילו מכירות.
מדפסת פולימרים תלת ממד על שלחנו של מעצב, מהנדס או ארכיטקט יכולה לעזור לו בקלות להמחיש את רעיונות התכנון.
מתקני עזר ליצור וכלים מיוחדים
יכולת ליצר במהירות בכמויות קטנות בתוך הארגון מאפשרת לתכנן וליצר מתקנים וכלי עזר מיוחדים לייעול תהליכי יצור, הרכבה ותחזוקה הופכת את המדפסת התלת ממדית לכלי הכרחי בארגון שמפתח מיצר ומתחזק מוצרים מורכבים.
התאמה אישית
החלום הגדול של חברות מדפסות התלת ממד היה שלכל אחד בבית תהיה מדפסת תלת ממד ומיליוני לקוחות ידפיסו לעצמם ספלי תה ומברשות שיניים עם שם. זה לא קרה.
מה שכן קרה הוא שחברות כמו BMW מאפשרות ללקוחת לבחור איזה דשבורד יהיה להם במכונית המיני החדשה שלהם. ברפואה, היכולת לסרוק את גוף האדם ולהדפיס חלקים כמו שיניים תותבות או מפרקים מותאמים ב100% לכל דורש היא פריצת דרך אמתית ושינוי אמתי בכלים הזמינים לרופאים והטכנאים בענף.
תחזוקה ותיקונים
בדומה למכונת צילום מסמכים, היכולת לסרוק חלקים ולהדפיס העתקים מאפשרת ליצר חלקים שאינם זמינים יותר או שהזמינות שלהם נמוכה (עלות גבוהה או זמן אספקה ארוך).
לדוגמא, לקרונות וקטרים אורך חיי שרות של כ-50 שנה. חברת הרכבות דויטשה באן אימצה את הדפסה בתלת ממד ככלי אסטרטגי לניהול מלאי חלקי החילוף שלה במקרים שהספקים נעלמו מהשוק או הזמינות והעלות של החלקים מהספקים לא מתאימים לדרישות התפעול של הרכבת.
דוגמא נוספת מתחום אחר לגמרי היא ברסטורציה. בתחום האומנות נכנס השימוש במדפסות תלת ממד לשם שיקום ושחזור חפצים ופסלים. אם נשבר חסר או נשבר חלק בפסל, קל לסרוק את השבר, לתכנן את החלק החסר ברוח היצירה, להדפיס ולהדביק את החלק החסר.
יצור
למרות השימושים הרבים שאפשר למצוא להדפסה בתלת ממד, הגביע הקדוש והעתיד טמון ביצור של חלקים המתוכננים להדפסה וזה הבדל המשמעותי בין הדפסה בתלת ממד לבין Additive Manufacturing.
בשנים האחרונות, התפתחות טכנולוגית ההדפסה מאפשרת להדפיס בחומרים שהם מעבר לחומרים פולימריים, לדוגמא: אלומיניום, טיטניום, אינקונל, חומרים קרמיים ועוד.
ההתפתחות הזאת מאפשרת יצור חלקים בהדפסה תלת ממדית במחיר סביר, לשימושים מסוימים, בתחומים כמו תעופה (הפחתת משקל ושיפור ביצועים), רפואה (יצור תותבים מותאמים אישית) ותעשיית הרכב (הפחתת משקל, שיפור ביצועים והתאמה אישית).
התפתחות זאת מסמלת את תחילתה של מהפכה האמתית והמעבר לשימוש בהדפסה תלת ממדית ליצור מוצרים ופתרון בעיות בקו ראשון של היצור.
הדפסה תלת ממדית איננה יותר נחלתם הבלעדית של החוקרים או שימושי עזר אלה כלי מרכזי לחדשנות ומהפכנות, המשנה אסטרטגיות יצור, פותחת אפשרויות חדשות והצגת פתרונות טכניים שאינם אפשריים בטכנולוגיות יצור מסורתיות.
בעזרת מדפסת תלת ממדית אפשר ליצר חלקים המשולבים זה בזה. דמינו הדפסה של שרשרת שהחוליות יוצאות משולבות אחת בשנייה הישר מהמדפסת. דוגמא יותר מתוחכמת היא הכפפה המודפסת בתמונה למעלה. הכפפה היא לא אוסף של חוליות ששילוב אותן אחת בשנייה אלה כפפה שהודפסה בפעם אחת במדפסת.
טכנולוגית ההדפסה מאפשרת לתכנן וליצר חלקים המאופיינים בגאומטריות מיוחדות ששומרות על תכונות החוזק במשקל הרבה יותר קל. למשל קובייה שהמעטפת שלה מלאה אבל החלל הפנימי מלא בסבכה של קורות או גאומטריות מתוכננות מחשב המאפשרות לשמור על החוזק במשקל הנמוך ממשקלה של קובייה מלאה.
בתמונה אפשר לראות מודל של חלק קצת יותר מורכב מקובייה, בעל משקל נמוך וחוזק גבוה.
בחלק זה, הסבכה משתנה לאורך החלק ומאפשרת לחזק רק את האזורים הדורשים חיזוק תוך כדי שמירה על משקלו הנמוך יחסית של החלק. האפשרות לשלוט על צפיפות הסבכה מאפשרת למתכנן לשלוט על פרמטרים פיסיקליים מכאניים של החלקים ברמה שלא הייתה אפשרית בשיטות המסורתיות.
המתכנן יכול לשלוט על מיקום מרכז הכובד, גמישות לעומת קושיות באזורים מסוימים של החלק ולא להיות כבול לתכונות החומר של החלק שמכתיבות בד”כ את התכונות הפיסיקליות. מהנדסים הלוקחים את חופש התכנון הזה קדימה יכולים לפתח מכונות המורכבות מפחות חלקים כי חלק מתוחכם אחד יכול לממש התנהגות הממומשות בד”כ בהרכבה.
חלק מהשיקולים לבנית הרכבה מחלקים הם שיקולי יצור של החלקים. לדוגמא, אם יש צורך בקדח או כרסום, יש לאפשר גישה למקדח. בהדפסה תל ממדית, כאשר הכול מודפס שכבה אחר שכבה אין כמעט שיקולי יצור, אפשר לאחד חלקים ולהקטין דרמטית את מספר החלקים בהרכבה. הקטנת מספר החלקים מורידה את עליות ההרכבה וניהול המלאים ומקטינה את מספר נקודות הכשל האפשריות שנובעות מתהליך ההרכבה תוך שיפור איכות המוצר.
כאשר אין שיקולי ייצור ניתן לתכנן חלקים שהם אופטימליים למטרה שלהם. למשל, ניתן לתכנן וליצר בלוק – גוף מנוע של מכונית שהוא הרבה יותר קל, עם שטח פנים הרבה יותר גדול שמקרר את עצמו בעזרת האוויר סביבו, ומקטין את התלות במערכת קירור נוספת במערכת המנוע. ניתן להדפיס את מערכת צינורות מערכת הקירור בתוך בלוק המנוע עצמו ללא צורך להתחשב בשיקולי יציקה, תוך הפחתת מספר החלקים במנוע והקטנת מספר התקלות האפשריות (נזילות בחיבורים ) וכו’.
בתמונה מוצג חלק משולב מערכות שהוצג בתערוכת 2019 FORMNEXT בפרנקפורט ע”י חברת SLM – אחת מיצרניות מדפסות המתכת המובילות בעולם, ומראה לאיזה תחכום אפשר להגיע ביצור בהדפסת מתכת בתלת ממד.
במספר שיטות הדפסה תלת ממדית ניתן לשלב חומרים בתהליך ההדפסה (בדומה להדפסה מונוכרומטית ומדפסת צבע בהדפסה על נייר) ולהרחיב את מרחב הפתרונות בהדפסת תלת ממד. בדומה למדפסת נייר צבעונית, ניתן לשלוט על הרכב החומר של כל פיקסל תלת ממדי ולאפשר תכונות פיסיקליות לחלקים שבעבר אפשר היה רק לדמיין אותם.
שילוב של הדפסת תלת ממד עם כרסום ממוחשב (CNC) נקרא Hybrid Manufacturing ומאפשר לנצל בתהליך היצור את יתרונות השיטות המסורתיות (מהירות, דיוק וטיב פני שטח, עלות נמוכה יותר) עם הגמישות והיכולות של הדפסה תלת ממדית. כיום זמינות מכונות המשלבות ראשי כרסום עם ראש הדפסה. התהליך יכול להתחיל מהדפסה מהירה וגסה של עובד, טיוב פני השטח ע”י ראש כרסום והמשך הדפסה של החלק ע”י הדפסה וכו’.
עיצוב גנרטיבי (G.D. – Generative Design) הוא תחום מתפתח בעולם התכנון בעזרת מחשב (תיב”ם-CAD) כתוצאה מהאפשרויות הנפתחות בתהליכי היצור בעזרת Additive Manufacturing.
GD עושה שימוש בבינה מלאכותית (AI) בכדי לאפשר בחינת ספקטרום רחב יותר של פתרונות תכנון לבעיות הנדסיות מאשר מהנדס או קבוצה של מהנדסים יכולים לבחון. המערכת עושה שימוש במשאבי חישוב בענן, מקבלת את מטרות התכנון, טווח של דרישות ואילוצים מהמתכנן ומציעה מרחב פתרונות תכן העומדים בתחום הדרישות והאילוצים. כמות הפתרונות המוגבלת רק במשאבי החישוב ולא בזמן המהנדסים או ביכולתם. המערכת יכולה לתת ציון התאמה לכל פתרון מוצע ולהקל את בחירת הפתרון האופטימאלי בסופו של התהליך.
המערכת יכולה להיות מוגבלת לתכן בשיטות יצור מסורתיות אבל החופש והיכולת האמיתית שלה באים לידי ביטוי ע”י הסרת מגבלות היצור שמאפשרת הדפסת בתלת ממד. המהנדסים / מתכננים הופכים להיות יעילים יותר כאשר הם נדרשים לבחון ולדרג פתרונות מבן מבחר עצום של פתרונות המוצעים ע”י המחשב.
מכיוון שGD להדפסה תלת ממדית חופשי ממגבלות יצור, התוצאות הסופיות מזכירות לפעמים מבנים אורגניים מתוחכמים.
ל Additive Manufacturing השפעה רבה בתחומים שהם לא רק תכנות מכונות מתוחכמות או מטוסים זולים וחסכוניים יותר.
אם כל מה שצריך ליצר חלק היא מדפסת ואין צורך בעשרות טכנאי יצור מרוחקים שייצרו ערימה של חלקים וירכיבו אותם, אפשר לשים מדפסת באולם ייצור יחד עם המהנדסים ולחסוך בהוצאות הובלה וOUTSOURCING.
בעולם שבו קיימת טכנולוגיה המאפשרת להדפיס חלקים ע”פ המודל הדיגיטלי שלהם (תאום דיגיטלי), אפשר לקנות מספקי המשנה את המודל הדיגיטלי של החלק ולשלב אותו בתכנון הכולל. אין צורך יותר לתאם הספקה של חלקים או מערכות משנה, לבנות מומחיות בארגון הדרושה להרכבה ותחזוקה של מערכות המשנה במוצר, מספיק לרכוש פעם אחת את המודל הדיגיטלי ולשלב אותו במודל הכללי של המערכת, ולהדפיס.
אפשר לנסות להדפיס חומרים אורגניים כמו אוכל, אברי גוף. תכשיטנות היא תחום שההדפסה נכנסת לשימוש נרחב. אפשר לתכנן תכשיט בבית עם התאמה אישית ולשלוח להדפסה בסוכנות הדפסה.
Additive Manufacturing היא מהפכה אמתית שמשפיעה בהווה על תחומי יצור מסוימים משתלבת במהירות ומשנה סדרי עולם בתהליכי יצור. מגבלות המחיר והידע עדיין שם אבל לא היה שינוי משמעותי כזה בעולם היצור מאז תחילת המאה שעברה.
הכל מתחיל בתכנון הדיגיטלי בעזרת תוכנת התיב”ם המאפשרת עולם שלם של הדפסה תלת ממדית וGD.
