חיבור מנצח

שתי השקות משמעותיות לעתיד התעשיות היצרניות, אחת בתחומי התוכנה ואחת בתחומי החומרה, קרו במקביל באחרונה ושתיהן כאחד מבססות את טכנולוגיית הייצור התוספי ככלי עבודה מרכזי וישיר על רצפת הייצור. כדי להבין את ההשלכות יצאה מערכת המגזין לשיחה צפופה עם גורו התעשייה, זיו שדה, מנכ״ל SU-PAD, לשמוע כיצד מאיצים את הייצור ומוזילים עלויות מול הדרישות המשתנות של שרשראות האספקה

תעשיית הייצור המודרנית, בין אם בישראל ובין אם בעולם המערבי, מתמודדת מזה שנים עם כשל מבני מתמשך: מרבית העובדים שמכירים מקרוב את צרכי רצפת הייצור ומזהים את הבעיות בזמן אמת אינם אלה שאוחזים ביכולות התכנון כדי לפתור אותן. לאורך עשורים, רצפת הייצור התאפיינה בהפרדה חדה בין מחלקות ההנדסה לבין קווי הייצור. מהנדסי תכנון ישבו מול מסכים והפעילו תוכנות שרטוט ותיב״ם (CAD) מורכבות, בעוד מפעילי המכונות המתינו ימים ארוכים ואף שבועות לייצור חלקים ההכרחיים לעבודתם השוטפת, דוגמת מדידים ומקבעים (Fixtures), שיוצרו ברובם המוחלט בעיבוד שבבי מסורתי. התהליך המסורבל הזה יצר תלות כרונית. כל בקשה לשינוי קטן, כל צורך בהתאמת מדיד או בתיקון מקבע, הצריכו פתיחת קריאת שירות, שרטוט מחדש, אישורים הנדסיים והמתנה נוספת לזמני מכונה יקרים.

כעת, אומר זיו שדה, מנכ"ל חברת SU–PAD, מוותיקי התעשייה ומומחה בתחום הייצור התוספי, שילוב חדש בין חומרת ייצור מתקדמת לפתרונות תוכנה חכמים, מפרק את המבנה המסורתי, ומעביר את העצמאות הייצורית לידי מפעילי הקצה, תוך שהוא משחרר את רצפת הייצור מהתלות במשאבי הנדסה, שמעיקרם מוגבלים ויקרים.

SU-PAD, המייצגת בישראל כמה מהשמות הגדולים והחדשניים ביותר בתחום, ובראשם ענקית התלת-ממד סטרטאסיס (Stratasys), השיקה בהשקת בכורה עולמית את מדפסת התלת-ממד F870 וזאת במקביל לשילוב רכיב התוכנה fixturemate של חברת trinckle בתוך סביבת העבודה של מערכת GrabCAD Print Pro. ״המיקוד כאן״ אומר שדה, ״אינו מספק עוד פתרון להדפסת אבות טיפוס בלבד, אלא מבסס את טכנולוגיית הייצור התוספי ככלי עבודה מרכזי וישיר על רצפת הייצור התעשייתית״.

חוזק, קשיחות ועמידות

מדפסת ה-F870 מוגדרת כמערכת ייצור בפורמט גדול, המיועדת לסביבות תובעניות, דוגמת תעשיית הרכב, תעשיית התעופה והתעשיות הביטחוניות. היא תוכננה לתת מענה ליצרנים המבקשים להכניס את הייצור התוספי לקווי הייצור שלהם בקנה מידה רחב, תוך עמידה בדרישות מחמירות של אמינות ועמידה בעומסים.

בחינה של הנתונים חושפת מכונה שמיועדת לעבודה תעשייתית רציפה. ה-F870 מציעה נפח הדפסה של 1000 על 610 על 610 מילימטרים, הממוקם בתוך תא הדפסה מחומם במלואו. התא שומר על טמפרטורה אחידה של 95 מעלות צלזיוס לאורך כל תהליך הבנייה. השמירה על חום קבוע ואחיד קריטית במיוחד בעת שימוש בחומרים הנדסיים מתקדמים דוגמת Nylon 12CF, פולימר המחוזק בסיבי פחמן. חומר זה מספק את החוזק, הקשיחות והעמידות הנדרשים ליצירת מתקני עזר ומקבעים כבדים, אך הוא נוטה להתעוות ולהתכווץ בתנאי טמפרטורה שאינם מבוקרים בקפידה.

היכולת של המכונה לשלוט בסביבת ההדפסה לאורך משטח ארוך מונעת את עיוות החלקים ומבטיחה דיוק ממדי. בנוסף לחומר המרוכב, המערכת תומכת בשימוש בחומרים סטנדרטיים יותר המוכרים בתעשייה, דוגמת ASA העמיד לפגעי מזג אוויר, ABS-M30 המשמש לפלסטיקה כללית, וחומר חדש בשם FDM ABS Draft בצבע אפור המיועד לייצור מהיר וחסכוני. המכונה, שמשקלה עומד על 817 קילוגרם, כוללת יכולת הזנת חומרים המבוססת על ארבעה סלילים ענקיים בנפח של 4,100 סמ"ק כל אחד. מנגנון החלפת החומרים פועל באופן אוטומטי במקרה של התרוקנות סליל, והוא זהה למנגנון הקיים במכונת ה-F3300 הגדולה יותר של החברה, נתון המאפשר ליצרנים המחזיקים בשתי המערכות לצמצם ולפשט את ניהול המלאי שלהם.

ההיבט המכני של ה-F870 כולל שלושה ראשי הדפסה מתחלפים, המאפשרים למפעילים לבחור את תצורת העבודה המתאימה ביותר בהתאם לדרישות המשימה. ראש אחד מכויל לעבודה ברזולוציה גבוהה ומיועד לייצור כלי עבודה מדויקים ומדידי ביקורת קפדניים. ראש שני מיועד ספציפית לעבודה עם חומרים מרוכבים הכוללים סיבי פחמן, וראש שלישי תוכנן להדפסה מהירה במיוחד של מקבעים בקצב תפוקה גבוה. (מילה על מקבעים ותפקידם: מקבע, המכונה לעיתים גם "ג'יג", הוא מתקן הנדסי שתפקידו לאחוז, למקם ולייצב במדויק רכיבים במהלך תהליכי ייצור או הרכבה, והוא קריטי להבטחת חזרתיות מוחלטת, מניעת סטיות ממדיות וייעול קצב העבודה ברצפת הייצור).

פעולה רציפה ללא השגחה

על פי נתוני סטרטסיס, השימוש בראש המהיר מכפיל את מהירות ההדפסה בעבודה עם חומר מסוג ASA בהשוואה להדפסת FDM סטנדרטית. המערכת כולה תוכננה לפעולה אוטונומית כמעט לחלוטין. מערכת ייבוש רגנרטיבית שומרת על מצב אופטימלי של חומרי הגלם לאורך כל ריצת הייצור, והמדפסת מדורגת לפעולה רציפה ללא צורך בהשגחה אנושית לתקופה של עד שבועיים מלאים. תכונה זו מיועדת ספציפית לקווי ייצור הפועלים סביב השעון ושאינם יכולים להרשות לעצמם עצירות ממושכות, או צורך להקצות כוח אדם להשגחה רציפה על עבודות ההדפסה.

כדוגמה מוצלחת לשימוש אפשרי במדפסת החדשה, מביא שדה את הקורה בתעשיית הרכב, מי שמהווה סמן ימני לאימוץ טכנולוגיות חדשות. ההטמעה שם של ה-F870 מוכיחה את בשלות המערכת, הוא אומר.

מחלקת הנדסת הייצור של טויוטה בקנטקי וחברת הרכבים החשמליים ריביאן במישיגן כבר בחנו את המערכת בסביבות ייצור אמיתיות עוד בטרם שחרורה המסחרי המלא. הן מפעילות את המדפסות ליצירת כלי עזר להרכבה, מדידי ביקורת ומקבעים גדולים, כלים שעד כה דרשו זמני ייצור ארוכים מאוד בעזרת עיבוד שבבי חיצוני. דאלאס מרטין, מהנדס ייצור תוספי בטויוטה צפון אמריקה, התייחס ליכולות המערכת והסביר כי החברה מזהה היטב את הערך של הדפסה בתלת-ממד, וכעת האתגר מבחינתם הוא להרחיב את השימוש למגוון רחב יותר של יישומים. לדבריו, השילוב שמציעה ה-F870 בין גודל ההדפסה, ביצועי החומרים והמאפיינים התעשייתיים, מתאים בדיוק לצרכי הייצור המודרניים של טויוטה. ריץ' גאריטי, מנהל היחידה העסקית בסטרטסיס, הדגיש כי המערכת החדשה פותחה כתגובה ישירה לדרישת יצרנים המבקשים להאיץ את הייצור ולהוזיל עלויות אל מול דרישות משתנות של שרשראות האספקה. הוא מתאר את המערכת ככזו ״שנבנתה ספציפית לסביבות ייצור אמיתיות, תוך הבנה עמוקה של הדרישה לכלים בגדלים תעשייתיים במחיר תחרותי״.

החוליה החסרה

״חומרה מתקדמת ככל שתהיה, נותרת חסרת ערך ללא תשתית תוכנה המאפשרת ניצול יעיל שלה״, אומר שדה. ״השילוב של תוכנת fixturemate מבית trinckle הגרמנית בתוך פלטפורמת GrabCAD Print Pro מספק את החוליה החסרה המאפשרת לארגון למצות את יכולות המדפסת״.

ה- GrabCAD Print Pro מהווה מאז השקתה את את עמוד השדרה הדיגיטלי המאפשר את המעבר של מדפסות תלת-ממד ממעמד של ׳כלי ליצירת אבות טיפוס בלבד׳ ל׳מערכות ייצור תעשייתיות׳ מן המניין, וזוהי למעשה החשיבות המכרעת שלה ברצפת הייצור המודרנית. ״הפלטפורמה של סטרטסיס מאגדת תחת קורת גג אחת מגוון כלים אוטומטיים וחכמים, כדוגמת מנועי תכנון ואריזה, כלי תיקון עיוותים גיאומטריים ומערכות ליצירת תבניות ייצור, אשר מצמצמים באופן ניכר את הצורך במומחיות הנדסית מורכבת ומפשטים את תהליך ההכנה להדפסה. חשיבותה של המערכת נובעת מהיכולת לקחת חומרה מתקדמת ולהנגיש אותה בצורה מאובטחת ועקבית למפעילי הקצה, תוך ייעול דרמטי של צריכת החומרים, ניהול משימות מרובות במקביל והבטחת האיכות והדיוק הממדי הנדרשים מחלקים סופיים. יכולות אלו חוסכות לארגון משאבים ניכרים, מצמצמות משמעותית טעויות אנוש והופכות את פסי הייצור של תעשיות הקצה לגמישים, מדויקים ואוטונומיים לחלוטין״.

לדברי שדה, המציאות בשטח מעידה על קושי תפעולי ברור, כאשר 80 אחוזים מהיצרנים מדווחים על מחסור בעובדים בעלי מיומנויות גבוהות. תכנון מסורתי של מקבע דורש מהנדס ייצור השולט בתוכנת תיב״ם, ומחייב רכישת רישיונות תוכנה יקרים והכשרות ארוכות. תוכנת fixturemate משנה את המודל הזה לחלוטין על ידי הנגשת תהליך התכנון למפעילי רצפת הייצור ולטכנאים, ללא כל צורך בידע מוקדם או בהכשרה הנדסית. המערכת מבוססת על ממשק משתמש אינטואיטיבי (Wizard) המנחה את המפעיל צעד אחר צעד בתהליך התכנון. הפעולה המרכזית דורשת מהמשתמש להזין את הפרמטרים של החלק שעבורו הוא זקוק למקבע, והתוכנה מייצרת את הגיאומטריה המתאימה באופן אוטומטי. התהליך כולל יצירה אוטומטית של חלל נגדי באמצעות החסרת הגיאומטריה המורכבת של החלק, שליטה חכמה במרווחים המבטיחה התאמה בטוחה ללא חיכוך מיותר, ואופטימיזציה של מבני התמיכה החיוניים להצלחת ההדפסה.

שינוי ממשי בלוחות הזמנים

ההשפעה התפעולית של גישה זו ניכרת מיד בזמני התגובה. תהליכי תכנון של כלי עזר מסורתיים גוזלים לרוב ימים ארוכים וכוללים שלבי תכנון, אישור וייצור. המערכת החדשה מקצרת את התהליך לפרק זמן של כ-20 דקות מרגע הגיית הרעיון ועד לקבלת קובץ מוכן להדפסה. מדובר בהפחתה של עשרות אחוזים בזמני הפיתוח. עובדי הקו מסוגלים לייצר באופן עצמאי מגוון עצום של כלים הכרחיים: מתקני הרכבה שתפקידם להחזיק רכיבים בצורה יציבה במהלך ההרכבה, מתקני ריתוך השומרים על מיקום מדויק של החלקים להבטחת איכות הריתוך, מתקני מדידה המאפשרים חזרתיות בבדיקות ממדיות, ומדידי ביקורת מותאמים אישית המשמשים לבקרת איכות. מעבר לכך, המערכת תומכת גם בייצור של מקבעי עיבוד שבבי האוחזים בחומר הגלם במכונות ה-CNC, וכן בייצור מגשי נשיאה מאורגנים להעברת רכיבים ביעילות ברחבי המפעל.

נתונים מהשטח מצביעים על שינוי ממשי בזמני ההתארגנות של קווי ייצור. במקרי מבחן שנעשו בסביבות בדיקת איכות, משתמשי מכונות מדידה ממוחשבות (CMM), שנהגו להקדיש למעלה משעה לבניית מערך הבדיקה בעזרת פתרונות מסורתיים, הצליחו לצמצם את זמן ההכנה לדקות ספורות בעזרת מקבעים שתוכננו ב-fixturemate. בסביבות של עיבוד שבבי ותפעול כלי ייצור, זמן הפריסה וההכנה של כלי העזר ירד מפרק זמן של כשלוש שעות ל-20 דקות בלבד, נתון המשקף הפחתה של 85 אחוזים בזמן הקמת מערך הייצור. יכולת זו מספקת ליצרן יתרון תחרותי מובהק כיוון שהיא מאפשרת תגובה מידית לדרישות משתנות ומצמצמת את זמני ההשבתה של מכונות הייצור הראשיות. יתרון כלכלי ותפעולי זה מועצם כאשר משתמשים בכלים קלים המודפסים מחומרי פולימר חזקים המחליפים כלי מתכת כבדים. בתחום האוטומציה והרובוטיקה, שימוש בחלקים קלים המודפסים מ-Nylon 12CF ככלי קצה לזרועות רובוטיות מפחית את משקל המטען שנושא הרובוט, מאיץ את זמני המחזור של הרובוט ומונע שחיקה מואצת של המנועים המפעילים אותו.

ההשתלבות של fixturemate בתוך GrabCAD Print Pro מעניקה לפתרון מימד נוסף של שליטה דיגיטלית. הגרסה המתקדמת של פלטפורמת התוכנה של סטרטסיס כוללת מגוון רחב של כלים שנועדו להפוך את המדפסות לכלי ייצור יעילים וחסכוניים. היא מאפשרת יצירת תבניות ייצור (Manufacturing Templates) השומרות הגדרות עבודה מוכחות מראש, כך שגם משתמשים חסרי ניסיון מסוגלים לייצר חלקים באיכות עקבית וללא טעויות הגדרה. המערכת מציעה גם כלים לתיקון גיאומטרי מתקדם (Accuracy Center) המטפלים בעיוותים ומבטיחים דיוק ממדי הכרחי לאבות טיפוס פונקציונליים ולחלקים לשימוש סופי. כלים נוספים כוללים ניהול הפעלות מרובות במקביל להגדלת התפוקה, מנועי תכנון ואריזה מתקדמים (Nesting & Packing) המנצלים את נפח הבנייה בצורה אידיאלית לחסכון בחומר, ומערכת לבקרת צריכת חומרים מדויקת המאפשרת תמחור ותכנון מלאי קפדני. כמו כן, המערכת מאפשרת להחיל טקסטורות פני שטח מורכבות ישירות בתוכנה, ללא צורך בעבודת עיצוב נוספת בתוכנות התיב״ם. היכולת של GrabCAD Print Pro לפעול בצורה חלקה וישירה ללא תלות בענן (Offline operation) מאפשרת לעבוד בסביבות ייצור מסווגות או מאובטחות הדורשות ניתוק מרשת האינטרנט החיצונית.

מגשרים על הפער

ד"ר אולה פון סילן, סמנכ"ל המסחר של חברת trinckle, הגדיר היטב את הפרדוקס הקיים בתעשייה כאשר ציין כי האנשים היודעים איזה כלי צריך לייצר הם לרוב אלה שאינם מסוגלים לייצרו, והתוכנה החדשה נועדה לגשר על הפער הזה בדיוק. לדבריו, ללא יכולות תכנון נגישות, הדפסה בתלת-ממד נשארת כלי יקר בלבד ליצירת אבות טיפוס, ורק חיבור בין יכולות תכנון פשוטות לחומרה אמינה מייצר פתרון שלם ולא רק חלקי פאזל מפוזרים.

״מנסיוננו העשיר בשטח ועל לא מעט רצפות ייצור, העברת היכולת לתכנן כלים הנדסיים לידי מפעילי קו הייצור מחייבת הבנה מעמיקה של תכונות החומרים, גם אם התוכנה מבצעת את החישובים הגיאומטריים באופן אוטומטי״, אומר שדה. ״מפעל שיאמץ את הטכנולוגיה יידרש לוודא שהעובדים מבינים את מגבלות ההדפסה בטכנולוגיית FDM, את כיווני התמיכה הנדרשים ואת השפעת העומס המכני על החלק המודפס. מדובר בהעצמה של כוח האדם המקצועי, הדורשת במקביל בניית מנגנוני בקרה פנימיים שיוודאו שכלים קריטיים עוברים בדיקת עמידות נאותה לפני שילובם בקו הייצור העיקרי. מנהלי פסי הייצור נדרשים לסגל לעצמם דפוסי עבודה חדשים, בהם זמן התגובה לתקלה או לדרישה של כלי עזר חדש נמדד בדקות ובתכנון מקומי, במקום בפתיחת הזמנות רכש ארוכות מול ספקי עיבוד שבבי חיצוניים״.

שדה מעריך כי השילוב של המדפסת החדשה ותוכנת העזר מצביע על מגמה רחבה יותר בתחום הייצור התוספי, המבקשת לאחד בין חומרה לתוכנה למערכת אקולוגית אחת רציפה. ״מהניסיון בשטח, על פסי הייצור, מגלים כי הצלחת הטכנולוגיה אינה נמדדת רק במהירות ההדפסה, או במגוון החומרים, אלא בפשטות השימוש ובנגישות הכלים הדיגיטליים למגוון רחב של עובדים״, מדגיש שדה. ״חברות טכנולוגיה המעוניינות להוביל את השוק יידרשו לספק פתרונות מקצה לקצה, שיודעים לקחת משתמש חסר ניסיון הנדסי ולהעניק לו את היכולת לייצר פתרונות מכניים פונקציונליים תוך שמירה על סטנדרטים גבוהים של איכות ואמינות. השקת המערכות החדשות מציבה רף חדש של דרישות וציפיות מהיצרניות בסביבה תחרותית, ומאלצת את התעשייה לבחון מחדש את האופן שבו היא מתכננת, מפתחת ומייצרת את הכלים המחזיקים את פסי הייצור שלה בפעולה״.

---

בתמונת השער: הצצה לקרביים של מדפסת ה F870- שמוגדרת, ואיך לא, כמערכת ייצור בפורמט גדול. או אולי גדול מאוד?
קרדיט: Stratasys