משיקולי צמצום פליטות פחמן דו חמצני, הפחתת משקל כלי טיסה וקיצוץ בעלויות, יותר ויותר חברות בתעשיית החלל והתעופה פונות להדפסה בתלת מימד. וכמו תמיד: יש גם זווית ישראלית חזקה בתמונה
כשחושבים על חקר החלל או אפילו על טיסות טרנס-אטלנטיות, הדפסת תלת מימד אינה הדבר הראשון שעולה לראש. אבל, הדפסת תלת מימד, אליה מתייחסים רבים גם כ״ייצור תוספי״ (additive manufacturing) היא בהחלט ׳מנוע׳ שדוחף את תחום התעופה גבוה ורחוק ככל שניתן. ונכון, השימוש בהדפסה בתלת מימד בתעשיית החלל והתעופה היה, עד לא מזמן, עניין קצת פחות מדובר, למרות הנכונות לאמץ את הטכנולוגיה עצמה, שהתחילהבשנות ה-80. כיום מתחברים לטכנולוגיה מותגי על ׳טרנדיים׳ דוגמת SpaceX, Blue Origin ו-Relativity, שלא לדבר על NASA האייקונית, שעושים שימוש שבשגרה בטכנולוגיה ובחומרים מרוכבים חדשים כדי לסייע בייצור רכבי חלל, מעבדות חלל, מטוסים על קוליים ורכבי נחיתה, כשהם מסמנים את תחילתו של עידן חדש בתעשייה.
בשנת 2006 הוכנסה למסלול בחלל החיצון משימת לוויין בשם ׳מערכת התצפית על כוכבים למטאורולוגיה יונוספירה ואקלים״ (או, בקצרה COSMIC 1). המטרת הייתה לאסוף נתוני טמפרטורה, לחות ולחץ ברחבי העולם, כולל באזורים שקשה לדגום, כמו מעל אוקיינוסים ואזורי קוטב. פרויקט ההמשך יועד לשיגור שישה לוויינים למסלול, כשאחד המרכיבים הקריטיים היה אנטנות מותאמות אישית. עיצוב סטנדרטי לתמיכה במערך אנטנות מעובד באופן מסורתי עשוי בדרך כלל ממאסטרוקוורץ, חומר מרוכב מתקדם המאושר לחלל החיצון. הצוות ידע שבניית מערכי אנטנות מחומר זה תגזול זמן וכסף בגלל עלויות תהליך הייצור הכוללות, חוסר יכולת התאמה והצורך ליצור גיאומטריות מורכבות שיהיו קשות לעיבוד ודורשות ייצור, הרכבה ופעולות משניות מרובות, מה שיכול לגרום בדרך כלל לעיכובים.
טכנולוגיית הייצור שנבחרה לבניית החלקים המדויקים וקלי המשקל, תוך שמירה על דרישות החוזק והעומס לתנאי ההשקה הייתה הדפסת תלת מימד בטכנולוגית FDM. השימוש בה איפשר ייצור מהיר של מספר אבות טיפוס לבדיקות פונקציונליות ואת דגמי הטיסה לשילוב חלליות סופי – והכל בעלות נמוכה. למרות שחומר ההדפסה ULTEM FDM נבדק עבור רכיבים בטיסה, מעולם לא נעשה בו שימוש בחלקו החיצוני של מטוס, שלא לדבר על שימוש בחלל. לכן, בנוסף לבדיקות פונקציונליות סטנדרטיות, החלקים היו צריכים לעבור בדיקות נוספות על מנת לעמוד בדרישות. בסוף המסלול הדפיסו מדפסות התלת מימד של סטרטסיס 30 מבני מערך אנטנות. “לא רק שחסכנו זמן וכסף על ידי ייצור מערכי האנטנות האלה גם ביצענו אימות לטכנולוגיה ולחומר עבור שימוש בחלקים חיצוניים של חלליות, וסללנו את הדרך לפרויקטי טיסה עתידיים” אמר ג’ואל סמית’, מ- Stratasys Direct, שביצעה בפועל את ההדפסה. “זוהי דוגמה מצוינת לארגון חדשני, שדחף את הדפסת התלת מימד לשלב הבא ושינה את האופן שבו דברים מעוצבים ומיוצרים”.
חלקי פנים למטוסים
סביב 2014, חברות דוגמת איירבוס ו-United Air Alliance, עשו שימוש בטכנולוגיית הדפסה תלת מימדית כדי לייצר חלקים עבור חלקי פנים במטוסי נוסעים. היישום הזה של הדפסת תלת מימד היה חשאי למשך זמן מה, אבל עד שהידיעה ה׳מרעישה׳ שוחררה לפרסום, לוקהיד מרטין השיגה את הפער ומינפה הדפסת תלת מימד לייצור אלפי חלקים ברי שימוש מבצעי בקו הייצור של מטוס ה- Joint Strike Fighter שלה. נראה שהסודיות הזו עשתה לענף שירות עצום מבחינת האצת אימוץ הטכנולוגיה. עם הכניסה ל-2015-2017, יותר אנשים הפכו למודעים לכך, שמדובר בטכנולוגיה שבה ניתן לייצר חלקים עמידים במיוחד בפני התנאים השוררים בגובה רב ובחלל החיצון במיוחד.
תמונה 1 :תיב״ם ב-FDM לתכנון לוויין
קרדיט: סטרטסיס
תמונה 2 :Fortus900mc
קרדיט: סטרטסיס
אין ספק. הטכנולוגיה הבשילה. תעשיית התעופה והחלל, שבה פועלים שחקנים מסחריים, צבאיים ותעשייתיים, כבר עושה אינספור שימושים בטכנולוגיית ההדפסה בתלת מימד, הן לייצור אבות טיפוס, אבל גם, ובהחלט, חלקים לשימושי קצה, כשהן מייצרות אותם במהירות תוך חסכון זמן וכסף, ועל הדרך חוסכות שטחי אחסון יקרים ומפחיתות את בזבוז חומרי הגלם שנובע משימוש בייצור המסורתי. המהלכים הללו מקדמים משמעותית פיתוח מדפסות תעשייתיות ייעודיות ודוחף לחזית שימוש בחומרים חדשים שפותחו במיוחד עבור התחום.
כך לדוגמה, רק באחרונה פורסם כי סטרטסיס הישראלית, מובילת עולמית בהדפסת תלת מימד מבוססת פולימרים, איחדה כוחות עם לוקהיד מרטין, כדי לאשר ולהסמיך את השימוש בחומר הדפסה חדש – ה- Antero 840CN03 לשימוש בתעשיית החלל והתעופה. ה- Antero פותח ומיוצר על ידי סטרטסיס עבור מדפסות ה- FDM של החברה, עם תכונות וביצועים המייעדים אותו לשימוש בחלל. הוא בנוי מתרכובת של מספר חומרים, העמידה בפני נזקים של חשמל סטטי, כמו גם בפני אש, עשן ורעלנים, תכונה הנדרשת ביישומי תעופה שונים. כריס רוברטסון, מנהל משותף של חטיבת הייצור המתקדם בלוקהיד מרטין, ציין בהודעה לעיתונות, כי החברה מחפשת תמיד דרכים לקידום חדשנות של חומרים המאושרים לשימוש בחלל והדפסה בתלת מימד היא חלק חשוב מהמהלך. ״שיתוף הפעולה עם סטרטסיס לאישור החומר החדש יאפשר שימוש בו כחומר גלם להפקת חלקים סופיים ולהרחבת השימוש בו אף מעבר לשימושים שנעשים בו כיום אצלנו בספינת החלל ״אוריון״ (חללית המפותחת על ידי לוקהיד מרטין עבור NASA – סוכנות החלל האמריקאית)״.
זו אינה הפעם הראשונה שהחברה הישראלית עבדה ישירות עם התעשייה. ד״ר יואב זייף, מנכ״ל סטרטסיס, מזכיר שיתוף פעולה משנת 2018 כאשר Senior Aerospace BWT, שהשתמשה בטכנולוגית ה- FDM, סיפקה חלקים ראשונים מודפסים עבור תעלות אספקת אוויר במטוסי נוסעים. מאז, סיפקה החברה ללקוחותיה מאות חלקי מטוסים פנימיים, קלים ומוכנים לטיסה, באמצעות טכנולוגיה זו.
במקרים רבים, כמויות הזמנה מינימליות עבור חלקי אלומיניום ׳מהמדף׳ הופכות את הייצור המסורתי לבלתי כדאי. עם הדפסה בתלת מימד, BWT משתמשת בשטח הבנייה המלא של מדפסת ה- Fortus 450mc כדי להדפיס את הכמות הדרושה תוך מיזעור המלאי, אפילו ב זמן קצר. ייצור זה, לדברי החברה, הוביל לחיסכון של עד 75% בעלות בעת תכנון וייצור חלקים במדפסות שלהם.
תמונה 3 :דלת פתח המילוט בחללית אוריון שהודפסה בתלת מימד קרדיט: סטרטסיס
הפנים למאדים
מאדים, כוכב הלכת האדום המסתורי, מושך תשומת לב רבה מתעשיית החלל והטיסה הבלתי מאוישת למאדים היא כבר מזמן מטרה ארוכת טווח של כמה סוכנויות חלל מובילות, דוגמת NASA ומעבורת החלל שלה “אוריון”, סוכנות החלל האירופית (ESA) עם התוכנית “אורורה” וסוכנות החלל הרוסית “רוסקוסמוס”, כשבאחרונה גם הודו וסין הצטרפו לקבוצה המכובדת הזו.
ובינתיים, הדפסה בתלת מימד כבר הפכה לחלק מחקר הכוכב האדום. NASA השתמשה בה להדפסת עשרות חלקים עמידים במיוחד עבור ה-Mars Rover ובמרכז החלל הגרמני ((DLR חקר מאדים הוא נושא חם. באמצעות מדפסת תלת מימד של סטרטסיס – ה- Fortus 900mc Production, מדפיס צוות המחקר חלקים גדולים בתלת מימד בחומרים תרמופלסטיים לטובת ייצור אבות טיפוס של ה- TransRoPorter – רובוט חקר לטיסות בלתי מאוישות למאדים. לדברי ד”ר קאי פירר, טכנולוגיית ההדפסה התלת מימדית היא אידיאלית למטרות של המרכז. “עבורנו היה ברור שייצור אב טיפוס עשוי מתכת הוא מהלך יקר ומורכב מדי. לכן, החלטנו להדפיס בתלת מימד את אב הטיפוס של ה- TransRoPorter, מהלך שסיפק פתרון פחות יקר, מהיר ואלגנטי יותר. כל המעורבים בפרויקט מרוצים מהתוצאה.” נראה שכשעלות משלוח לחלל של חצי ק״ג עומדת על כעשרת אלפים דולר, לא מפתיע שנושא החסכון במשקל הופך לכה קריטי.
כיום, ולא משנה לאן מביטים, די ברור, שאימוץ הדפסת תלת מימד בענפי התעופה והחלל הוא לא רק עובדה קיימת, אלא גם שקצב הצמיחה שלו מהיר להפליא.
תמונה 4 :מבצעי החלל של NASA משלבים הדפסת תלת מימד מהרגע הראשון
(באדיבות NASA)
התמודדות עם אתגרים
שוק הדפסת התלת מימד בתעופה צפוי לצמוח מעבר ל-3 מיליארד דולר עד שנת 2022, בעיקר בשל הביקוש הגובר לחלקים קלים מודפסים בתלת מימד למנועי מטוסים, כשבין הסיבות ניתן לציין את אפשרויות האספקה המהירות יותר של חלקים מוגמרים, היכולת ל׳ריצות קצרות׳ – ייצור כמויות ייצור נמוכות יחסית ויכולות עיצוב מורכב ביותר עבור הדפסה בתלת מימד (DfAM). האחרון חיוני במיוחד לייצור חלקים קלים יותר תוך שמירה על חוזקם, התמודדות עם אתגרים כמו הפחתת צריכת הדלק של מטוס על ידי הפחתת משקלו הכולל, ובכך קיצוץ בעלויות תפעול והורדת פליטת פחמן דו חמצני – שתי בעיות מרכזיות שעומדות בפני חברות התעופה והחלל. וכמובן שיש גם גורמים חיצוניים, כמו הרצון לאופטימיזציה של שרשרת האספקה עקב ייצור מבוזר של חלקים במקום בו הם נדרשים (בניגוד לייצור מרכזי ושילוחם מסביב שרלבנטיים מתמיד, במיוחד בעידן הקורונה, או אפילו הפוסט-קורונה.
“שחקניות המפתח הפועלות בזירת התעופה והחלל מודעות מזה שנים ליתרונות הגלומים בטכנולוגיה. השנתיים האחרונות, עם הבעיות העולמיות של שרשראות האספקה, עיכובי תובלה, מחסור בידיים עובדות ופתיחות גדולה יותר לאימוץ חדשנות ואוטומציה היוו מאיץ של ממש לתופעה,” אומר ד”ר זייף. דוגמאות בשטח לא חסרות: Airbus מדפיסה מעל 1000 חלקי קצה עבור מטוס ה- A350 XWB ושיתוף הפעולה שלה עם סטרטסיס מאפשר לה – תוך שימוש עם חומרים דוגמת ה- ULTEM 9085 – להתמודד בהצלחה עם שלל גורמי הסיכון שיכולים לתקוף מטוסים וחלליות.
תמונה 5 :רכב הנחיתה ״רובר״ – חלקים מודפסים כבר בפנים
(באדיבות NASA)
גם SpaceX, שמככבת כיום בכותרות עם הצטרפותו של האסטרונאוט הישראלי השני בחלל לטיסה המסחרית שלה, עושה שימוש בהדפסות תלת מימד מזה שנים, בין אם מדובר בחללית Crew Dragonשיצאה למסע לכיוון תחנת החלל הבינלאומית ב-2020, או בשילוב חלקים מודפסים במדפסות EOS במנועי ה-SuperDraco, מהלכים שחוסכים לחברה כסף רב ומפחיתים בזבוז חומרי גלם.
השפעה על שרשראות האספקה
לדברי ד״ר זייף, הדפסת תלת מימד החלה לחלחל לתודעתם של יצרנים ומנהלי שרשראות אספקה, לאחר שכבר הייתה גורם מטלטל בלא מעט תעשיות, נתון שמביא למסקנה ברורה: יצרנים יבצעו שינויים מהותיים בתהליכי הייצור שלהם ויעברו לשיטות יצור מקומיות ויעילות יותר, בעתיד הקרוב.
האנליסטים תמימי דעים: הדפסה בתלת מימד אולי לא תחליף לחלוטין את הייצור המסורתי של פריטים סטנדרטיים בעתיד הקרוב, אבל יש לה פוטנציאל לשנות מיסודם את תהליכי היצור בתעשיות המתמחות בייצור של מוצרים מורכבים ומותאמים במיוחד ולהתאימם לצרכים של היום ולצרכים עתידיים. במגזרים אלו, דוגמת תעשיוות התעופה והחלל, יחולו שינויים בדפוסי שינוע הסחורות, הן מבחינת נפח והן מבחינת תזרים. יחד עם הצורך המוגבר בהתאמה אישית המונית והדפסה לפי דרישה ורמות המלאי צפויות לרדת, ככל שחברות יעברו למודל ‘בנייה לפי הזמנה’.
״אימוץ הדפסת תלת מימד מסייע לדיגיטציה יעילה של פעולות הייצור, על ידי לוקליזציה של הייצור והחלפת מלאי מאוחסן פיזית בקבצי תוכנה. ניתן גם לחזור על עיצובים לפי דרישה. זה יכול לתת לעסק יותר שליטה וזריזות – וליצור פחות בזבוז וסיכונים – לאורך מחזור החיים של מוצר. ניתן להדפיס חלקים קריטיים באתר, במפעל, ב״שטח״, וניתן לשלוח בצורה מאובטחת קבצים דיגיטליים של אינספור חלקים להדפסה לכל מיקום שרק צריך. לפיכך, טביעות הרגל של המחסן והדרישות הלוגיסטיות מופחתות באופן משמעותי״, אומר ד״ר זייף. מעבר לכך, הוא אומר, התעשייה בכללה מתחילה לזהות את הפוטנציאל של הדפסה בתלת מימד להשגת יעדי קיימות סביבתיים, שעסקים רבים רואים בהם כיום כנושא בעל קדימות עליונה.
״יש הבנה הולכת וגוברת של הפוטנציאל של הדפסה בתלת מימד להשגת יעדים סביבתיים על ידי הפחתת צריכת אנרגיה ובזבוז. לדוגמה, בהשוואה לעיבוד שבבי (CNC), שבמהלכו חומרים נחתכים ומושלכים, הדפסה בתלת מימד יכולה להוזיל את עלויות החומרים ולהפחית את הבזבוז בכמעט 90%, תוך הפחתת צריכת האנרגיה ב-25%-50%. בנוסף, מכיוון שניתן לייצר חלקים קרוב יותר למקום שבו הם נחוצים, דרישות התחבורה גם הן מופחתות, חוסכות דלק ומקטינות את טביעות הרגל הפחמניות.
ד”ר יואב זייף מנכ”ל סטרטסיס. קרדיט: סטרטסיס
יתרה מכך, בתעשיות כמו תעופה וחלל אני רואה עניין הולך וגובר בחלקי פולימרים קלים, מעוצבים כדי לשפר את צריכת הדלק מבלי להתפשר על עמידות ואמינות. כל ירידה של קילוגרם ממטוס חוסכת 14,000 ליטר דלק בשנה. ייצור מכונית חדשה על כל רכיביה יוצר לעיתים יותר זיהום מאשר הנהיגה במכונית, כפי שמדגימים לא מעט מחקרים. שינוי שיטת הייצור יכול ליצור שיפור עצום בפני עצמו, לצד מיקסום הקילומטראז׳ שניתן להפיק מכל ליטר דלק. כשמדובר על דלק לחללית – זה נתון קריטי״.
״אני מאמין שהייצור העולמי נמצא בצומת דרכים. תחת לחץ גובר לפתור אתגרי שרשרת האספקה וצרכי יעילות אנרגטית, הדפסת תלת מימד נלמדת יותר ויותר כפיתרון לעמידה ביעדי העסקים. במהלך 2022 ואל תוך העשור הקרוב, אני מאמין, שנראה צמיחה מונומנטלית בשימוש בהדפסה בתלת מימד כדי לשפר את שרשראות האספקה, להביא חידושים לשוק מהר יותר ולהפחית את ההשפעות הסביבתיות השליליות הכרוכות לעיתים, ביצור.
“להערכתי, אפילו לא גירדנו את פני השטח בחדשנות הצפויה ובהתקדמות שנראה בשנים הקרובות בתעשיית ההדפסה בתלת מימד, מכיוון ששיתוף הפעולה שלה עם האימוץ הגובר והולך של אוטומציה, ישמש ככל הנראה כטכנולוגיה טרנספורמטיבית במפעלי העתיד״, מסכם ד”ר זייף.
תמונת כותרת: חללית האוריון- חלקים בהדפסה. קרדיט: סטרטסיס
