חדשות ואירועים

שילוב שיטות תכנון מתקדמות עם טכנולוגיות ייצור חדשניות: איך מדפסות תלת-מימד שינו את תחום העיבוד השבבי

בשנים האחרונות התפתח תחום ההדפסה התלת-ממדית (3D Printing), אשר מאפשרת לייצר מוצרים בעלי גיאומטריה מורכבת, גם כאלה שלא ניתן לייצר באמצעים מסורתיים. שילוב שיטות תכנון מתקדמות עם טכנולוגיות ייצור חדשניות, כדוגמת הדפסה תלת-מימדית, יכול להביא לשיפורים משמעותיים במוצר, שיתבטאו בביצועים משופרים ובהתאמה גבוהה יותר לדרישות השוק והלקוח.

דוגמא לחברה המיישמת בהצלחה שיטות תכנון מתקדמות עם טכנולוגיות ייצור חדשניות היא חברת ISCAR הישראלית, המתמחה בתכנון וייצור כלים לעיבוד שבבי.

לא פעם הדהימו המוצרים של ISCAR את תעשיית העיבוד השבבי. תוך שימוש ביכולות הייצור החדשניות שמציעה הדפסת תלת-מימד במתכת, פיתחו מהנדסי ISCAR כלים ייחודיים, המשלבים בין היתר אלמנטים מורכבים כמו תעלות קירור זעירות ומפותלות, שלולא התפתחות ההדפסה בתלת-מימד ייתכן והיו נשארים במגירה של המתכנן.

הדפסה תלת-ממדית של מתכת היא טכנולוגיה שמתפתחת במהירות וכובשת את מקומה כדרך חדשה לייצור מוצרים מתוחכמים ויעילים. שיטות ההדפסה בתלת-מימד במתכת הנפוצות ביותר הן Powder Bed Fusion, Metal Extrusion ו-Binder Jetting. הנה הסבר קצר על אופן הפעולה של כל אחת מהשיטות.

Powder Bed Fusion

בשיטה, הידועה גם בשם SLM (Selective Laser Meting), המדפסת פורשת שכבת דקה של אבקת מתכת, בעובי מבוקר, על פני כל משטח העבודה. בעזרת לייזר, או מספר לייזרים רבי עוצמה, העוקבים אחרי צורת החתך של המוצר, מתיכים את האבקה. ההתכה של כל שכבה יוצרת את החיבור בין שכבה לשכבה. כך חוזר התהליך, שכבה על גבי שכבה, עד להשלמת המוצר הסופי, לפי הגיאומטריה המתוכננת. יתרון בולט של שיטה זו הוא בדיוק במידות ובאיכות טיב השטח.

Metal Extrusion

שיטה זו, הידועה גם בשם FDM (Fused Deposition Modelling), היא השיטה הנפוצה ביותר והזולה ביותר. בשיטת ה-FDM, ראש הזרקה מחומם מתיך חומר צמיגי לכדי חוט דקיק ובאמצעותו הוא מצייר את הצורה שכבה אחר שכבה. יתרון שיטת הדפסה זו הוא בפשטות. מנגד, איכות ההדפסה עשויה להיות נמוכה יותר.

Binder Jetting

בשיטה זו, תהליך ההדפסה כולל פריסה של שכבה דקה של אבקה על גבי במת ההדפסה. מעל השכבה נע ראש ההזרקה המזריק טיפות של חומר מגבש במקומות שהוגדרו לכך על ידי מתכנן המודל. עם סיומה של כל שכבה, במת ההדפסה נעה כלפי מטה, מעליה מפוזרת שכבה חדשה של חומר, והתהליך חוזר על עצמו. טכנולוגיה זו היא המהירה ביותר.

איך רותמים את ההדפסה בתלת-מימד לשיפור תהליכי עיבוד שבבי

אחת השיטות לשיפור תהליכי עיבוד שבבי במתכות היא שימוש בנוזל קירור. נוזל הקירור מסייע לשפר את ביצועי הכלי, ועל כן קירור יעיל הוא מפתח לשיפור אורך חייו של הכלי והיכולת לבצע את העבודה מהר יותר.

טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית מאפשרת לייצר תעלות פנימיות בכל עומק, ללא תלות בקוטר התעלה. כמו כן, ניתן ליצור תעלות רציפות ובעלות מסלול מורכב ללא צורך באלמנטים נוספים.

בחברת ISCAR רתמו טכנולוגיה זו לטובת פיתוח כלים כדוגמת מקדח בעל ראשי קידוח מתחלפים בקטרים החל מ-4 מ"מ עם תעלות קירור מפותלות, או כרסום עבור עיבודי כתף עם שימות מתק"ש מתחלפות, כאשר לכל שפת חיתוך מכוונות מספר תעלות קירור בקוטר של כ-1 מ"מ ובעלות מסלול מורכב.

אינספור אפשרויות לשיפור המוצר

הדפסה תלת-ממדית מקנה יכולות ייצור כמעט בלתי מוגבלות, אשר מאפשרות למתכנן גמישות רבה בתכנון. כאשר מדובר בתכנון כלים לעיבוד שבבי, היתרונות הללו מסייעים למזער משמעותית הפסדי זרימה, או לייצר כלים בעלי נפח מופחת, כלומר לייצר חלקים בעלי מבנה סריגי תוך שמירה על הקשיחות הנדרשת בהתאם לייעוד החלק.

בעזרת טכנולוגית הדפסה תלת-ממדית ניתן גם לייצר חלקים בעלי גאומטריה מורכבת שאינם ניתנים לייצור בטכנולוגיות של עיבוד שבבי, כמו כן בעזרת טכנולוגיות הדפסה תלת-ממדית ניתן לייצר הרכבות ומנגנונים.

בתקופות מאתגרות, כמו בתקופת מגפת הקורונה או תקופת המלחמה שבה עובדים רבים מגויסים למילואים, ניתן להתגבר על המחסור בעובדים באמצעות הדפסה בתלת-מימד, שמאפשרת לנו לייצר חלקים בתהליך אחד במקום במספר שלבים,.

אופטימיזציה טופולוגית

ב-ISCAR, לפני ביצוע ההדפסה מבצעים הדמיה של התהליך, וזאת כדי לזהות ולתקן בעיות אפשריות לפני שמתקדמים לשלב ההדפסה. ישנה שיטת תכנון מתקדמת שנקראת אופטימיזציה טופולוגית (Topology Optimization). אופטימיזציה טופולוגית היא שיטת תכנון נומרית המאפשרת למצוא בדרך מתמטית את ההתפלגות האופטימלית של החומר בחלק המתוכנן, בהתאם לכוחות הפועלים עליו. האופטימיזציה הטופולוגית מורכבת מהסרת החומר באזורים שאינם תחת עומס, עיבוי החומר באזורים המועמסים, וחלוקה אופטימלית של מסת החומר בתוך החלק.

הרעיון של אופטימיזציה טופולוגית נולד בתחילת שנות ה-60' של המאה ה-20', אך עקב מגבלות שיטות הייצור היה קושי ביישומה בפועל. רק עם התפתחות טכנולוגיית ההדפסה בתלת-מימד, כלומר ב-10-15 שנים האחרונות, היא זוכה שוב לתשומת לב מחודשת.

אגף מחקר ופיתוח של חברת ISCAR נעזר בשיטה זו כדי לפתח כלי שיבוב יעילים יותר התואמים לדרישות קפדניות שמציבות תעשיות שונות. לדוגמה, מסת כלי להרחבת קדחים, אשר תוכנן במיוחד עבור יצרן חלקי רכב, הופחתה ב-30%, ואילו קשיחות הכלי עלתה ב-14%. נתונים אלו אומתו על ידי מחלקת אנליזות ב-ISCAR בעת תהליך הדמיית כוחות ועומסים. תעלות קירור פנימיות תוכננו ואומתו בשיטה נומרית CFD (Computational Fluid Dynamics), אך עקב הצורה מאוד מורכבת של הכלי, אשר התקבלה כתוצאה מתכנון באמצעות אופטימיזציה טופולוגית, כלי זה יוצר על ידי טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית.

אודות ISCAR

חברת ISCAR מתכננת, מייצרת ומשווקת כלים לעיבוד שבבי שהפכו לתקן תעשייתי. הכלים החדשניים הם תולדה של מחויבות מוצהרת של החברה להקדיש אמצעים רבים לפיתוח מוצרים חדשים. המחויבות מתבטאת בהקצאת כ-10% ממשאבי החברה לפעילות של מחקר ופיתוח.

חדשנות החברה אינה מתמצה בפיתוח כלים חדשים. החברה מפתחת תהליכים ושיטות ייצור שנועדו לייעל ולשכלל את התהליכים ולהקטין עלויות ייצור. כלי שיבוב ושיטות ייצור שמפתחים בחברת ISCAR הינם תוצר של שילוב טכנולוגיות חדישות ומתקדמות יחד עם היצירתיות האנושית.