העתיד (התעשייתי) הוא תלת מימדי

״יש סימנים ברורים לכך שההדפסה ב-3D, היא טכנולוגיה שעוברת במהירות מהשוליים לזרם המרכזי״, אומרים בחברת PWC. בשטח, היא מניעה קדימה את גלגלי המהפכה של ׳תעשייה 4.0׳, עונה לדרישות השוק לייצור על פי דרישה וצרכים אישיים ומשתלבת במערכי ייצור בלא מעט תעשיות, מתחום התעופה והחלל, דרך האוטומוטיב ועד לאופנה ורפואה

מי זוכר את הימים בהם מדפסות התלת מימד (3D) כיכבו בכל מדורי האלקטרוניקה הצרכנית כבשורה הבאה, כזו שתעמוד ליד המקרר, או מדפסת הנייר הביתית, ותספק לנו מגוון כלים ומוצרים ביתיים בלחיצת כפתור? נכון. הגל הזה דעך מהר מאוד ועמו נעלמו והתאדו לא מעט חברות וחלומות של יזמים צעירים. אחר כך, ומהר מאוד, הפכו מדפסות ה-3D, לאחראיות על יצירת אבות טיפוס. גם היום יש עוד לא מעט יצרנים שבונים את המודל הראשוני באמצעות מדפסת 3D ואז עוברים ל״ייצור האמיתי״. את הטכנולוגיה אי אפשר לעצור, ובשנים הקרובות נראה יותר ויותר מדפסות 3D בלב הפועם של מערכי ייצור בלא מעט תעשיות, מתחום התעופה והחלל, דרך האוטומוטיב ועד לאופנה ורפואה. הייצור כפי שאנו מכירים אותו כיום משתנה תוך כדי קריאת המאמר הנוכחי.

השינוי לא קרה בן לילה וההבשלה נמשכה זמן רב, אבל, הולך וקרב היום בו מהירויות הדפסה, טכנולוגיות הדפסה וחומרים חדשים, יסתנכרנו ויחד ידחפו את התעשייה קדימה וגבוה. בשטח, כך נראה, יש כבר את ניצני המהפיכה. דוגמאות? בבקשה: בברלינגטון שבמסצ׳וסטס, ארה״ב, שם שוכנת חברת Desktop Metal, וברחובות, ישראל, שם שוכנת חברת XJet הישראלית. שתיהן עוסקות בתחום ההדפסה של חלקי מתכת (ובמקרה של החברה הישראלית גם חומרים קרמיים), שתיהן גייסו הרבה מאוד כסף ממשקיעי על ושתיהן מדגימות היטב את השלב בו התחום נמצא. הן פועלות בטווח שבין המדפסות השולחניות שמחממות פולימרים ומייצרות אביזרי מטבח, לבין חברות דוגמת GE שמדפיסות חלקי מכונות לשימוש סופי במדפסות ענק ומדגימות את הכיוון אליו השוק הולך.

דרור דנאי, משנה למנכ”ל חברת XJet, ממחיש היטב את ההתקדמות שחלה בשנים האחרונות עם אחת מחברות הרכב המובילות בעולם: GE מפעילה כיום רשת של 600 מהנדסים העוסקים בתחום טכנולוגיית ה-3D. על פי הערכות החברה, כיום לכעשרה אחוזים ממוצריה יש ׳נגיעה׳ בהדפסת תלת מימד ועד סוף 2020 המספר יגדל למעל מ-50 אחוז. בחברת הרכב פורד, מייצרים כיום בטכנולוגית תלת מימד את אבות הטיפוס של כמה ממכלולי הרכב – כולל ייצור כמה מראשי הצילינדרים – אביזרים מורכבים שקשה ביותר לייצר להם תבניות ליציקה. לדברי פורד, מדובר במהלך שחסך להם חודשים של עבודה בכח אדם יקר. קבוצת הרכב BMW משתמשת בטכנולוגיה באינספור תחומים, החל ככלי ארגונומי בהליכי ההרכבה של המכוניות, המגן על עובדים מפני מאמץ של מפרקי האגודלים, ועד חלקי משאבות מים במכוניות המרוץ היוקרתיות DTM  הכוללים חלקי אלומיניום.

דנאי מעריך כי אחת הבשורות החשובות ביותר בתחום הדפסת ה-3D, זו שאפשרה לכניסתה לזירת הייצור להיות מהפכה ׳אמתית׳, היא האפשרות להדפיס במתכות. ״עם הכניסה לעידן ההדפסה במתכות נחשף שוק הייצור כולו לפוטנציאל העצום שלה. חלקי מתכת שבעבר דרשו הרכבה של מספר רב של חלקים, או יצירת תבנית מורכבת, יכולים כעת להיות מודפסים ישירות בהתערבות אנוש מינימאלית ובדיוק מקסימאלי. ככל שהטכנולוגיות השונות להדפסת 3D הולכות ומתפתחות, ימצאו לה יותר ויותר שימושים בתעשיית הייצור״.

המחיר צנח

״בשנים הראשונות של הדפסת ה-3D, הטכנולוגיה היתה איטית מדי ויקרה מדי ושימשה בעיקר לייצור אבות טיפוס״, אומר גיא אנגל, מנכ״ל חברת קליבר, מקבוצת גסטטנרטק, מהחברות הראשונות בישראל שנכנסו לתחום. ״כיום, התמונה שונה: התעשייה עוברת להדפסות בווליום גבוה ולייצור סדרתי. מדפסות במחיר זמין ועם יכולות שלא הכרנו עד לפני מספר שנים, מספקות כיום את צרכיהן של חברות בתחומי הצבא והביטחון, רפואה, הנדסה ואדריכלות. גם היצרנים הסקפטיים ביותר הבינו שהרוח שינתה כיוון. אם כיום חברה אחת מייצרת מנועים במיקום א׳ וחברה שנייה מייצרת מכשירים רפואיים במיקום ב׳. תוך מספר שנים, יצרנים יוכלו לבנות את שני המוצרים באותו מיקום ולהתאימו במדוייק לצרכי משתמשי הקצה בשוק ספציפי. כך ניתן יהיה לייצר במקום ולהרכיב במקום ואפשר רק לדמיין מה יקרה ללא מעט תחומי שינוע סחורות כשזה יקרה…״.

לדברי אנגל, ההדפסה ב-3D היא אחת הטכנולוגיות הדיגיטליות שבעצם משנה ומכוונת את המהפיכה. ״מדובר בטכנולוגיה ׳טהורה׳ שכן היא מתרחקת מהקונספט של שיטת עבודה הנסמכת על כח אדם בה השתמשו ב-200 שנים האחרונות ולמעשה מעבירה את התפקיד ללחיצה על כפתור שמעבירה קובץ ממוחשב למדפסות שיכולות בעצם להימצא בכל מקום שהוא בעולם. האלמנט ה׳משבש׳ בהדפסת 3D מעבר למדפסות שיש להן תפקיד חשוב כאן, הוא ההמרה של הקובץ הדיגיטלי לסחורה ממשית, למוצר עובר לסוחר. הקובץ מייצג את המוצר הסופי. הגעתה של מדפסת התלת מימד לזירה משמעותה היא בעצם סוף עידן האחסון והייצור על פי הזמנה, כאשר המוצרים של פעם שתפסו המון מקום במחסנים הומרו לקבצים דיגיטליים שיושבים בענן וניתן לגשת אליהם רק כשצריך ולהחזירם לצורתם הגשמית, באמצעות ההדפסה. הנתון הזה משנה את מודל ההפצה שכן כבר לא צריך מרכז הפצה אחד גדול ואת הייצור ניתן לבצע בשטח, קרוב מאוד ללקוח הסופי״

בתעשיות בהן לטכנולוגיית הדפסת ה-3D יש דריסת רגל, קל לזהות שהשינוי הוא לא רק בדרך בה ״מייצרים״. העסק עמוק בהרבה. כאשר מייצרים חלקי מטוס בהדפסת 3D, ניתן להוריד דרמטית במשקל החלק, לצמצם משמעותית את מספר החלקים הנדרשים ליצירת מוצר שלם ומאפשרים למעצבי המוצר ׳להתפרע׳ בשלב העיצוב עם צורות יותר אפקטיביות ויעילות שלא ניתן לייצר בשיטות הייצור המסורתיות ובהחלט אפשר גם לחסוך בעלויות ובזמן הייצור עצמו.

קפיצה במספר החברות

במחקר שוק שערכה חברת Jabil, שמתמחה בפתרונות ייצור חדשניים, התברר כי מספר החברות שעושות שימוש בהדפסת 3D לייצור חלקים עלה מ-27 אחוז ל-52 אחוז בין שנת 2017 ל-2018. התעשייה עצמה מוערכת כיום בהיקף של 9.3 מיליארד דולר, אבל כל התחזיות מדברות על סכום שיהיה קרוב ל-56 מיליארד דולר עד שנת 2027. בסקירה מהירה, נראה שיש לא מעט יצרניות של גשרים, תחבורה, רכב וציוד כבד, שהפכו בשנתיים האחרונות למשתמשים הפעילים יותר של הטכנולוגיות החדשות בתחום. הסיבה? כאשר יצרנית מכוניות רוצה להדפיס 100 חלקי מכונית לניסויים, קל מאוד לעשות זאת (וזול בהרבה) באמצעות הדפסת 3D. השימוש במדפסות תלת מימד מתאים כיום, כך נראה, להרצת הפקות בנפחים קטנים עד בינוניים. כמובן שחשוב לזכור כי הדפסת חלק ״על פי דרישה״, באמצעות מדפסת 3D מאפשרת ליצרנים להדפיס רק כמה חלקים שבאמת צריך במקום לרוץ כעת למחסן ולחפש אותם שם על המדף. ייצור על פי דרישה יסייע לחברות לצמצם משמעותית שטחי אחסון וכמובן עלויות שינוע. בתעשיית הרכב, לדוגמה, מלאי חלפים למכוניות יוכל להצטמצם בעד 90 אחוז – על פי סקר שערכו חוקרי MIT. ובכלל, אומרים החוקרים, להדפסת ה- 3D תהיה השפעה מרחיקת לכת בכל מה שקשור בשרשרת האספקה. ״יצרני מכוניות מחוייבים לשמור חלפים למכוניות שיצאו לפני 7-10 שנים וזה דורש לא מעט מקום אחסון… ומה קורה אם חלק אחד אזל? מה אז? הפתרון מצא בתחום המתפתח של ההדפסה ב-3D״, אומרים החוקרים

חברת CASTOR הישראלית, שעלתה על הגל, פיתחה מערכת תומכת החלטה לזיהוי האם ייצור בתלת מימד כדאי ועדיף על פני ייצור מסורתי. המערכת של החברה יודעת לנתח הרכבה שלמה שאותה היצרן מעוניין לייצר ולספק דוח ברמת החלק הבודד – האם הוא ניתן לייצור בהדפסה ב-3D וכן ממליצה על הטכנולוגיה המתאימה ביותר. בנוסף, היא מספקת ניתוח פיננסי המעריך את עלויות ההדפסה ב-3D לעומת הייצור המסורתי, ואף מפנה ללשכת שירות קרובה שיכולה לבצע את ההדפסה ולספק את החלקים. בחברת הענק בלאק אנד דקר, שם יושמה הטכנולוגיה לא מכבר, בעבר, מהנדסי החברה נרתעו בעבר משימוש בהדפסה בתלת מימד, מכיוון שלא היו להם הכלים והידע לבצע ניתוח טכני של התאמת החלק המתוכנן לייצור בשיטה מסורתית. בנוסף הם התקשו להעריך כלכלית את כדאיות ההדפסה למול שיטות הייצור המסורתיות. התוכנה של CASOTR  ערכה בדיקה מקיפה לכל החלקים הפוטנציאליים וזיהתה את המועמדים להדפסה. התוכנה הפיקה דוח מפורט עם המלצה לטכנולוגית ההדפסה, סוג החומר וסוג המדפסת האופטימליים ולסיום, חישבה את עלות הייצור הצפויה של החלק. התוכנה אף ביצעה ניתוח פיננסי אשר תוצאותיו הראו כי מעבר לייצור בהדפסה ב-3D יוביל לחיסכון של כ-50% מעלויות הייצור של החלק. זאת ועוד, זמן הייצור המקורי עבור החלקים היה שמונה שבועות, בעוד שבשימוש בהדפסה בתלת מימד החלקים המודפסים היו מוכנים לשימוש במפעל תוך תשעה ימים בלבד. המשמעות היתה חיסכון של מאות אלפי דולרים בשנה..

ההשקעות יניבו תשואה

דוח מקיף שלPWC Global מצביע על כך ש״חברות המטמיעות בהצלחה תעשייה 4.0 אינן צריכות יותר לבחור בין מיקוד בשורה עליונה טובה יותר (הכנסות), או בשורה תחתונה טובה יותר (רווחים), מכיוון שהן יכולות לשפר את השתיים באותו זמן״. יותר מחצי מהמשיבים בסקר של החברה צופים כי השקעותיהם בתעשייה 4.0 יניבו תשואה תוך שנתיים או פחות. אפילו אם חצי מציפיות אלה יתגשמו, אומרים אנשי PWC, לתעשייה 4.0 יש הפוטנציאל לעצב מחדש את הנוף התחרותי ולהביא שינוי מהותי לתעשיות ייצור מבוססות.

החברה, שיצאה לבחון את ההיערכות של 100 חברות תעשייתיות יצרניות, לעידן החדש, גילתה כי בשני שליש מהחברות מתבצעים ביום מהלכים להטמעת טכנולוגיית הדפסה ב-3D בעסק. ״יש סימנים ברורים לכך שמדובר בטכנולוגיה שעוברת במהירות מהשוליים לזרם המרכזי״, אומרים בחברה. על פי הבדיקה שערכו בשטח, חברות המשקיעות בחומרת 3D ובאנשים שיידעו להפעיל אותה, מגלות שקצב השקת המוצרים החדשים עלה אצלן וכי יש יתרון תחרותי גדול ביצירה של מה שנקרא ׳הרצות קצרות׳ (היכולת להפיק מספר מצומצם של מוצרים בהתאמה אישית).

הדפסת 3D היא ללא ספק רכיב מרכזי שמניע קדימה את מהפיכת ה״תעשייה 4.0״ הדיגיטלית. ״זו מהפיכה אמיתית״, אומר זיו שדה, זיו שדה מחברת SU-PAD, הפעילה בתחומים מקצועיים ייחודיים, דוגמת הלחמה אולטראסונית, הלחמה בלייזר וההדפסה התלת מימדית. ״תעשייה 4.0״, היא בהחלט לא ׳באז שיווקי׳, כפי שאני שומע מלא מעט אנשים, אבל, ארגונים שקצת חקרו לעומק את העקרונות שעומדים מאחורי התפיסה של ׳מפעל חכם׳ רואים במגמה הזו הזדמנות להגדיל משמעותית את ההכנסות שלהם ובמקביל להפחית את עלויות התפעול שלהם״.

ומילה על ״תעשייה 4.0״: על פי חברת האנליסטים דלויט, המונח מתאר את השלב המרכזי הרביעי בהתקדמות הייצור לאורך ההיסטוריה. שלב 1 התבסס על קיטור והמכונות הראשונות שמיכנו חלק מהעבודה אותה ביצעו אבותינו באופן ידני. שלב 2 כלל חשמל, קווי ייצור ותחילת ייצור המוני. שלב 3 כלל את התקדמות המחשבים ותחילת האוטומציה, כאשר רובוטים ומכונות החלו להחליף עובדים אנושיים בקווי ייצור.

כשיבוש המשמעותי הבא בתעשייה, תעשייה 4.0 מביאה עימה את מה שבדרך כלל ידוע כ׳מפעל חכם׳, במסגרתו מערכות משולבות סייבר-פיזיות (כן, גם מדפסות 3D בקטגוריה), משתתפות בתהליכים הפיזיים של המפעל, ומערכות תומכות אחרות מקבלות החלטות מבוזרות. מערכות פיזיות מוטמעות דוגמת ”האינטרנט התעשייתי של דברים” מתקשרות ומשתפות פעולה בזמן אמת, גם ביניהן וגם עם בני אדם. ״המשולש הקדוש: מהירות הדפסה, טכנולוגיות הדפסה חדשניות במיוחד וחומרי הדפסה חדשים, ש׳התיישר׳ על קו אחד, יכול בהחלט לדחוף את כל התעשייה קדימה״, אומר שדה. ״כבר כיום ניתן לקבל מוצרי קצה קלים, מורכבים וחזקים במיוחד שבעבר לא ניתן היה לייצר כמותם ובמספר תעשיות, דוגמת הרכב, התעופה והחלל והרפואה, כבר מתחילים לחשוב ברצינות על הצעדים הבאים. אם מוסיפים ל׳חבילה׳ את כוח המחשוב, הכמעט אינסופי בענן, את קישוריות ה-IoT, את הביג דאטה ואת הקובוטים (רובוטים שיתופיים) עמוסי החיישנים, ברור שאנו בפתחו של עידן חדש״.

“אם בוחנים את האתגרים שעומדים בפני יצרנים מעוניינים להטמיע טכנולוגיות תלת מימד בתהליכי ייצור, נראה שהאתגר הכי גדול שיעמוד בפניהם יהיה ליצור תהליך אוטומטי משלב תכנון המוצר, דרך ההדפסה ועד גימור סופי של החלקים”, אומר גיל לביא, מנכ”ל חברת 3D Alliances המסייעת לסטארטאפים בתחום התלת מימד להרחיב את פעילותן העסקית. “האתגר הראשון יהיה למצוא פתרונות תוכנה מתאימים לשלב תכנון המוצר באופן אופטימלי ולניהול כמות גדולה של חלקים הנדרשים להדפסה. החלק השני יהיה לשלב טכנולוגיות הדפסה שיעמדו בסטנדרטים של ייצור כמו מהירות, דיוק, חזרתיות ומגוון מתאים של חומרי הדפסה. החלק האחרון, יהיה למצוא פתרונות לגימור אוטומטי של חלקים שיכללו הסרת חומרי תמיכה, החלקת פני שטח וצביעת החלקים. כל הפתרונות האלו בסופו של דבר אמורים לייצר תהליך שמאפשר ייצור של מוצרים סופיים בתלת מימד.

המעבר לייצור אינו פשוט ודורש זמן, מכיוון שאחד הדברים שיאפשרו יישום מוצלח יהיה לרכוש את הידע המתאים על מנת להצליח בתהליך ההטמעה. היום הרבה חברות שהחזון שלהם הוא למצוא מוצרים לייצור בתלת מימד אינן יודעות בדיוק כיצד לעשות זאת וחסר להן את הידע המתאים. זה גם אתגר שיהיה עליהן להתמודד אתו”.

בחזונו של אנגל מקליבר, הוא צופה גרסה ׳היברידית׳ של מערך ייצור, שכולל מפעלים גדולים ומספר גדול של ׳חוות הדפסה ב-3D׳ בפריסה גיאוגרפית רחבה, שיכולות לשבת בתוך או בצמוד למרכזי תמיכה והפצה. התהליך כולו של הייצור יהיה פשוט ולא מורכב והוא יאפשר לכל אחד להדפיס לעצמו מוצרים וחלקים מוכנים לשימוש מיידי. ״בהרבה מקומות מדברים איתי על ׳התאמה אישית׳ של מוצרים. אנשים רוצים כיום מוצרים שנוצרו במיוחד עבורם ומותאמים להם אישית על פי טעמם והעדפותיהם. וזה בהחלט אפשרי כיום במדפסות הקיימות. למעצבים ניתנים חופש פעולה ויצירה ויכולת להגיב מהר לדרישת הקהל. אין צורך בייצור המוני של חפצים זהים ואפשר בהחלט להדפיס מעט״.

גישת המוצר האחד המתאים לכולם והמוצרים היורדים במאות אלפיהם מפסי הייצור במזרח אסיה כבר לא מושכת את הצרכנים. היצרנים כבר החלו לפתח את הרגישות הזאת לצורך של הצרכן במוצר מותאם אישית, וכבר היום אנחנו רואים את התמורה בכל תחומי הייצור. החל מנעליים הניתנות לעיצוב אישי, דרך הדפסת מדרסים ושתלים קטנים. בחלק מהמקרים מאחורי המוצרים הללו עומדת מדפסת 3D לא יקרה במיוחד. השילוב של הליכי ייצור יעילים, מהירים ומותאמים אישית שמספקת טכנולוגית 3D וכוחות מחשוב חזקים וזמינים מאפשרים ליצרנים לייצר מוצרים שהולכים ומתאימים את עצמם לתפקיד שעליהם לבצע. בחסות טכנולוגיית תלת המימד והתקשורת האלחוטית – האפשרויות הן אינסופיות.