טכנולוגיות מעולם ההדפסה בתלת-ממד, שרק לפני מספר עשורים חשבנו שיככבו רק בסרטי מד״ב, מתממשות מדי יום ביומו והשוק מתבגר ומגיע להבשלה המיוחלת. 2024 מציעה חידושים משמעותיים ומרגשים, הנוגעים בשלל תחומים ותעשיות – כולל מוליכים למחצה, מוצרי צריכה, תעופה וחלל, הגנה ומכשור רפואי. מנכ”ל Stratasys, ד״ר יואב זייף ומנכ”ל SU-PAD, זיו שדה, מספקים תובנות על המגמות שחשוב במיוחד לשים עליהן את העין בתעשייה שהולכת ומתחממת
המגמה הגדולה ביותר שקל להבחין בה במבט על, במובן הבסיסי ביותר, היא שהרבה מההבטחות של תעשיית ההדפסה בתלת-ממד מתחילות להתגשם באופן חסר תקדים. החזון של חופש מאילוצי עיצוב, פחות ייצור פסולת שמזיקה לסביבה, יצירת אבי טיפוס מהירה יותר למוצרי הקצה (ובכך זמן מהיר יותר להגעה לשוק) וייצור מקומי (לפי דרישה) – הפכו כולם למציאות.
וזה ניכר בגידול של התעשייה. מחקר שוק רב היקף שערכה חברת AMPOWER מעריך כי שוק ה-AM – הייצור התוספי – יעבור עד שנת 2028 את רף ה-20 מיליארד אירו – קפיצה של כ-14 אחוז לעומת שנת 2023.
הצצה מהירה בגרף העולה ועולה ועולה של חברת המחקר Wohler, שבחנה את היקפי השוק הגלובלי של תעשיית התלת-ממד, מגלה אף הוא כי התחזיות אופטימיות והגידול עצמו יגיע בעיקר מפיתוח פתרונות חדשים שיספקו ערך רב משמעות ללקוחות מסוגים שונים – חלקם אף כאלה שמעולם לא חשבו שיעשו שימוש אינטנסיבי בתוצרי הדפסות תלת-ממד.
איור :1 הגידול בתעשייה יגיע בעיקר מפיתוח פתרונות חדשים שיספקו ערך רב משמעות ללקוחות מסוגים שונים קרדיט: Wohler
״בנימה אישית, ולא ׳מספרית׳ וכמי שמלווה את התחום בישראל מזה שנים, אני יכול להעיד שבהחלט רואים את הגידול הזה גם אצלנו, בשטח,” אומר זיו שדה, מנכ״ל חברת SU-PAD, אחד מאושיות התחום בישראל ומי שהחברה שלו מייצגת בישראל את ענקית ההדפסה בתלת-ממד חברת Stratasys.
״מהתבוננות בקרביים של התעשיות היצרניות ובתרחישי ייצור ספציפיים, הדפסה בתלת-ממד כיום כבר התעלתה על תהליכי ייצור קונבנציונליים בעלות, במהירות ובגמישות״, אומר שדה. ״עסקים רבים בעולם ובישראל מגלים כי בנסיבות הנכונות, בעוד שמדפסת תלת-ממד תעשייתית היא השקעה משמעותית בכסף, מהצד שני של המשוואה מוותרים על העלות של יציקות, תבניות הזרקה וכלים וחומרים אחרים שהייצור הקונבנציונלי כרוך בו. התוצאה: עלויות ייצור נמוכות יותר שמתורגמות לעלויות נמוכות יותר לצרכן, מה שעשוי להועיל לנתח השוק של החברות המשתמשות בטכנולוגיה. אם המוצר ניתן להתאמה אישית, ניתן גם להתאים את השירות ללקוחות קיימים ולחקור הזדמנויות שוק חדשות״.
חומרי הדפסה תלת-ממדיים ייחודיים
ככל שתעשיות מכירות יותר ויותר בהדפסה בתלת-ממד כטכנולוגיית ייצור רצינית עבור חלקים לשימוש קצה, הן דורשות חומרים מותאמים ומוסמכים ליישומים ספציפיים. חומרים מיוחדים אלו מציעים תכונות ייחודיות כגון חוזק משופר, גמישות, מוליכות או תאימות ביולוגית, ופותחים אפשרויות חדשות ליישומים בתעשיות שונות. לדוגמה, בתחום התעופה והחלל, פיתוח של חומרים קלים, אך עמידים, חולל מהפכה בייצור רכיבי מטוסים, והוביל ליעילות מוגברת בדלק ולהפחתת פליטות. עדויות נוספות למגמה זו ניתן לראות בפופולריות הגוברת של חומרים מעכבי בעירה וחומרים ברי קיימא. ישנה התמקדות גוברת באספקת אפשרויות חומרים מגוונות, במטרה גם להבטיח שהחומרים הללו עומדים בקריטריונים של ביצועים מתקדמים במגוון תעשיות.
“שיטות ייצור מסורתיות כמו CNC משתמשות לרוב בחומרים כגון פלדה, או אלומיניום. הדפסה בתלת-ממד מציעה את הגמישות לשימוש בפולימרים קלים ועמידים יותר״, אומר שדה. “בנוסף, פורטפוליו החומרים הרחב והזמין עבור טכנולוגיות הדפסת תלת-ממד מאפשר ייצור של חלקים עם דרישות משתנות – החל מחלקים אלסטומרים ועד לחלקים בעלי יחס חוזק משקל גבוה. בין היתר, טכנולוגיות הדפסה בתלת-ממד מציעות פתרון ייצור בר קיימא יותר על ידי הפחתת הצורך במשלוח ומזעור הפסולת. חומרים כמו אבקת פוליאמיד מבוססת חומרי ביו, ניתנת למחזור, מה שמפחית עוד יותר את ההשפעה הסביבתית.”
לחדשנות בחומרי ההדפסה יש חשיבות רבה באימוץ הטכנולוגיה של הדפסה בתלת-ממד. ״היסטורית, הוספת חומר חדש להדפסת תלת-ממד הייתה פעם תהליך איטי ובשל הגודל הקטן של שוק הדפסת המודלים, יצרני החומרים היו סקפטיים לגבי השקעה בחומרי הדפסה בתלת-ממד״, אומר ד״ר יואב זייף, מנכ״ל חברת Stratasys, מובילת שוק, שגם מפתחת, מחדשת ומייצרת חומרי הדפסה חדישים למגוון שימושי קצה. ״חלק מהפולימרים יצטרכו להיות קשיחים יותר, מחוזקים בסיבי פחמן, בעוד שאחרים חייבים להיות מסוגלים לעמוד בסביבות קיצוניות, כמו אלו שנמצאות בחללית. יש צורך בחומרים גמישים וביולוגיים ליישומים רפואיים ודנטליים. חברות ההדפסה מציעות כיום מאות חומרים (ל-Stratasys יש את היצע הפולימרים הגדול בתעשיה – מעל 120 חומרים) והן תומכות בלקוחות שלהן במחקר חומרים כדי למצוא את החומר הטוב ביותר לצרכים שלהם״.
הכסף מדבר
טכנולוגיית הדפסת תלת-ממד מאפשרת ייצור Just-in-Time – מודל ייצור שבו פריטים נוצרים כדי לענות על הביקוש במקום – ומראש. כך היא מאפשרת לחברות לייצר את המספר המדויק של החלקים שהם צריכות, ובכך לבטל את העלויות הכרוכות בכלי עבודה ולהפחית את הוצאות העבודה. היכולת להדפיס לפי דרישה לא רק מפחיתה את עלויות המלאי אלא גם ממזערת בזבוז, מה שהופך אותה לבחירה בת קיימא מבחינה פיננסית וסביבתית.
הדפסת תלת-ממד היא גם חסכונית במיוחד עבור הזמנות קטנות, ומציעה גישה חסכונית יותר בהשוואה לשיטות ייצור מסורתיות, שלעתים קרובות כרוכה בעלויות עבודה ומשלוח – וברמת העיצוב עצמו, טכנולוגיית הדפסת תלת-ממד מאפשרת ייצור של גיאומטריות מורכבות שלעיתים קרובות בלתי אפשרי או יקר מדי לייצור בשיטות מסורתיות. חופש עיצוב זה מוגבר עוד יותר על ידי יכולת הטכנולוגיה לאיטרציה ובדיקות מהירים.
יתרון טכני נוסף הוא הפחתת ה-BOM – כתב חומרי ייצור המפרט את כל החומרים והרכיבים הדרושים לייצור מוצר ספציפי. ייצור מסורתי דורש לרוב חלקים מרובים שיש להרכיב, מה שמגדיל גם את ה-BOM וגם את הזמן הנדרש להרכבה. טכנולוגיית הדפסת תלת-ממד מאפשרת קונסולידציה של חלקים, מה שמפשט את תהליך הייצור.
איור :2 טכנולוגיית הדפסת תלת-ממד מאפשרת ייצור של גיאומטריות מורכבות שלעיתים קרובות בלתי אפשרי או יקר מדי לייצור בשיטות מסורתיות. קרדיט: stratasys
אחת הדוגמאות המרתקות לחדשנות הזו ניכר בתפקיד של הדפסה בתלת-ממד בעולמות התחבורה – בחלל ועל הכבישים ומסלולי המירוצים – ששניהם דורשים חומרים קשיחים ועמידים במיוחד ועם זאת קלים ביותר. כך לדוגמה, רק באחרונה פורסם כי Stratasys, 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 Stratasys 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-ממד היא חלק חשוב מהמהלך. ״שיתוף הפעולה עם Stratasys 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)״.
ד״ר זייף, מזכיר גם שיתוף פעולה ותיק יותר, 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.
גם בעולם הרפואה והבריאות קורים דברים מרגשים. כך לדוגמה, Stratasys וחברת הביוטק קולפלנט הכריזו ב-2023 על הסכם לפיתוח ומסחור של מדפסת להדפסה בקנה מידה תעשייתי של שתלי שד רגנרטיביים, המשלבת בין הטכנולוגיות של שתי החברות. הטכנולוגיה החדשה מיועדת לתחום הרפואה הרגנרטיבית והרפואה האסתטית ושתלי השד הרגנרטיביים, נועדו להחליף את שתלי הסיליקון המקובלים, שהשימוש בהם כרוך בסיכונים בריאותיים. המדפסת מאפשרת לתכנן בצורה מדויקת את המבנה הפנימי והחיצוני הרצוי, השתל מושתל בשד האישה ולמעשה מעודד תהליך התחדשות וצמיחת תאים עצמית של הגוף, בהתאם למבנה של השתל. בסופו של התהליך השתל עצמו מתכלה והגדלת השד מתבססת כולה על רקמה שיצר הגוף.
ד״ר זייף חוזה שהחדשנות הזו רק תמשיך. “להערכתי, אפילו לא גירדנו את פני השטח בחדשנות הצפויה ובהתקדמות שנראה בשנים הקרובות בתעשיית ההדפסה בתלת-ממד, מכיוון ששיתוף הפעולה שלה עם האימוץ הגובר והולך של אוטומציה, יהפוך אותה לטכנולוגיה טרנספורמטיבית במפעלי העתיד.”
הצורך הגובר בקיימות
ואי אפשר לעסוק תחום ההדפסה בתלת-ממד בלי להזכיר את המילה ״קיימות״ שכבר הפכה לשם נרדף לתחום. העולם מתמקד בקיימות, ושוב אנחנו מחפשים להתרחק מהרעיון של “שטיפה ירוקה” (Greenwashing) לכיוון השפעה אמיתית. פחות פסולת, צריכת חומרים נמוכה יותר, צריכת אנרגיה נמוכה יותר, מיחזור סוף החיים, ניטרליות פחמן – המסלולים לתכנון קיימות בייצור הם רבים.
כדי לייצר באמת ״בר קיימא״, מוצרים חייבים להיות מתוכננים עם חשיבה על השפעה סביבתית מההתחלה. כאן מציעה הדפסת תלת-ממד אלטרנטיבה לשיטות ייצור מסורתיות. למעשה, מחקר של אוניברסיטת דלפט, צופה כי ההדפסה בתלת-ממד יכולה לצמצם את השימוש העולמי באנרגיה בכ-25% עד שנת 2050.
עם היכולת לייצר חלקים לפי דרישה ולמקם את הייצור היכן שרק רוצים, הדפסת תלת-ממד מפחיתה את הצורך בייצור המוני, אחסנה ומשלוח למרחקים ארוכים, וכתוצאה מכך יש הפחתה משמעותית בצריכת האנרגיה וההשפעה הסביבתית. יתר על כן, דגש זה על קיימות עולה בקנה אחד עם דרישת הלקוח המתפתחת על הזכות לתיקון, הנתמכת על ידי תקנות הזכות לתיקון של האיחוד האירופי. על ידי מתן היכולת לייצר חלקי חילוף לפי דרישה, הדפסת תלת-ממד מקלה על התיקון והארכת תוחלת החיים של מוצרים, ותורמת לכלכלה ברת קיימא ומעגלית יותר. בנוסף, השימוש בחומרים מתכלים וממוחזרים משפר עוד יותר את הקיימות של הדפסת תלת-ממד, ומניע מעבר לשיטות ייצור ידידותיות יותר לסביבה.
איור :3 פורטפוליו החומרים הרחב והזמין עבור טכנולוגיות הדפסת תלת-ממד מאפשר ייצור של חלקים עם דרישות משתנות – החל מחלקים אלסטומרים ועד לחלקים בעלי יחס חוזק משקל גבוה. קרדיט: stratasys
״חדשנות טכנולוגית בייצור מסמנת כיום פוטנציאל גדול באפשרויות צמצום טביעת הרגל הפחמנית״, אומר ד״ר זייף. ״ייצור מכונית חדשה על כל רכיביה יוצר לעיתים יותר זיהום מאשר הנהיגה במכונית, כפי שמציעים לא מעט מחקרים, שינוי שיטת הייצור יכול ליצור שיפור עצום בפני עצמו, לצד מיקסום הקילומטראז׳ שניתן להפיק מכל ליטר דלק״.
״עיבוד חומרים, כמו מתכת ופלסטיק, והפיכתם למוצרי קצה, הם תהליכים הדורשים לא מעט אנרגיה. הדפסת תלת-ממד מאפשרת ייצור של מבנים גיאומטריים מורכבים בפחות חומר שנדרש בייצור המסורתי וכמעט באפס פחת״ אומר ד״ר זייף. ״זאת ועוד, החלפה של חומר יקר, דוגמת מתכת, באביזר פולימרי עם תכונות משופרות ועמידות, מביא לא רק להוזלת החלק, אלא גם להפחתה משמעותית במשקלו. גם תהליך הייצור עצמו צורך פחות אנרגיה – ובצורה משמעותית. יצירה של תבנית מתכת למוצר כלשהו יכולה לצרוך עד פי 100 אנרגיה מאשר הדפסת התבנית מחומר פולימרי״.
ד״ר זייף מסביר בנוסף, כי היכולת להדפיס מוצרים על פי דרישה, בלי הצורך להחזיק מלאים במחסנים יקרים, מאפשרת להפטר מבתי חרושת ענקיים ולפתח מודל של ״מחסן וירטואלי״ של מוצרים שמיוצרים רק כאשר מישהו זקוק להם. ״הדפסת תלת-ממד מאפשרת לייצר מה שאתה צריך, היכן שאת צריכה ובכמות לה אתה זקוק. מרכזי ייצור מבוזרים, משמעותם, זמן קצר יותר לשוק ובוודאי גם פחות צורך בשינוע למרחקים ארוכים. וכן, העובדה שמדובר בחומרים קלים יחסית, על הדרך חוסכת גם לא מעט דלק בציי המכוניות והמטוסים שמשמשים בתהליכי השינוע ממקום למקום״.
איור :4 הדפסת תלת- ממד מפחיתה את הצורך בייצור המוני, אחסנה ומשלוח למרחקים ארוכים, וכתוצאה מכך יש הפחתה משמעותית בצריכת האנרגיה וההשפעה הסביבתית. קרדיט: stratasys
הפחתת שיבושים בשרשרת האספקה וסיכונים נלווים
מגמה בולטת נוספת לשנת 2024 היא השימוש האסטרטגי בהדפסת תלת-ממד כדי לצמצם שיבושים בשרשרת האספקה והסיכונים הפיננסיים בייצור. תעשיות מכל הסוגים מתמודדות עם שיבושים בשרשרת האספקה (ראו בעיות התובלה בעידן החות׳ים), מה שמוביל לסיכונים משמעותיים אפילו לשחקנים מבוססים. היכולת לייצר לפי דרישה ובצורה מבוזרת מאפשרת שרשראות אספקה זריזות ומגוונות יותר, ומפחיתה את הצורך במלאי גדול והוצאות נלוות. חברות המאמצות הדפסת תלת-ממד יכולות להפחית את הסיכון הפיננסי הקשור למלאי עודף, ולהתאים את הייצור שלהן יותר לביקוש בפועל. גמישות זו תורמת לגישה אדפטיבית וחסכונית יותר, במיוחד בסביבות כלכליות לא ברורות.
ההתקדמות במדעי החומר היא נדבך טכני נוסף התורם למהירות הייצור. מדפסות כמו Origin One, שנועדו להתגבר על אתגרי זמן ייצור חלקים, משתמשות בטכנולוגיית 3P כדי להשיג גימורים מרשימים (ומפתיעים ביותר) וזמני ההדפסה כבר מאפשרים לייצר סדרות משמעותיות יותר של חלקים עד כדי אלפי מוצרים.
איור :5 שימוש בהדפסת תלת-ממד בייצור חלק דלת הנעילה בספינת החלל ״אוריון״ (חללית המפותחת על ידי לוקהיד מרטין עבור NASA – סוכנות החלל האמריקאית). קרדיט: NASA
״אם הקורונה לימדה אותנו משהו״ אומר שדה, ״זה ששרשרת אספקה גלובלית יכולה להיות בלתי צפויה. ההשפעה של הקורונה עד לא מזמן והמלחמה החדשה על שרשראות האספקה הורגשה בכל תעשייה. ההדפסה בתלת-ממד משנה את התמונה. ההיבט המשבש ביותר של הטכנולוגיה הזו טמון בהמרה של מסמך דיגיטלי למוצר פיזי. בהדפסה בתלת-ממד הופכת ערימות הקופסאות שתופסות שטח פיזי לקבצים דיגיטליים שניתן לאחסן בענן ובקלות נגיש בעת הצורך. בנוסף למלאי דיגיטלי הזה, היכולת להפיץ ייצור משנה גם את האופן שבו חברות משלבות את תהליך ההדפסה התלת-ממדית באסטרטגיות המוצר שלהן. במקום לשקול אך ורק פתרון ריכוזי הרי שייצור מבוזר מאפשר לחברות לפצל את הייצור כדי שיוכלו לייצר את המוצר הסופי קרוב יותר ללקוח. ניתן להפיץ את הייצור לכל מקום שיש בו מערכות ייצור דיגיטליות. אם אירוע עולמי נוסף כמו הקורונה יגרום לתקלה בשרשרת האספקה, הדפסה בתלת-ממד תוכל להגיב בצורה טובה, מה שיאפשר לחברות להתקדם בצורה חלקה יותר מאשר בהסתמכות קפדנית על ייצור מסורתי״.
“אנשי מפעל ICL רותם, לדוגמה, בעידן הקורונה, מצאו את עצמם עם בעיה של חלקי חילוף בגלל תקלות בשרשרת האספקה,” מסביר שדה. “תוך שימוש במדפסות מתקדמות וחומרים פולימריים תעשייתים, הם הבינו שהם יכולים לייצר חלקים ספציפיים שהם צריכים – ובקלות. חומר גלם עמיד בשחיקה כימית בשם PEKK שמותאם להדפסה בתלת-ממד החליף חלקים סטנדרטים בהם נהגו להשתמש כשהתוצאות מפגינות עלות נמוכה יותר בעשרות אחוזים.”
איור :6 העובדה שמדובר בחומרים קלים יחסית, על הדרך חוסכת גם לא מעט דלק בציי המכוניות והמטוסים שמשמשים בתהליכי השינוע ממקום למקום. קרדיט: stratasys
בינה מלאכותית?
ומה באשר לשילוב מילת הקסם החדשה – AI – בעולם ההדפסה בתלת-ממד? אינטגרציה של בינה מלאכותית ואוטומציה הולכים יד ביד, אומר שדה. ״השילוב של טכנולוגיות בינה מלאכותית ואוטומציה אמורה לחולל מהפכה בתהליך ההדפסה התלת-ממדית, ולמטב את היעילות והדיוק. אלגוריתמי בינה מלאכותית ישחקו תפקיד גדול יותר באופטימיזציה של כל תהליך ההדפסה התלת-ממדית, מבחירת חלקים ועד להמשגה של עיצוב, ייצור ועיבוד לאחר. התקדמות זו מבטיחה דיוק ויעילות רבה יותר כאשר מכונות לומדות ומתאימות לדרישות המתפתחות.
יתר על כן, הטמעת אסטרטגיות תחזוקה חזויות בשילוב עם הדפסת תלת-ממד לפי דרישה יצמצם את זמן ההשבתה וישפר את היענות הייצור. מדפסות תלת-ממד מחוברות יוכלו לייצר חלקי חילוף באופן יזום לפי הצורך, ולתרום לאקוסיסטם ייצור יעיל יותר ומגיב יותר״.
ד״ר יואב זייף, מנכ״ל חברת Stratasys. קרדיט: Stratasys
זיו שדה, מנכ״ל חברת SU-PAD. קרדיט: SU-PAD
