Additive Manufacturing: המדריך המלא לעולם הייצור התוסף

חלק פלסטי בגודל אגודל עצר קו אריזה שלם אצל לקוח שלנו, בשתיים בלילה. הספק המקורי באירופה נתן זמן אספקה של שישה שבועות. סרקנו את השבר, שחזרנו את הגאומטריה, הדפסנו ב-SLS מ-PA12, והחלק חזר למכונה למחרת אחר הצהריים. אין כאן קסם, יש כאן לוגיקת ייצור אחרת לגמרי. במאמר הזה אנחנו מפרקים אותה לרכיבים ההנדסיים שלה, כולל המקומות שבהם היא לא מתאימה לכם.

זמן קריאה: 5 דקות

מה ההבדל בין להסיר חומר לבין להוסיף אותו

בכרסום CNC אתם מתחילים מבלוק אלומיניום שוקל 4 קילו ומסיימים עם חלק ששוקל 700 גרם. כל השאר הפך לשבבים. ייצור תוסף, Additive Manufacturing, הופך את הכיוון. החומר מונח רק היכן שהגאומטריה דורשת אותו.

ההגדרה התקנית מופיעה ב-ISO/ASTM 52900, שמתאר תהליך של חיבור חומרים ליצירת חלקים מתוך נתוני מודל תלת ממדי, בדרך כלל שכבה על גבי שכבה, בניגוד לייצור גורע ולייצור מעצב.

ההשלכה המעשית היא לא רק חיסכון בחומר. ערוץ קירור מפותל שעובר בתוך קוביית אלומיניום פשוט לא ניתן לכרסום. במדפסת מתכת הוא נבנה בלי שאלות, כי הכלי היחיד הוא קרן לייזר בקוטר של עשרות מיקרונים.

מהקובץ ועד החלק שביד

מחזור העבודה המלא קצר ממה שנדמה. מהנדס מתכנן ב-CAD, מייצא STEP או STL, ואנחנו טוענים את הקובץ לתוכנת Slicer שחותכת אותו למאות או אלפי חתכים אופקיים. המדפסת בונה חתך אחרי חתך, כל שכבה מתאחה עם זו שמתחתיה, ובסוף מגיע שלב הניקוי והגימור.

אנחנו מעדיפים לקבל STEP ולא STL. ב-STEP נשמר המידע הפרמטרי, ואם צריך לעבות דופן מ-0.8 מ"מ ל-1.2 מ"מ לפני ההדפסה, זה שינוי של דקה. ב-STL מקבלים רשת משולשים ומתחילים לתקן גאומטריה במקום לתכנן.

מה קובע ה-Slicer ולמה זה משנה מכנית

שלושה פרמטרים בתוכנה מכריעים את התנהגות החלק. עובי השכבה קובע את טיב פני השטח ואת זמן ההדפסה, וההפרש בין 0.1 מ"מ ל-0.3 מ"מ ב-FDM הוא פי שלושה בזמן. צפיפות המילוי קובעת משקל וקשיחות. כיוון ההדפסה קובע לאיזה כיוון החלק חזק.

הנקודה האחרונה היא זו שמפילה אנשים. חלק מודפס הוא אניזוטרופי, וחוזק המשיכה בציר Z, לרוחב מישורי ההתאחות בין השכבות, נמוך משמעותית מהחוזק במישור XY. תושבת שנשברת בבדיקת עומס לא תמיד סובלת מבעיית חומר. לפעמים היא פשוט הודפסה בכיוון הלא נכון.

הטעות שחוזרת אצל כמעט כל לקוח חדש

הטעות הנפוצה ביותר שאנחנו רואים היא בחירת טכנולוגיה לפי מחיר ליחידה, לפני שמישהו הגדיר את דרישות החלק.

סטארטאפ בתחום החקלאות המדייקת הגיע אלינו עם מארז חיישן שהודפס אצלו במשרד ב-FDM מ-PLA. המארז עבד מצוין על השולחן. אחרי שבועיים בשדה, בשמש ישראלית, הוא התעוות והאיטום נפתח. עברנו ל-MJF עם PA12, החומר עמד בטמפרטורה ובקרינה, והמידות נשארו יציבות לאורך סדרת פיילוט של 180 יחידות.

הסדר הנכון הוא הפוך. קודם מגדירים טמפרטורת עבודה, עומס, חשיפה לכימיה או ל-UV, דרישות רגולציה ודרישת גימור. רק אז בוחרים חומר, ורק אחריו בוחרים טכנולוגיה. כשעושים את זה נכון, המחיר הסופי בדרך כלל יורד, כי לא מדפיסים פעמיים.

שבע קטגוריות תהליך, ולא אותן שבע שלנו

מסמך NIST Special Publication 1176 מסווג את עולם ה-AM לשבע קטגוריות תהליך, היתוך מצע אבקה, פוטופולימריזציה בתוך אמבט, שיחול חומר, הזרקת חומר, הזרקת מקשר, שיקוע אנרגיה מכוונת והדבקת יריעות.

אנחנו ב-Indus3D שולטים בשבע טכנולוגיות הדפסה, כולל הדפסת מתכת, אבל חשוב להיות מדויקים. אלה לא אותן שבע. הקטגוריות של NIST הן משפחות תהליך, והטכנולוגיות שלנו הן מימושים מסחריים ספציפיים בתוך חלק מהמשפחות האלה.

ההבחנה הזו לא סמנטית. כשמישהו אומר לכם "יש לנו הדפסת שרף", זה יכול להיות SLA, DLP או PolyJet, ושלושתן מתנהגות אחרת לגמרי מבחינת דיוק, גודל מגש ועלות ליחידה.

מצע אבקה, פוטופולימריזציה ושיחול

בהיתוך מצע אבקה, SLS לפולימרים, DMLS ו-SLM למתכות, לייזר מסנטר אבקה שכבה אחר שכבה. האבקה שמסביב תומכת בחלק, ולכן אפשר לבנות גאומטריות שבורות לחלוטין בלי מבני תמיכה, ולמלא את כל נפח התא בעשרות חלקים במקביל.

בפוטופולימריזציה, SLA ו-DLP, שרף נוזלי מתקשה בהקרנת אור. שכבות של 25 עד 50 מיקרון נותנות פני שטח חלקים כמעט כמו הזרקה, ולכן זו הבחירה לדגמי מראה, לתבניות יציקה ולרכיבים אופטיים.

בשיחול חומר, FDM או FFF, חוט פלסטיק דק נדחף דרך ראש מזרק מחומם והופך לג'ל, בדומה לאקדח דבק חם, ומונח בנתיב מחושב. זו הטכנולוגיה הזולה לנפח גדול, והיא מגיעה גם לחומרים הנדסיים כמו PC, ASA ו-Nylon מחוזק סיבי פחמן.

טבלה שמקצרת שיחות ייעוץ ארוכות

השוואה בין טכנולוגיות ההדפסה הפועלות אצל Indus3D

הטבלה הזו היא נקודת פתיחה לשיחה, לא פסק דין. חלק אחד יכול להתאים לשתי טכנולוגיות, וההכרעה תיפול על נפח הסדרה או על דרישת הגימור.

מה השאלה הראשונה ששואלים לפני בחירת חומר

אנחנו שואלים איפה החלק חי. לא מה הוא עושה, אלא איפה הוא נמצא כשהוא עושה את זה.

חלק שיושב בתא מנוע רואה 90 מעלות ברקע ושמן מדי פעם, ולכן PLA ירד מהשולחן לפני שהתחלנו. רכיב שנוגע ברקמה במהלך הליך רפואי מחייב חומר מאושר ביולוגית ותיעוד אצווה. מארז לציוד שטח שיצא לצבא צריך עמידות UV ועמידות בפני נפילה, ושם PA12 ב-SLS או ASA ב-FDM עושים את העבודה טוב יותר משרף קשיח שיישבר בקצה השני של החורף.

לפעמים התשובה משעממת. בדרך כלל FDM עם ABS יספיק לג'יג ייצור שיעבוד שנתיים על שולחן הרכבה. לא תמיד, אבל בדרך כלל.

כשאחד עשר חלקים הופכים לחלק אחד

מפתח בתחום כלי הטיס הבלתי מאוישים הביא אלינו מאסף אוויר שהורכב מ-11 רכיבים מכורסמים, שתי אטמים וארבעה ברגים. תכננו אותו מחדש לייצור תוספי והדפסנו כיחידה אחת ב-AlSi10Mg.

המשקל ירד בכ-35 אחוז. זמן ההרכבה ירד לאפס, כי אין מה להרכיב. שתי נקודות הדליפה ההיסטוריות של המוצר נעלמו יחד עם האטמים.

איחוד חלקים הוא היתרון שהכי קשה לכמת בגיליון אקסל, כי החיסכון האמיתי מסתתר במלאי, ברכש, בתיעוד ובכשלים שלא קרו. מנהל תפעול אחד אמר לנו שהוא הפסיק לנהל שמונה מקטים והתחיל לנהל אחד. זה היה הנימוק שסגר את הפרויקט.

מבני סריג ואופטימיזציה טופולוגית

תכנון ייעודי לייצור תוספי, מה שנקרא DfAM, מתחיל בהגדרת עומסים ותנאי שפה ומסתיים בגאומטריה אורגנית שנראית כמו עצם. תוכנות אופטימיזציה טופולוגית מסלקות חומר מכל אזור שלא נושא עומס, ומבני סריג ממלאים נפחים גדולים בצפיפות של אחוזים בודדים.

הזהירות שלנו כאן פרקטית. סריג יפה בסימולציה יכול להפוך לסיוט בשלב ניקוי האבקה, אם אין לו פתחי ניקוז. אנחנו בודקים את זה בשלב התכנון, כי אבקה שנשארה כלואה בתוך ערוץ סגור הופכת לעודף משקל שאי אפשר להוציא.

מאיזו כמות ייצור תוסף מפסיק להשתלם

נקודת המעבר בין ייצור תוסף להזרקה תלויה בכמות, במורכבות ובשלב הפרויקט

הזרקה לתבנית מנצחת בכמויות. השאלה היחידה היא איפה עובר קו החיתוך, והוא נע לפי מורכבות החלק, גודלו והאם התכנון עדיין משתנה.

אפשר לקרוא עוד על מה שמרכיב את המחיר בפועל בעמוד עלות הדפסת תלת מימד שלנו, כולל השפעת נפח החלק וזמן המכונה.

סדרות קצרות וייצור מקומי

יצרן מכונות אריזה מפתח תקווה מחזיק אצלנו ספריית קבצים של 60 חלפים. הוא לא מחזיק אותם במלאי פיזי. כשמכונה בשדה צריכה גלגל שיניים מ-PA12 מחוזק, ההזמנה נכנסת בבוקר והחלק אצלו תוך יומיים, בלי מכולה ובלי מכס.

הצד השני של אותו מטבע הוא גמישות תכנון. באמצע סדרה של 300 מארזים שינה לקוח את מיקום המחבר, ואנחנו החלפנו קובץ. בתבנית הזרקה השינוי הזה עולה בשבועות ובכסף אמיתי.

ההדפסה היא לרוב חצי מהעבודה

לקוחות מופתעים לגלות שהחלק שיוצא מהמדפסת עדיין לא מוכן. עמוד הסמכת חלקים ב-AM של NIST מונה בדיוק את הפערים האלה, אימות תהליכי עיבוד משלים, טיפולי חום, גימור פני שטח ומינוח אחיד לבדיקות לא הורסות.

בחלקי פולימר מדובר בניקוי אבקה, הסרת תמיכות, ליטוש והחלקה. בחלקי מתכת התהליך כבד יותר. שחרור מאמצים בתנור לפני ניסור מהמצע, לעיתים HIP לסגירת נקבוביות, ואז עיבוד שבבי משלים לכל מידה קריטית ולכל תבריג.

מי שמתמחר פרויקט AM ושוכח את השלבים האלה מגלה אותם אחר כך, בדרך כלל בלוח הזמנים.

גימור וצביעה תחת אותה קורת גג

אצלנו מחלקת הגימור והצביעה יושבת באותו מפעל שבו עומדות המדפסות. צביעה בטבילה לחלקי PA12, ציפוי מתכת על פולימר לדגמים שצריכים להיראות כמו יציקה, ליטוש ידני, וצביעת RAL מדויקת לפי מפרט הלקוח.

זה משנה יותר ממה שנשמע. כשההדפסה, העיבוד והצביעה נעשים בשלושה מקומות שונים, כל מסירה בין ספקים מוסיפה ימים ומטשטשת אחריות. שירות One Stop Shop מהרעיון ועד החלק הצבוע בקופסה קיים בדיוק בשביל להוריד את החיכוך הזה, ואפשר לראות את המערך המלא בעמוד שירותי ההדפסה.

בדיקות ובקרת איכות

לחלק בטיחותי בתעופה או למכשיר רפואי לא מספיק שהחלק ייראה נכון. נדרש מדידה ממדית מול המודל, לרוב בסריקה תלת ממדית או ב-CMM, ותיעוד של אצוות האבקה ופרמטרי הבנייה.

לרכיבי מתכת קריטיים מוסיפים בדיקות לא הורסות. סריקת CT מגלה נקבוביות פנימיות שאף בדיקה ויזואלית לא תיתפוס, ובדיקת חדירה מגלה סדקים משטחיים אחרי טיפול תרמי. הבדיקות האלה מייקרות את החלק, והן זולות בהרבה מכשל בשדה.

איפה ייצור מצטבר עדיין מפסיד

הגינות מקצועית מחייבת גם את הצד הזה. סבילות של 0.01 מ"מ על מישור אטימה לא תושג בהדפסה ישירה, ותצטרכו עיבוד שבבי משלים על אותו משטח. חספוס פני שטח של חלק SLS גולמי הוא בסדר גודל אחר מחלק מכורסם.

אניזוטרופיה קיימת בכל טכנולוגיה שכבתית, ולכן חלק שנושא עומס דינמי דורש חשיבה על כיוון בנייה ולעיתים על מקדם ביטחון גבוה יותר. שרפים סטנדרטיים מזדקנים תחת UV.

וכשמגיעים לעשרות אלפי יחידות של חלק פשוט, ייצור מצטבר כבר לא הכלי הנכון. במקרים כאלה אנחנו נאמר לכם את זה בשיחה הראשונה, ולפעמים נדפיס לכם דווקא את הג'יגים והמכשירים שיאיצו את קו ההרכבה.

פסל לוחם, פעמון שלום ומדפסת אחת

פרויקטים חורגים מהתעשייה הרגילה שיצאו מאותו מתקן ייצור

לא כל פרויקט מגיע עם מפרט הנדסי. הדפסנו פסל של לוחם אבוריג'יני בחלקים, חיברנו וצבענו ידנית עד שהמעברים בין המקטעים נעלמו. פעמון שלום שיצא מהמפעל שלנו טס לחלל.

אנחנו מזכירים את זה כאן מסיבה מקצועית. אותה יכולת גימור שמאפשרת לפסל להיראות כיצירה שלמה היא זו שמאפשרת למארז מוצר להגיע לתערוכה בגימור סדרתי. מעל 100,000 חלקים יצאו מכאן, ורובם המכריע פונקציונליים לגמרי, אבל הרגע שבו רעיון הופך לחלק שאפשר להחזיק ביד עדיין עושה משהו לכל מי שעובד כאן.

מה כדאי לבדוק אצל ספק לפני שליחת הקובץ

שאלו את הספק אם הוא מבצע סקירת DfAM לפני ההדפסה או פשוט לוחץ Print. סקירה טובה תחזיר לכם הערות על עובי דפנות, על רדיוסים פנימיים ועל כיוון הבנייה המומלץ, ולפעמים תחסוך גרסה שלמה.

בקשו דף נתוני חומר עם ערכי חוזק וטמפרטורת התרככות, ולא רק שם מסחרי. ברר מי מבצע את הגימור, האם העיבוד המשלים נעשה פנימית, ומה קורה אם המידה הקריטית חורגת.

צוות המהנדסים והמעצבים שלנו מלווה פרויקטים מול תעשיות ביטחוניות, רפואה, תעופה, אדריכלות, רכב וסטארטאפים, ואת התפיסה המלאה של שרשרת הערך אפשר לראות בעמוד Additive Manufacturing שלנו.

הצעד הבא של הפרויקט שלכם

אם יש לכם קובץ CAD פתוח על המסך ואתם מתלבטים בין FDM ל-SLS, או שוקלים אם רכיב מסוים בכלל צריך לעבור להדפסת מתכת, שלחו לנו אותו. אנחנו נסתכל על הגאומטריה, נשאל איפה החלק עובד, ונחזיר המלצה עם טכנולוגיה, חומר, זמן אספקה ומחיר.

המפעל שלנו בפתח תקווה מחזיק שבע טכנולוגיות הדפסה כולל מתכת, מחלקת גימור וצביעה פנימית וצוות הנדסי שיושב באותו מבנה. זה אומר שהתשובה שתקבלו תהיה מבוססת על מה שאנחנו באמת יכולים לייצר, ולא על הבטחה כללית. נשמח לשמוע מה אתם מנסים לבנות.

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.