חלון למפעל החכם | מאמרים מקצועיים

חזרה >

ייצור חלת דבש – ההדפסה התלת ממדית של הטבע

28/08/2022

בעל חיים מרתק היא דבורת הדבש. בכוורת דבורים רוחשת פעילות מתקיימים מספר פלאים הנדסיים מסקרנים. למשל, יכולות התקשורת בין הפרטים בכוורת, יכולות הניווט של הדבורים למציאת מזון וגם יכולות הייצור. כוורת דבורים היא מפעל שמערך הייצור שלו מורכב מחלות דבש המיוצרות בתהליך מבוקר טמפרטורה, סביב השעון, על ידי הוספת חומר ליצירת מבנה הנדסי קל וחזק. בעולם הייצור האנושי קוראים לזה ייצור בהדפסה תלת ממדית!


Photo by Kianakali on Unsplash

הדפסה תלת ממדית היא תהליך ייצור המבוסס על הוספת כמות קטנה ומדויקת של חומר שכבה אחר שכבה, ללא מגע יד אדם, בתהליך ארוך ורציף.

עבודת הדבורים מכונה באנגלית Additive Manufacturing, כלומר – ייצור על ידי הוספה. בעברית ישנן מספר גרסאות כגון ייצור תוספתי או ייצור מתוסף. אני אשתמש כאן במונח הפופולארי "הדפסה תלת ממדית".

שיטת הייצור בהדפסה תלת ממדית מציעה שלושה יתרונות בולטים:

  • האפשרות לייצור כלכלי של סדרות קצרות וחלקים בעלי גאומטריה מורכבת או מותאמים אישית.
  • החופש לייצר כל חלק, בכל מקום ללא תלות בכלים או במיומנויות.
  • תכנון וייצור חלקים במשקל נמוך יותר ועם פחות חומר.

דוגמה ליישום יתרונות ההדפסה התלת ממדית: ייצור גופים מורכבים שלא ניתן לייצר בטכנולוגיות מקובלות של הסרת חומר דוגמת מכונות CNC. יכולת זו, בשילוב כלי תיב"מ (תכנון ייצור באמצעות מחשב) מתקדמים – כגון Generative Design – מאפשרים תכנון גופים, תוך יישום טכנולוגיית אינטליגנציה מלאכותית. כך ניתן לעצב גאומטריה המציגה אופטימיזציה של מבנה העומד בדרישות מעטפת הביצועים הנדרשת – החוזק, השחיקה והעמידה בפרופיל רעידות מוגדר. דוגמא מוצגת באיור 1.

איור 1: שני רכיבים. העליון יוצר בשיטה הקונבנציונלית – הסרת חומר; התחתון יוצר בהדפסה לת ממדית לאחר ביצוע תכן בטכנולוגיית Generative Design.
Carlota V, Is generative design changing manufacturing?, 13 July 2020, http://www.3dnatives.com

כמו כן, מאפשרת הדפסה תלת ממדית יצור מהיר יחסית של קביעים הנדרשים למערך ייצור, או חלקי חילוף למכונות, לשם קצור זמני השבתת מכונות בקוו הייצור. דוגמאות ניתן לראות בשיתוף הפעולה בין חברת הבירה Heineken וחברת המדפסות התלת ממדיות Ultimaker.

פוטנציאל ההדפסה התלת ממדית טומן בתוכו אפשרויות מרתקות נוספות דוגמת פתוח חומרים בעלי הרכב חדש,  או בעלי תכונות משתנות על-פי הגאומטריה, הצורך, העיתוי ועוד.

קיימים מספר תרחישים עולמיים המאיצים את הדרישה העולמית ליתרונות הגלומים בטכניקת הדפסה תלת ממדית. התחזיות מצביעות על הכפלת תעשיית הייצור בהדפסה תלת ממדית בשלוש השנים הבאות. בין השאר, מתפתחת כיום דרישה עולמית לפתרון בעיות הקשורות בשרשרת האספקה, תולדה של מלחמות סחר (ארה"ב – סין לדוגמה), מלחמות דמים, משבר ה-Covid, ושינויי אקלים. כל אלה משפיעים על עלויות שינוע הסחורות.

 

כיום קיימות שבע שיטות שונות לייצור בהדפסה תלת ממדית

איור 2 מדגים מיון שיטות הדפסה וחומרי גלם אפשריים.

איור 2: באדיבות גל רז

הדפסה בתלת ממד – ארבע הטכנולוגיות הנפוצות ביותר

1.    פלמור במיכל (SLA, DLP)

זו שיטת ההדפסה המסחרית והוותיקה ביותר הנמצאת בשימוש מאמצע שנות השמונים של המאה הקודמת. ב-SLA חומר הגלם הוא נוזל או שרף, resin, צמיגי מסוג פוטופולימר, כלומר, חומר פלסטי, פולימר, ההופך למוצק בחשיפה לאור. כדי למצק את הפוטופולימר – שכבה אחר שכבה – נעשה שמוש בקרן לייזר, מקרן אור – DLP או מסך LCD. התוצאה המתקבלת היא מודל מאוד מדויק ובעל פרטים ברורים מחומר גלם תרמוסטי. ישנם עשרות חומרי גלם בעלי תכונות שונות, וכתלות בחומר ניתן לקבל חלקים ברורים ומדויקים – אטומים שקופים או גמישים. בין החסרונות ניתן למנות תהליך הדפסה איטי, הצורך להדפסת תמיכות והטיפול המשלים הנדרש לאחר ההדפסה לניקוי התמיכות ולייצוב פני השטח. החיסרון העקרי נובע מהשימוש בחומרים פוטופולימרים שאינם חומרים הנדסיים כלומר, קשה להבטיח עקביות תכונות החומר לאורך זמן או אפילו בין הדפסה להדפסה. בנוסף, המודל המודפס מושפע לאורך הזמן מתנאי הסביבה כגון לחות, חום או אור. SLA מיושם בעיקר לאבות-טיפוס או לבנית כלים כגון תבניות לואקום בתחום רפואת השיניים ולאביזרי שמיעה.

2.    שיחול חומר (FDM/FFF)

שיטת הדפסה זו מאוד נפוצה המתאימה במיוחד למשרד או לבית, אבל בשימוש גם בחברות ענק. בשיטה זו חוט על בסיס פולימר – filament – נדחס דרך ראש מחומם – extruder – ממנו יוצא חוט דקיק וחם אתו מציירים בדו ממד על משטח בסיס, בדומה לשימוש באקדח דבק חם. בסיום כל שכבה מוסר מעט (כעשירית המילימטר) משטח הבסיס,  וחומר נוסף מוזרק על גבי השכבה הקודמת. יתרונות שיטה זו הן בפשטות, במגוון סוגי החומרים הניתנים להדפסה, בהחלפה הקלה של חומרי הגלם ובעלותם הנמוכה. החיסרון העקרי נובע מכוחות החיבור החלשים יחסית בציר הגובה Z. בנוסף, הפרטים אינם מתקבלים ברור, ההדפסה איטית, יש צורך בהדפסת תמיכה ולא ניתן לסדר חלקים אחד מעל השני כדי למקסם את נפח ההדפסה.

טכנולוגית FDM/FFF היא כרטיס כניסה נוח לעולם ההדפסה התלת ממדית. בארץ ובעולם פעילים קבוצות ופורומים רבים של חובבים העוסקים בבניה והדפסה במדפסות מסוג זה.

3.    מגש אבקה

קטגוריה זו מכילה את השיטות "היתוך במגש אבקה" ו"הזרקת חומר מקשר". השימוש בה נעשה למבחר חומרי גלם להדפסת חלקי מתכת, פלסטיק ואפילו גבס וחול (לתבניות).

כיום, הרוב המוחלט של הפריטים ההנדסיים המיוצרים בהדפסה תלת ממדית, מיוצר על בסיס עקרון מגש האבקה. בשיטה זו מגש נע מטה על ציר אנכי Z בתוך תא סגור. על המגש מפזרים ומהדקים אבקת חומר בעזרת מגב – ריקוטר או רולר. על האבקה מציירים תמונה דו ממדית בצירי XY בעזרת מקור אנרגיה הממצק את האבקה או חומר מקשר. לאחר פעולת איחוד גרגרי האבקה על המגש – המכיל כעת אבקה ואזורי חומר מוצק -יורד המגש בשיעור עשרות מיקרון מטה לאורך ציר Z. המגב מפזר שכבה נוספת של אבקה וחוזרים על תהליך מיצוק האבקה באזורים הרצויים. בסיום ההדפסה מתקבל מיכל מלא אבקה בו 'מסתתרים' החלקים המודפסים. החלקים מופרדים מהאבקה החוזרת ברובה לשימוש חוזר. הדפסה עם חומר מקשר, מפיקה גוף פריך המכונה "ירוק" אותו יש להעביר תהליך נוסף של חימום לשם קבלת מוצר סופי.

4.    הזרקת חומר

מדפסות הזרקת החומר – Jetting – מבוססות על ראשי הדפסה, בדומה למדפסת הזרקת דיו, כדי להזריק, באופן מדויק, נוזל פוטופולימרי או דיו המכיל חלקיקי חומר מוצק, דרך מספר רב של פתחים.

שיטה זו מאפשרת שליטה טובה מאוד על הדיוק וטיב פני השטח של המוצר הסופי וכן מאפשרת הדפסה עם חומר תמיכה הניתן להסרה בקלות בסיום תהליך ההדפסה.

תחום ההדפסה התלת ממדית רחב מאוד. ניתן להרחיב, לספר ולעדכן עוד ועוד מהמתחדש בישראל ובעולם.
מצורף קישור הרשמה ל-10X3D, וניתן להירשם ולהתעדכן בניוזלטר שבועי בשפה העברית.

http://eepurl.com/656QL

להרחבה הקליקו וצפו בוובינר "חלון למפעל חכם – ייצור תוספתי"  אותו קיים המכון לייצור מתקדם בשיתוף הלשכה לטכנולוגיות המידע בישראל ומרכז המצויינות תעשייה חכמה. הוובינר עוסק בייצור תוספתי או במילים אחרות הדפסה תלת מימדית על מגוון ההיבטים הכרוכים בנושא.

 

כותב המאמר

גל רז
דירקטור פיתוח עסקי ב XJET. מומחה לתחום הייצור והתכנון בתלת ממד בעל יותר מ 25 שנות ניסיון ותק בתחום, בחברות בארץ ובעולם. עורך את 10X3D, ניוזלטר שבועי על חדשות בעולם התלת ממד בשפה העברית.
חזרה >