להדפיס בתלת-מימד עם ניילון משוריין בסיבי פחמן בריכוז של 35%

הדגמים החדשים של מדפסות התלת-מימד וחומרי ההדפסה החדשים, החכמים ומרובי התכונות, מאפשרים כיום להדפיס מוצרים ברמת איכות גבוהה. כך הופכות המדפסות, שרק לפני שנים ספורות היו מיועדות להדפסה סתמית של דגמים, למכונות ייצור של ממש, המייצרות מוצרי איכות, שקשה לייצרם בייצור מסורתי או שייצורם מחייב השקעה גדולה של זמן ומשאבים.

מכונות הדפסה בתלת-מימד תמונת מצב עדכנית
לפני כ-20 שנה, היו בעולם יצרנים בודדים של מדפסות תלת-מימד, עם היקף מכירות של כמה אלפי יחידות בשנה והיקף כספי שנתי ש

ל כמה עשרות מיליוני דולר. המדפסות עצמן היו איטיות, מגושמות וגדולות בממדיהן, והדפיסו בעיקר דגמים קטנים עד זעירים של מוצרים, שנועדו להיבחן לפני ייצורם הרציף. מחירה של כל מדפסת היה כמה עשרות אלפי דולר, והחומרים מהם יוצרו הדגמים/מוצרים היו בעיקר פוטופולימרים (פולימרים המתפלמרים באור) דלי תפקוד ואיכות, שלא ניבאו במדויק את ההתנהגות של “חומרי האמת” מהם יוצרו המוצרים.
כיום כולל שוק זה כמה עשרות יצרנים, המייצרים מדפסות תלת-מימד מדויקות ומהירות יחסית, בהיקף עולמי העומד על כ-4 מיליארד דולר לשנה והאמור להגיע תוך מספר שנים ל-12 מיליארד דולר. קצב צמיחה זה מצביע על מגמה גוברת של שימוש אינטנסיבי במדפסות לפיתוח וייצור של מוצרים תעשייתיים, הנדסיים, מדעיים ורפואיים, לא מעט בזכות האיכות והדיוק של המוצרים המתקבלים, פשטות הפעלתן של המדפסות ומחירן ההגיוני, המבטיח יחס גבוה של עלות-תועלת.
למשל, מחירה של מדפסת מקצועית ברמה התחלתית (Entry Level) שאינה מחייבת ניסיון קודם, היכולה לשמש כמדפסת תעשייתית לכל דבר, מתחיל בכ-15,000 דולר בלבד, רחוק מאוד-מאוד ממחירה של כרסומת CNC, למשל, והיא יכולה לייצר כמעט כל מה שאתם מבקשים מבלי להעסיק את המכונות בבית המלאכה שלכם או של קבלן המשנה שלכם. היא מייצרת את המוצרים מחומרים איכותיים, שחלקם הגדול יכול לעמוד בהצלחה בדרישות האיכות המחמירות של כל התקנים המוכרים והנדרשים בעולם.
הדגמים המשופרים והחדישים של המדפסות יכולים להעניק לכם כיום פתרונות לייצור מוצרים ייחודיים, שקשה לייצרם בתהליכים מסורתיים, וזאת בלוח זמנים קצרצר, וניתן אף לייצרם מפולימרים הנדסיים ומרוכבים כמו ULTEM, ניילון, פוליקרבונט ועוד, המקבילים בחוזקם לחוזקן של מתכות.

פיתוח וחדשנות בזמן אמיתי
חשוב לציין, שפיתוח המכונות החדשות, שדרוגן של הקיימות וגיוון החומרים לשימוש בכל המכונות נעשים לפי דרישות השוק לפלחיו (ראו להלן).

חידושי 2017 במדפסות תלת-מימד ובחומרים להדפסתם
להלן אביא מספר דוגמאות לחידושים שפותחו בתחומי המדפסות וחומרי ההדפסה, ואשר הושקו בעולם בשבועות האחרונים ממש, כולל חומרי-גלם פולימריים לשימושים מאומצים (Heavy Duty), המקובלים בתעשיית הפלסטיקה וזמינים מעתה גם לשימוש במדפסות תלת-מימד.

סדרת מדפסות משרדיות מקצועיות- קיימות מדפסות המוגדרות כ”משרדיות”, אך ביצועיהן ההנדסיים גבוהים והן בהחלט יכולות להיחשב כתעשייתיות ומסיביות יחסית למקובל. הן מדויקות יותר ומהירות ב-25% מקודמותיהן. הן יכולות להדפיס מוצרים מכל הסוגים, כולל בצבעים שונים – מדגמים ועד מוצרי Heavy Duty. הן עובדות בטכנולוגיית FDM, ובזכות התוכנה האינטואיטיבית המותקנת בהן אין צורך שהמפעיל שלהן יהיה בעל רקע או ניסיון מקצועי בתחום ההדפסה התלת-ממדית. הסדרה כוללת שלושה דגמי מדפסות:
להדפסת מוצרים בגודל 254X254X254 מ”מ;
להדפסת מוצרים בגודל 305X254X305 מ”מ;
להדפסת מוצרים בגודל 355X254X355 מ”מ.
עובי שכבות הריבוד שהמדפסות יוצרות הוא 0.127 עד 0.33 מ”מ. בדגמים מסויימים ניתן לייצר מוצרים מ-ASA, מ-ABS (חומרים הנדסיים) ומ-PLA (ביופולימר), ובדגמים אחרים ניתן לייצר אותם גם מתערובות של PC/ABS.
המדפסות מייצרות מוצרים בדרגות שונות של איכות: למדפסת יש מודול מיוחד, DRAFT MODE, אשר מאפשר לייצר מוצרים, המיועדים רק לבדיקות היתכנות של דגמים בפיתוח תוך שימוש ב-PLA, שעלותו מופחתת משמעותית, וכך לחסוך בכסף. מצד שני, כדי לקבל מוצרים חזקים ובעלי עמידות גבוהה יכולות המדפסות להדפיס מוצרים מחומרים הנדסיים בעלי ביצועים גבוהים כמו ASA, ABS או תערובות של PC/ABS. המעבר בין חומר לחומר מהיר מאוד (נמשך פחות מדקה).

חומרי בנייה אלסטומריים – קיימת משפחה חדשה של חומרים אלסטומריים (גמישים) המדמים חומרי גומי, שהושקה לאחרונה לצורך ייצור מהיר ואיכותי במיוחד של דגמים ואבי-טיפוס. היא כוללת חומר שקוף וחומר שחור, שניהם בדרגת קושי 30 Shore A, שניתן לייצר באמצעותם מוצרים מדויקים, מפורטים ונאמנים למציאות ולבחון אותם בנוחות ובחופשיות. בכך הרחיבה החברה משמעותית את טווח דרגות הקושי של החומרים המיועדים לייצור דגמים/מוצרים תלת-ממדיים, מ-30 Shore A עד 95 Shore A. יתרה מזו, ניתן לשלב את שני החומרים, השקוף והשחור, עם חומרים נוספים כדי ליצור קשת רחבה יותר של חומרים בעלי ערכי קושי וגוונים רבים.
מה שמאפיין וגם מעניין בחומרים החדשים הקיימים בשוק, שבזכות התנהגותם הדומה לזו של חומרי הגומי לסוגיהם הם מקנים לדגמים/מוצרים התלת-ממדיים עמידות גבוהה לקריעה ולהתארכות בשבירה. הם נעימים למגע וקלים לשימוש והם מתאימים במיוחד לבדיקת חלקים עדינים, החשופים לכיפופים רבים, כולל חלקי גומי או חלקים הכוללים רכיבי גומי, חלקים בעלי מגע רך ובעלי מרקם מונע החלקה, ובין היתר ידיות, צירים, תפסנים, אטמים, צינורות גומי, נעלי גומי, ביגוד, מסכות ועוד.

חומר הדפסה מניילון המשוריין בסיבי פחמן – זהו חומר מרוכב חדש (פותח במרץ האחרון), אשר מבוסס על ניילון 12 המשוריין בסיבי פחמן בריכוז של 35%. הניילון מתאפיין בחוזק מכני גבוה ובעמידות כימית. סיבי השריון שבתוכו מקנים לו מודול גבוה, חוזק גבוה למתיחה ומוליכות חשמלית. הודות לכך, החומר מתאפיין ביחס גבוה בין קשיחות למשקל והוא מתאים לשמש כתחליף לרכיבי מתכת במגוון של יישומים, מדיגום ועד ייצור מוצרים של ממש.
התכונות המכניות הגבוהות של החומר החדש מאפשרות להדפיס ממנו גם מוצרים מיוחדים, הדורשים קושי וחוזק ברמה של מתכת, כמו מקבעים (JIGS), כלים ומוצרים קלים וקשיחים שונים, המיוצרים בדרך כלל ממתכת ובכמויות קטנות, ונדרש מהם חוזק גבוה. חומר חדש זה עומד בדרישות החלות על בדיקות התפקוד הפונקציונלי של פיתוחים ומוצרים בתעשיות הרכב, התעופה, מוצרי הספורט והפנאי ומוצרי תעשייה.
החומר מותאם לשימוש במדפסות תלת-מימד, העובדות בטכנולוגיית FDM (לאחר שדרוג). המדפסות הללו מייצרות מחומר זה מוצרים עם שכבות בעובי 0.254 מ”מ.

מדפסת תלת-מימד –
מי נזקק לה?
עד כאן הבאתי את עיקרי החידושים, ולהלן אציג את קבוצות המשתמשים הפוטנציאליים, שמדפסת תלת-מימד יכולה להקל, לזרז ולייעל את עבודתם:
אדריכלים – המבקשים להציג דגם של מבנה מורכב ומסוגנן מעֵבר לתדפיסי ההדמיה והמצגות המאוירות, בהם הם משתמשים כיום, וכך להמחיש ללקוח את ייחודו של המבנה, רהיטיו או האלמנטים העיצוביים שיקשטו אותו. הם גם יכולים לייצר באמצעות המדפסת מבנה שלם או שכונה שלמה, שעוצבה במראה מיוחד;
מפתחי ומעצבי מוצרים – היכולים לייצר בהדפסה תלת-ממדית דגמים או סדרות ראשונות של מוצרים שהם פיתחו ועיצבו, וגם את הכלים התומכים בתהליך הייצור. אם המוצר כולל חלקים נעים או שצריך להרכיב ולפרק אותו, חלקיו של הדגם אומנם ינועו, יפורקו ויורכבו בדגם כמו במציאות;
יצרני מוצרי הזרקה מפלסטיקה – לבד מהאפשרות להציג דגם אמיתי של מוצר, נהנים יצרני הפלסטיקה בהזרקה מיתרון מיוחד בשלבי הייצור הניסיוני של הדגמים או ייצור הסדרות הראשונות: הם יכולים לקבל מהלקוח או המתכנן דגם של המוצר בצורה של קובץ ממוחשב ועל פיו לתכנן ולהדפיס בתלת-מימד תבנית המתאימה לשימוש רגיל על גבי מכונת ההזרקה. בדרך זו הם יכולים לקבל חלקים מוזרקים בתבנית, העשויים מחומר הגלם האמיתי המיועד למוצר ובטכנולוגיית הייצור האמיתית. חלקים אלו ידַמו בקירוב מרבי את החלקים שיתקבלו בייצור הסדרתי מתבנית הזרקה אמיתית (ממתכת), וגם יאפשרו שימוש בחומרי גלם שאינם זמינים בהדפסת תלת-מימד.
חשוב לציין, שתבנית פלדה ממוצעת בגודל בינוני עולה עשרות אלפי דולר; ייצור תבנית זהה במדפסת תלת-מימד עולה כמה מאות או אלפי שקלים;
מהנדסי אחזקה בכלל התעשייה – אחת האגדות השגורות בשוק מדפסות התלת-מימד מספרת על יצרנית מוצרי תעופה, שרכשה כמה עשרות מדפסות למחלקותיה השונות, ובניגוד למקובל לא הזמינה שירות אצל יצרנית המדפסות. כשבדקו אנשי השירות איך זה קורה, הם נענו: “כשחלק מתקלקל או נשחק באחת המדפסות, אנחנו מדפיסים אותו לעצמנו…”. ואומנם, אנשי אחזקה בעולם כולו מדפיסים לעצמם חלקי חילוף שהתקלקלו במכונות הייצור במפעלם, בין אם הדגמים התיישנו ויצאו מהשוק ובין אם הם נדרשים לשלם עבור החלפים מחירים גבוהים מדי לטעמם או שהם מבקשים לקצר את זמן ההדממה של המכונה ולא להמתין לחלק החסר, שלפעמים צריך להגיע מקצהו האחר של העולם. מדובר בכפתורי הפעלה, ידיות למצערות, חלקים נעים במערכות ההינע, רצועות תזמון (“טיימר”), גלגלי שיניים, טבעות בידוד, יחידות קצה של רובוטים, תפסניות למיניהן וכן הלאה – מוצרים כמעט ללא הגבלה;
מהנדסי פיתוח של מכונות וקווי ייצור – לקבוצה זו שייכות מחלקות הנדסה ופיתוח של מערכות ייצור, הן פנים-מפעליות והן חוץ-מפעליות, המקבלות הזמנות מהמפעל-היצרן או ממחלקת הייצור לבנייה או שיפור של מכונה בודדת או של קווי ייצור שלמים. במחלקות אלה נזקקים לעיתים למוצרים משלימים וחלקי מכונות, כגון תפסניות (EOAT) או מניפולדים לזרימת אוויר, שבעבר חייב ייצורם אלתורים, שלא תמיד צלחו. מדפסת תלת-מימד מאפשרת להדפיס-לייצר את המוצר האמיתי מכל חומר מתאים וגם לערוך בו שינויים בהתאם לצורך – וללא שום אלתור. יתרה מזו, ייצור החלקים הללו בהדפסה תלת-ממדית פשוט ומהיר הרבה יותר מייצורם בעיבוד שבבי.
יתרה מזו: כדי לייצר ולהפעיל קו ייצור אחד נזקקים לעיתים המתכננים לפריט יחיד או למספר קטן של פריטים המתַפקדים בתוכו, שלייצורם נדרשו בעבר חודשי תכנון וייצור ארוכים בסדנאות המפעל או אצל קבלני משנה; בעזרת מדפסות התלת-מימד הם פותרים את הבעיה תוך ימים בודדים;
רפואה – מתכננים ויצרנים של מפרקים וחלקי עצמות בגוף האדם – מדפסות התלת-מימד החליפו עד היום חלקי גוף פגומים של עשרות אלפי אנשים ברחבי העולם. ניתן לבצע הדמיה של חלק פגום בגוף (כתוצאה ממחלה או שבר קשה, למשל), להדפיסו על פי קובץ ההדמיה ולשתול אותו במקום הפגום. עד היום הוחלפו בדרך זו חלקי עצמות גפיים ושלד, מִפְרָקים, לסתות, צלעות ואף איברים פנימיים. טכנולוגיית ההדמיה והייצור של חלקי גוף היא מהמתקדמות והנחשוניות ביותר בעולם ההדפסה התלת-ממדית והיא חוצה גבולות והופכת את הרפואה האורתופדית ממדע בדיוני למדע מעשי. כל החומרים להדפסה של שתלים מאושרים למגע עם גוף האדם;
תעשיית התעופה והחלל – כמו בתעשיית הרפואה, גם תעשיית החלל מתמודדת עם מוצרים בעלי תכן ייחודי ומורכב, שהיה בעבר בלתי אפשרי כמעט ליישום, וכיום הוא ניתן ליישום רק בהדפסה תלת-ממדית, תוך עמידה בדרישות המוצגות למוצר בתחומי הפונקציונליות, הארגונומיה והיחס בין משקל לחוזק.
יתרה מזו, רבים מהמוצרים בתעשייה זו מיוצרים בסדרות קטנות של בין עשרות או מאות פריטים לאלפים בודדים ולעיתים אף נדרש לייצר פריט אחד בלבד – למשל, עבור מעבורת חלל, דבר שהיה מייקר מאוד את העלות לפריט. לעומת זאת, כאשר משתמשים במדפסת תלת-מימד, הדיוק והאיכות ניתנים לשליטה וניתן לייצר את המוצרים בעלות כלכלית הגיונית, שלא הייתה אפשרית בעבר.

בקלות, בפשטות, באיכות גבוהה ובעלות נמוכה
לאור כל האמור לעיל ברור לנו, שכאנשי שירותים, תעשייה, מדע ואקדמיה אנו מצויים כיום בפתחו של עידן חדש, שבו ניתן לייצר במדפסת תל-ממדית לא רק דגמים ומוצרים להמחשה ולבדיקה בבחינת “ראה, בחן, נסה וזרוק”, אלא גם מוצרים של ממש בסדרות קטנות, כולל “סדרה 1”, שיתַפקדו בהצלחה כרכיבים במכלול, בלי להעסיק כרסומות CNC יקרות, מכונות ארוזיה משוכללות, מכונות הזרקה עם תבניות יקרות ומחלקות הרכבה לחיבור החלקים לכדי יחידה אחת – והכול כדי לייצר אפילו מוצר אחד ויחיד, לו אנו נזקקים. מדפסת התלת-מימד תבצע כל זאת ביתר קלות ופשטות, באיכות גבוהה ובעלות נמוכה.

המחבר הוא סמנכ”ל לשיווק ומנהל תחום מדפסות תלת-מימד בחברת “סו-פאד”, המייצגת בישראל בין היתר את STRATASYS, יצרנית בינלאומית של מערכות הדפסה תלת-ממדיות. המעוניינים במידע נוסף על הנאמר במאמר מוזמנים לפנו ישירות למחבר.