חלקי קצה הדפסת תלת מימד: המדריך המלא לייצור חלקים סופיים

מהנדס פיתוח שלח לנו קובץ של תפס למכסה ארון חשמל וביקש שני אבות טיפוס. שאלנו אותו שאלה אחת. כמה פעמים התפס נפתח ונסגר בשנה, ובאיזו טמפרטורה הוא עובד. התשובה הייתה 4,000 מחזורים בשנה, עד 70 מעלות, בחוץ.

ההזמנה שינתה צורה תוך שיחת טלפון אחת. במקום שני דגמים ב-FDM לבדיקת התאמה, הדפסנו סדרה ראשונה של 600 יחידות ב-PA12 בטכנולוגיית MJF, עם בדיקת מימדים על מדגם ותיעוד פרמטרים לאצוות הבאות. אצלנו זה קורה כמה פעמים בשבוע. במאמר הזה נסביר מה הופך חלק מודפס לחלק שעובד באמת בשטח, איך בוחרים חומר וטכנולוגיה, ומה בודקים לפני שאצווה יוצאת מהמפעל.

זמן קריאה: 6 דקות

מה נחשב חלק קצה בשפה הנדסית

חלקי קצה הדפסת תלת מימד הם רכיבים שמותקנים במוצר ועובדים בתוכו לאורך זמן, תחת עומס מכני, טמפרטורה, שחיקה או חשיפה כימית. בעולם המקצועי קוראים להם end use parts, והדרישה מהם זהה לחלוטין לדרישה מחלק שיצא מתבנית הזרקה או ממרכז שבבי. הוא צריך להחזיק, להשתלב בהרכבה ולהתנהג אותו דבר גם ביחידה מספר 1 וגם ביחידה מספר 480.

הבסיס הטכנולוגי פשוט להסבר. הטכניון מגדיר ייצור בהוספה כבנייה של צורה סופית שכבה על גבי שכבה, בניגוד לשיטות שמסירות חומר מגוש. ההבדל בין דגם לרכיב עובד לא נמצא במדפסת עצמה. הוא נמצא בחומר, בכיוון הבנייה, בגימור ובבקרה.

השאלה שמפרידה דגם מרכיב עובד

כשלקוח מבקש הצעת מחיר, אנחנו שואלים שבע שאלות לפני שנוגעים בקובץ. איזה כוח פועל על החלק ובאיזה כיוון. מה טווח הטמפרטורות. האם יש חשיפה לשמש, לשמנים, לאלכוהול או לחומרי חיטוי. אילו סובלנויות קריטיות בהרכבה. מה אורך החיים המצופה. כמה יחידות בסדרה הראשונה וכמה בשנה. ומי מאשר את החלק בסוף.

שתי דקות של שאלות חוסכות שבועיים של הדפסה מחדש. מהנדס שיודע לענות על כולן כבר עשה חצי מהעבודה של תכן ההדפסה.

הטעות שחוזרת כמעט בכל פנייה ראשונה

הטעות היקרה ביותר שאנחנו רואים היא בחירת טכנולוגיה לפי מחיר ליחידה במקום לפי סביבת העבודה של החלק. סטארטאפ בתחום ההשקיה הגיע אלינו עם בית שסתום שהודפס אצלו במשרד ב-SLA, כי המשטח היה חלק ומהמם. אחרי שלושה שבועות על גג במרכז הארץ החלק הצהיב והתפצח סביב ההברגה. שרף SLA סטנדרטי סופג קרינת UV ומאבד קשיחות.

עברנו ל-PA12 ב-MJF, הוספנו רדיוסים בפינות והחדרנו תותב מתכת להברגה. אותו קובץ, התנהגות אחרת לגמרי בשדה. מי שרוצה להבין את ההבדלים בין השיטות לפני שהוא מזמין, יכול לעבור על טכנולוגיות ההדפסה שאנחנו מפעילים ולראות איזו מהן מתאימה לאיזה סוג עומס.

מתי הדפסה לייצור מנצחת תבנית הזרקה

נשווה שני מסלולים לאותו חלק פלסטי בגודל כף יד. במסלול הראשון מזמינים תבנית פלדה, מחכים בין חמישה לשמונה שבועות, משלמים עשרות אלפי שקלים על התבנית עצמה ואז מקבלים חלקים בזול מאוד. במסלול השני מדפיסים 400 יחידות ומקבלים אותן תוך שבוע, בלי עלות פתיחה בכלל.

נקודת האיזון תלויה בגיאומטריה, אבל בסדרות של מאות עד אלפי יחידות הדפסה לייצור כמעט תמיד יוצאת זולה יותר בסך הכל. סקירה של מוסד שמואל נאמן מציינת בדיוק את היתרון הזה, ייצור סדרות קטנות או חלקים בודדים באיכות גבוהה בלי כלי עזר ייעודיים. וכשהמוצר עוד מתפתח, כל שינוי בקובץ עולה כלום במקום תיקון תבנית.

טבלת החלטה בין הטכנולוגיות שאנחנו מפעילים

הטבלה הזו היא בערך מה שאנחנו מציירים על לוח מול לקוח חדש שמתלבט איך לייצר סדרה ראשונה.

איחוד חלקים הוא הרווח הגדול שאף אחד לא מבקש

הרכבה של אחד עשר רכיבים במפזר אוויר קטן כללה שני צינורות, ארבעה מחברים, אטמים וברגים. תכננו אותה מחדש כשני חלקים מודפסים ב-PA12 עם חללים פנימיים שאי אפשר לעבד בשבבי. ההרכבה ירדה מעשרים דקות לשלוש, ונקודות הדליפה נעלמו כי לא היו יותר ממשקים.

איחוד חלקים (Part Consolidation) מוריד עלויות במקומות שלא מופיעים בהצעת המחיר. פחות מספרי מקט במחסן, פחות תיעוד, פחות זמן עבודה בקו, פחות מה שיכול להשתחרר ברעידות. כשמהנדס מגיע אלינו עם הרכבה קיימת, זה הדבר הראשון שאנחנו מחפשים בקובץ.

חומרים שמחזיקים בשדה ולא רק בקטלוג

הבחירה לייצור חלקים סופיים נעה בין כמה משפחות. PA12 הוא סוס העבודה של רכיבים מכניים, עם קשיחות טובה ועמידות טובה לשמנים. PA12 מחוזק זכוכית עולה מדרגה בקשיחות ובעמידות טמפרטורה, במחיר של שבירות מסוימת. פוליקרבונט ו-ASA מתאימים לחלקים שנשארים בחוץ. TPU בקושי 88A נותן אטמים וברכיים גמישות שחוזרות לצורתן.

למתכת יש מקום משלה. תפסן לתעופה שמודפס באלומיניום AlSi10Mg יכול לחסוך 40 אחוז ממשקל הרכיב המקורי בגלל אופטימיזציה טופולוגית. פלדת אל חלד 316L נכנסת לרכיבים שסובלים חיטוי חוזר. שבע הטכנולוגיות שאנחנו מפעילים, כולל מתכת, מאפשרות לבחור חומר לפי הדרישה ולא לפי מה שיש במדפסת.

החוזק שתלוי בכיוון ההדפסה

חלק מודפס אינו איזוטרופי. החיבור בין שכבות חלש מהחומר עצמו, ובחלקי FDM לא נדיר לראות ירידה של עשרות אחוזים בחוזק המשיכה בציר Z לעומת מישור XY. מחקרים על ממשקים בין חומרים מודפסים, כולל עבודה שנעשתה באוניברסיטת אריאל על צירופי PETG ו-TPU, מראים כמה הממשק עצמו קובע את ההתנהגות המכנית.

הפתרון הנדסי ולא קוסמטי. מסובבים את החלק כך שכוח המשיכה העיקרי עובר במישור השכבות, מוסיפים חיזוקים בנקודות מאמץ, ולפעמים מחלקים חלק אחד לשניים ומחברים אותם בפין ובדבק מבני. ב-SLS וב-MJF ההבדל בין הצירים קטן משמעותית, וזו אחת הסיבות שהם מובילים בסדרות ייצור.

למה חלק שיוצא מהמדפסת עדיין לא מוצר

חלק שיצא מתא ההדפסה הוא חומר גלם מעובד. הוא צריך ניקוי אבקה, הסרת תמיכות, ולפעמים ייבוש ואשפור. אחרי זה מתחיל שלב העיבוד המשלים שקובע איך המוצר מרגיש ביד ואיך הוא מתנהג בשדה.

בפועל אנחנו משתמשים בהתזת כדוריות (Bead Blasting) לאיחוד מרקם, בהחלקה כימית להורדת קווי שכבה ולסגירת נקבוביות, בצביעה בטבילה לכיסוי אחיד של גיאומטריה מורכבת, ובציפוי מתכת כשצריך מוליכות או מראה מטאלי אמיתי. מחלקת הגימור והצביעה שלנו יושבת באותו מפעל, ואפשר לראות את הטווח המלא בעמוד גימור וצביעה של חלקים מודפסים.

הברגות, תותבים והרכבה עם רכיבים אחרים

הברגה שנחתכת ישר בפלסטיק מודפס תשרוד כמה מחזורי הידוק. תותב מתכת שמוחדר בחום (Heat-Set Insert) שורד אלפים. זה ההבדל בין רכיב שחוזר לתיקון לרכיב שנשאר בשדה.

באותו הקשר, חיבור בין שני חלקים מודפסים דורש תכנון של פינים, כתפיים ושטח הדבקה. דבק ציאנואקרילט על שני משטחים חלקים בלי כתף מכנית יחזיק עד המשלוח הראשון. תכן נכון של הממשק, עם פין מוביל ומרווח קבוע לדבק, נותן חיבור שחזק כמעט כמו החומר עצמו.

תקינה כשעוברים מאב טיפוס לאצווה מאושרת

ברגע שחלק נכנס למוצר מסחרי, השפה משתנה. צריך מינוח מוסכם, קריטריוני קבלה ותיעוד. משפחת התקנים של ISO ו-ASTM לייצור בהוספה עושה בדיוק את זה. תקן 52900 קובע את המינוח ואת העקרונות הכלליים, ותקן 52924 עוסק בעקרונות הסמכה וציוני איכות לחלקי פולימר שיוצרו בהדפסה תלת ממדית.

הרשימה המלאה של התקנים הישראליים בתחום מופיעה בועדת התקינה לייצור בריבוד של מכון התקנים. אצל Indus3D העבודה מול לקוחות בתחומי הרפואה, הצבא והתעופה נשענת על אותה גישה. פרמטרי הדפסה נעולים, אצוות מתועדות, וכל שינוי בחומר או במכונה מקבל אימות מחדש לפני שהוא נכנס לייצור.

מה נבדק לפני שאצווה יוצאת מהמפעל

בקרת איכות בהדפסה לייצור מורכבת מכמה שכבות פשוטות. בדיקת מימדים על מדגם מכל אצווה, עם קליבר לממדים קריטיים וסריקה תלת ממדית להשוואה לקובץ המקורי. בדיקת צפיפות ואיתור נקבוביות בחלקים שאמורים לאטום. בדיקת עומס או מחזורי פתיחה וסגירה כשהלקוח מגדיר דרישה מכנית מספרית.

מעל זה יושב התיעוד. איזו מכונה הדפיסה, איזו אצווה של אבקה, באיזה כיוון עמד החלק במגש, ומה עבר עליו בגימור. זה מה שמאפשר לחזור על אותה תוצאה חצי שנה אחר כך. הדירות בין אצוות היא הדבר שמפריד ספק אבות טיפוס מספק ייצור.

תכן להדפסה מוריד עלויות לפני שההדפסה מתחילה

קובץ שתוכנן להזרקה כמעט תמיד יעבוד גם בהדפסה, אבל לא במחיר הטוב ביותר. תכן להדפסה (DFAM) מסתכל על דברים אחרים. עובי דופן אחיד במקום דפנות של 6 מילימטר שסתם מבזבזות חומר וזמן. חיזוקים במקום מסה. רדיוסים במקום פינות חדות שמרכזות מאמץ. זוויות שמפחיתות תמיכות ולכן מפחיתות עבודת יד בגימור.

אצל אחד הלקוחות בתחום האדריכלות שינוי של עובי דפנות וסידור נכון של החלקים במגש הוריד את זמן ההדפסה של סדרה שלמה בכמעט שליש. הצוות ההנדסי שלנו עובר על כל קובץ לפני הצעת מחיר, וזה חלק משירות ההדפסה והתכן ולא תוספת בתשלום.

מלאי דיגיטלי במקום מדף עם חלפים

חלק קטן נשבר במכונת אריזה, והקו עומד. יצרן שמחזיק מלאי חלפים ימצא את הפריט תוך יום או יומיים, אם המקט קיים ואם היבואן לא בחופשה. מי שמחזיק את הקובץ ואת החומר מדפיס אותו באותו יום.

ייצור לפי דרישה (On-Demand Manufacturing) משנה את המשוואה הלוגיסטית. במקום להזמין 5,000 יחידות כדי להצדיק תבנית, מזמינים 300 ומדפיסים עוד כשצריך. המחסן מתפנה, ההון לא נעול במלאי, וגרסה חדשה של החלק לא הופכת 4,700 יחידות לפסולת. כשהעצירה עולה כסף בכל שעה, יש גם מסלול הדפסה תלת מימד דחופה.

מה באמת מזיז את המחיר של סדרת חלקי קצה

מחיר של חלק מודפס נבנה מנפח החומר, מזמן המכונה, מכמות התמיכות ומהעבודה שאחרי. הטבלה הבאה משווה בין המסלולים שאנחנו מציעים באותו מפעל, במדד עלות יחסי ולא בשקלים, כי גיאומטריה משנה הרבה.

פירוט של הגורמים שמשפיעים על ההצעה מופיע בעמוד עלות הדפסה תלת מימד.

איך זה נראה אצל לקוחות שעובדים איתנו

בתחום הרפואה הדפסנו דגמים אנטומיים לתערוכת כירורגיה, ובמהלך הפרויקט עברנו לטכנולוגיה מדויקת יותר כדי לקבל ממשקים שנראים כמו רקמה. בתעשייה הביטחונית יוצרות אצלנו יחידות מארזים ותפסנים שצריכים לספוג רעידות ואבק. בתעופה מדובר בעיקר בהורדת משקל ובחלקים שאין להם יותר יצרן.

יש גם עבודות שיוצאות מהקטגוריות. הדפסנו פסל של לוחם אבוריג'יני בגודל מלא, ורכיב שנכנס לפעמון שלום שטס לחלל. מעל 100,000 חלקים עברו כאן, וההצטברות הזו היא מה שמאפשר לנו לומר ללקוח בשיחה הראשונה איזה חומר ייכשל אצלו ואיזה יחזיק.

מתי נמליץ לכם לא להדפיס

לא כל חלק צריך להיות מודפס. סדרה של 50,000 יחידות של חלק פשוט תצא זולה יותר בהזרקה, גם אחרי עלות התבנית, ואנחנו אומרים את זה בפה מלא. חלק שחייב שקיפות אופטית ברמת עדשה ידרוש עיבוד או יציקה. רכיב שעובד רצוף מעל 250 מעלות מצמצם מאוד את רשימת החומרים.

בדרך כלל FDM יספיק לכיסוי או למתקן עזר, אבל לא תמיד. במקרי גבול אנחנו מדפיסים סדרת אימות קטנה, שולחים אותה לבדיקה בשדה ורק אחר כך פותחים ייצור. עדיף לגלות בעשר יחידות מה שאפשר לגלות בחמש מאות.

איך הופכים תכנון לחלק שעובד

הצלחה עם חלקי קצה מודפסים נשענת על ארבעה דברים שעובדים יחד. תכן שמותאם לתהליך, בחירת חומר שמתאימה לסביבה האמיתית, בקרת איכות שמתועדת, וגימור שסוגר את המוצר. כשאחד מהם חסר, החלק בדרך כלל יעבוד במעבדה וייכשל אצל הלקוח.

ב-Indus3D כל השלבים האלה יושבים תחת קורת גג אחת בפתח תקווה, מהתכן וההדפסה בשבע טכנולוגיות ועד הצביעה, העיבוד המשלים והאריזה.

חלק שעובד בשטח נבנה מארבעה מרכיבים, תכן מותאם לתהליך ההדפסה, חומר שמתאים לסביבת העבודה האמיתית, בקרת איכות מתועדת, וגימור שמשלים את המוצר. כשמדלגים על אחד מהם, החלק בדרך כלל יעבוד במעבדה וייכשל אצל הלקוח.

אודות הכותב

צוות Indus3D מפעיל את מתקן ההדפסה התלת ממדית התעשייתי הגדול והמתקדם בישראל, ועובד מול לקוחות מתחומי הרפואה, האדריכלות, התעשייה הביטחונית, חברות סטארט אפ ולקוחות פרטיים. הניסיון של הצוות משתרע על פני מגוון טכנולוגיות הדפסה לרבות DLP, MJF, SLA, PolyJet, SLS ו-FDM, וכן ליווי מלא משלב הקובץ או הרעיון ועד לחלק מוגמר.