מאז ומעולם היה תחום המטלורגיה אחד מהכוחות המניעים המרכזיים במגמות חדשנות טכנולוגית. פתרונות ייצור מתקדמים מאפשרים לפתח תשתיות מתקדמות יותר, להרחיב את טווח השימושים של רכיבי מתכת קיימים ואף לפתח חומרים חדשים, עמידים, קלים ויעילים יותר. עם זאת, ככל שהדרישות לדיוק ותהליכי ייצור גוברים, לצד המודעות המתעצמת והולכת לאתגרים הסביבתיים שהתעשייה טומנת בחובה, כך פרקטיקות עיבוד המתכות המסורתיות ניצבות בפני אתגרים מורכבים יותר. בשנים האחרונות, מציעות טכנולוגיות הדפסת תלת הממד מענה חשוב מאין כמותו לאתגרים אלו. סדרת המדפסות החדשנית RenAM 500 של Renishaw מעמידה כיום לרשות יצרנים ממגוון תחומים יתרונות בולטים ומשני מציאות שיגדירו את רף היעילות וטווח האפשרויות של יצרניות המתכת בעתיד.
האם הדפסת תלת ממד היא הלב הבא באבולוציה של עיבוד המתכת?
דרישות תעשייה מאז ומתמיד הניעו את התפתחות תחום המטלורגיה, ממהפכת הברזל של העידן העתיק ועד לצורך הגובר בעיבוד שבבי על רקע מהפכת המידע. כל עידן כזה, על הדרישות הייחודיות שהוא הביא איתו, הוביל להתפתחות טכנולוגיות חדשות לשיפור החוזק, הדיוק והיעילות של רכיבי מתכת. בשנים האחרונות, טכנולוגיית הייצור בטכניקת שכבה אחר שכבה, או “ייצור תוספתי” (AM – Additive Manufacturing), מניעה שינויים מהפכניים בתחום ומאפשרת לצלוח אתגרים שאפיינו את התעשייה כבר מראשיתה.
אחרי הכול, מאז ומעולם היו טמונות מגבלות יסוד בשיטות קונבנציונליות כמו יציקה, פרזול ועיבוד שבבי. כל התהליכים הללו כוללים גריעת חומר מתוך בלוק חומר גדול יותר. טכניקה כזו מעצם הווייתה מובילה לבזבוז חומר משמעותי. הבזבוז הזה יכול להיות בעל השלכות מרחיקות לכת כשהעיבוד מתבצע בסגסוגות יקרות כמו טיטניום, למשל. האתגרים הללו גוברים משמעותית כשהייצור דורש הפקה של צורות גיאומטריות מורכבות מכיוון שבמקרים אלו לעתים קרובות נדרש שילוב מספר טכניקות, לרבות ריתוך והרכבות. מעבר לעובדה ששילובים כאלו מגדילים משמעותית את העלויות, לרוב התוצר הסופי מכיל נקודות תורפה פוטנציאליות ואיכות לא עקבית, בעיקר בנקודות החיבור.
בתעשיות בהן הדיוק נדרש ברזולוציות הגבוהות ביותר ולרוב בהתאמה אישית, כמו למשל בתחום התעופה והחלל או בענף הבריאות, הייצור בשיטות המסורתיות לרוב דרש תהליכי עיבוד ארוכים ויקרים מאוד. וכמובן שלא ניתן להתעלם מההשלכות הסביבתיות מרחיקות הלכת של הטכניקות המסורתיות שלצד הבזבוז שגלום בהן, צורכים לרוב כמויות אדירות של אנרגיה. זו ככל הנראה הסיבה שתחום עיבוד המתכות הוא אחד מענפי הייצור בעל טביעת הרגל הפחמנית הגבוהה ביותר.
פרדיגמת הייצור התוספתי משנה את הכללים
הדפסת תלת ממד מציעה גישה שונה לחלוטין לעיבוד מתכת באופן שלא מקל על האתגרים שציינו עד כה, אלא למעשה הופך אותם ללא רלוונטיים. מדפסות תלת ממד עובדות בטכניקת ייצור תוספתי. כלומר, במקום לחתוך או לגלף חומר, המדפסת בונה רכיבים שכבה אחר שכבה מאבקת מתכת, על בסיס קובץ עיצוב דיגיטלי. כתוצאה מכך, יצרנים נהנים ממספר יתרונות מרכזיים:
- 1. חופש עיצוב חסר תקדים
כפי שסקרנו, עיבוד בשיטות מסורתיות מקשה מאוד על עיצוב צורות בהזמנה אישית, בעיקר כשהתצורה מורכבת כמו למשל תעלות פנימיות לזרימת נוזלים בתוך מכלולים גדולים, או מבנים משורגים או מעוקבים דקים וקלי משקל. עם הדפסת תלת ממד, ניתן ליצור כל מבנה גיאומטרי, לרבות מבנים שעד כה נחשבו לבלתי אפשריים לייצור ממתכת. משמעות הדבר היא שמהנדסים יכולים להציב את הפונקציונליות בראש סדר העדיפויות, מבלי לקחת בחשבון מגבלות ייצור. היתרון הזה מחולל היום פיתוחים של ממש בתעשיית התעופה והחלל, בין השאר.
2. ייעול משמעותי של ניצולת חומרי הגלם
מטבע הדברים, כשממירים את תהליך הייצור מגריעת חומר להוספת חומר, כמות הפסולת מופחתת באופן קרדינלי. בתהליכי גריעה, לעתים מדובר על עד 90% השלכה לפסולת של חומר הגלם המקורי. בטכניקות AM, לעומת זאת, נעשה שימוש אך ורק בחומר הדרוש לבניית הרכיב, שכבה אחר שכבה. גם בשיירי אבקת המתכת שלא נעשה בהם שימוש, ניתן לרוב לעשות שימוש חוזר ולשפר עוד יותר את יעילות החומר. סדרת RenAM 500 של Renishaw מציעות בהקשר הזה יתרון משמעותי, מערכת הייצור בלולאה סגורה מבטיחה שימוש חוזר מקסימלי בחומר הגלם ומצמצמת פסולת למינימום.
3. התאמה אישית חסרת תקדים
אופי תהליך הייצור התוספתי מסיר כל מגבלה כשזה מגיע לאפשרויות התכנון. היתרון הזה מאפשר להגיע להתאמה אישית שבעבר לא הייתה אפשרית. בתעשיות כמו המכשור הרפואי, שבהם נדרשים שתלים או תותבות ספציפיות למטופל, היתרון הזה הוא קריטי. במובן הזה הדפסת תלת ממד מעצבת מחדש תעשיות מגוונות במשק. גם כשזה מגיע לייצור אבות טיפוס, תהליכי ההדפסה מאפשרים לחזור על עיצובים במהירות ולהאיץ את פיתוח המוצר משמעותית.
ההתאמה הזו מתאפשרת ברזולוציות הקטנות ביותר, אפילו ברמת תכונות החומר. עוצמת הלייזר ומהירות ההדפסה, לצד פרמטרים רבים אחרים, ניתנים להתאמה מדויקת, מה שמאפשר להפיק מתכת בצפיפות והרכב משתנה, מלהבי טורבינה המותאמים לעמידות בטמפרטורה גבוהה ועד לחומרים תואמים ביולוגית עבור שתלי ותותבים.
5. ייעול שרשרת האספקה
נגמרו הימים שנדרשנו להוביל אבות טיפוס על פני שרשראות אספקה גלובליות, עם זמני אספקה ארוכים ועלויות מלאי גבוהות. באמצעות ייצור שכבה על גבי שכבה כל מה שנדרש הוא רק קובץ דיגיטלי.
כיצד סדרת RenAM 500 של Renishaw מעצימה את היתרונות הללו בתעשייה?
כבר שנים ש-Renishaw מבססת את עצמה כשם מוביל בטכנולוגיות AM בעולם עיבוד המתכות. לרשות החברה עומדים עשורים של מומחיות הנדסית המוקדשת לפיתוח פתרונות הנותנים מענה לאתגרים הייחודיים של תעשיית המתכות. על ידי שילוב מוקפד בין טכנולוגיות חדשניות, דיוק יוצא דופן והבנה עמוקה של דרישות התעשייה מתוך היכרות ממקור ראשון עם האתגרים בשטח, פיתחה Renishaw מערך פתרונות הדפסה תלת ממדיים המציעים יתרונות שטרם נראו בתחום.
RenAM500Q Ultra קרדיט: Renishaw
מורשת ארוכת שנים של מצוינות הנדסית
Renishaw מובילה חדשנות בתעשייה החל משנות ה-70, כאשר מייסדי החברה סר דיוויד מקמורטרי וג’ון דיר פיתחו תהליכי בדיקה ייחודיים לפרופילי המתכת של מנועי הקונקורד מטעם חברת רולס רויס. פיתוח זה הניח את הבסיס לחברה שהוקמה בהמשך. הידע יקר הערך שנצבר בחברה בתחום המטלורגיה ומדעי החומרים יושם בפיתוח מדפסות תלת הממד הייעודיות לייצור מתכת.
אז מה מביאה סדרת RenAM 500 לשולחן?
הסדרה תוכננה על מנת לספק מענה להיבטים המאתגרים ביותר הניצבים כיום בפני יצרני רכיבי מתכת.
תצורות מרובות לייזרים
אחד מהמאפיינים המובחנים ביותר של סדרת RenAM 500 הוא תצורת הלייזרים המרובים המשולבים במדפסות. ניתן לבחור במערכות עם לייזר אחד, שניים או ארבעה לייזרים בגודל מגש אופטימאלי לייצור רוב החלקים בתעשיה בעלי הספק גבוה, בהתאם לצרכי הייצור שלהם.
פרודוקטיביות חסרת תקדים
תצורת ארבעת הלייזרים בדגם RenAM 500Q מפגין היום זמני ייצור קצרים באופן דרמטי מהסטנדרט בתעשייה, מה שמאפשר ליצרנים לשמור על נפחי ייצור גבוהים מבלי להתפשר על הדיוק. כל לייזר במערכת פועל באופן עצמאי, בתוך אותו שטח בנייה, ומאפשר ייצור בארבעה אפיקים במקביל.
Production build of automotive part קרדיט: Renishaw
כל זה מגיע עם טכנולוגיה יחודית פרי פתוחה של רנישו TEMPUS שעליה נדבר בהמשך
התאמה לכל שלבי פיתוח המוצר
תצורות המציעות מספר לייזרים מאפשרות להתאים את הייצור לפי הצורך. ניתן, למשל, להתחיל עם מערכת לייזר יחיד ליצירת אב טיפוס ולאחר מכן לשדרג לתצורת ריבוי לייזר לייצור בקנה מידה מלא, מה שמבטיח מעבר חלק בין שלבי הייצור.
ייעול עלויות
הגדלת מהירות הייצור מיתרגמת באופן ישיר להפחתת עלות ייצור פר יחידה. במובן הזה, ההשקעה במערכות הדפסת תלת ממד מחזירה את עצמה בתהליכי הייצור במהירות.
מערכות גז מתקדמות
מערכת הגז בנפח גבוה שומרת על סביבת פנים יציבה ואחיד במכלול הייצור, מה שמבטיח איכות אופטימלית של רכיבי המתכת המיוצרים. האחידות מבטיחה עקביות גבוהה ברמה המיקרוסקופית מבטיחה שכל שכבה של המבנה עומדת בסטנדרטים הגבוהים ביותר של צפיפות וחוזק.
הסרת פסולת יעילה
המערכת מסירה ביעילות אדים וחלקיקי מתכת מנתיב הלייזר, מה שמגן על מערכת האופטיקה, משפר את איכות החלק הסופי ומאריך את תוחלת החיים של המערכת.
מערכות הגז של Renishaw עושות שימוש בארגון המוזרם בתא ואקום אטום, מה שמבטיח יעילות אופטימלית בצריכת הגז.
ניטור אופטי דינמי
כדי להבטיח דיוק אופטימלי, מיושמת בסדרה מערכת אופטית מתקדמת שמאפשרת להתאים באופן דינמי את המיקוד של הלייזרים ולהבטיח חלוקת אנרגיה מדויקת גם בפלטפורמות בנייה גדולות. גלוונומטר מונוליטי מקורר במים שומר על יציבות מערכת האופטיקה לכל אורך תהליך הייצור, גם תחת עומסים תרמיים גבוהים. זוהי היציבות הזו בדיוק שמאפשרת לשמור על עקביות ללא עוררין גם במערכות בעלות לייזרים מרובים. במערכת האופטית משולבות טכנולוגיות חיישנים כגון LaserVIEW ו-MeltVIEW, המספקות משוב בזמן אמת על עוצמת הלייזר ושיעור הפליטות בתהליך. מבט העל הזה מאפשר ליצרנים לבצע אופטימיזציה בתהליך הייצור בזמן אמת ולצמצם את הסיכון לשגיאות למינימום.
טכנולוגיית TEMPUS™
טכנולוגיית TEMPUS™ בפיתוח בלעדי של Renishaw מגדירה מחדש את טכנולוגיית הייצור התוספתי ואת הביצועים שהיא מאפשרת.
- תהליך ייצור מהיר מתמיד – טכנולוגיית TEMPUS™ מאיצה את תהליך הייצור על ידי אופטימיזציה של המגע בין הלייזר לאבקת המתכת. באמצעות טכנולוגיה זו ניתן להפחית את זמני הבנייה בעד 50%.בנוסף לזה , בזמן פיזור האבקה , הלייזרים ממשיכים לעבוד ולהתיך ובכך חוסכים שניות חשובות בכל שכבה, כך שאם תחשבו 4 שניות מולל 5000 שכבות, זה אפקט היעילות! שקיים רק ברנישו.
- איכות שטח פנים משופרת – עקב האחידות האופטימלית המושגת בין שכבה לשכבה, טכנולוגיית TEMPUS™ מספקת משטחים בעלי שטח פנים חלק וגימור עדין. יתרון זה מאפשר לצמצם משמעותית תהליכי גימור יקרים לאחר ייצור.
- תוצאות עקביות – איכות החלקים נשארת עקבית בכל פלטפורמת הבנייה, אפילו בתרחישי ייצור בנפח גבוה.
עיצוב תעשייתי אופטימלי באמצעות תוכנת QuantAM
לצד שלל היתרונות שמציעים רכיבי החומרה במדפסת, משודך לכל סדרת RenAM 500 פתרון תוכנה המייעל משמעותית את תהליכי התכנון והעבודה. תוכנת QuantAM שפותחה על ידי Renishaw, כוללת ממשק ידידותי במיוחד למשתמש, עם תהליכי עבודה אינטואיטיביים מבוססי שלבים פשוטים, המנחה את המשתמשים בכל שלב בתהליך הייצור, מייבוא CAD ועד לתכנון הפריסה והחתכים. המערכת מאפשרת אינטגרציה מלאה עם תוכנות CAD/CAM מובילות, מה שמאפשר לשלב את המערכת בתהליכי הייצור הקיימים מבלי להחסיר פעימה ולאמץ את הטכנולוגיה החדשה בקלות.
התוכנה כוללת כלים לאופטימיזציה של טופולוגיה, המאפשרת למהנדסים לייצר חלקים חזקים במיוחד במינימום חומר גלם, תכונה קריטית לתעשיות כמו התעופה והחלל בהן קלות המשקל ניצבת לא פעם בראש סדר העדיפויות.
בניגוד למערכות קנייניות רבות, QuantAM מאפשרת למשתמשים לשנות פרמטרי תהליך ומספקת את הגמישות להתנסות בחומרים חדשים או לבצע אופטימיזציות בתהליכי הבנייה עבור יישומים ספציפיים. ממשקי API מובנים מאפשרים תאימות מלאה עם תוכנות ERP ו-MES קיימות, מה שמקל על אינטגרציה של תהליכי העבודה ומבטיח ייצור דיגיטלי גם על פני תעשיות ומיקומים שונים.
ביצועים מטלורגיים פורצי דרך
כלל היתרונות הטכנולוגיים שמציעה הסדרה כבר באים לידי ביטוי בשטח בתהליכי הייצור של חברות ממגוון ענפים, תוך מענה לדרישות התובעניות ביותר של יצרניות הן בהיבט העסקי והן בהיבט הרגולטורי.
צפיפות חומר גבוהה מתמיד – רכיבים המיוצרים עם המערכות של Renishaw משיגים צפיפות העולה על 99.9%, מה שמבטיח עמידות שטרם נראתה כמותה.
- פגמים מינימליים – תכונות הבקרה המתקדמות, ובעיקר טכנולוגיית הניטור האופטי הדינמי ומערכות הגז המבטיחות עקביות לאורך כל תהליך הייצור ממזערות פגמים כגון נקבוביות או אי עקביות ברמה המיקרוסקופית. בתהליכי ייצור של רכיבים כמו להבי טורבינה, למשל, מאפשר יתרון זה לצמצם כשלים בעלי השלכות כבדות משקל.
- התאמה לדרישות יצרן ספציפיות – השליטה הגבוהה בפרמטרים מאפשרת ליצרניות לפתח תהליך ייצור מדויק לדרישות.
ייעול צריכת אבקת המתכת
מערכות ניהול אבקת המתכת בסדרת RenAM 500 מספקת מענה למגוון רחב של יישומים כשבכל אחד מהם ניצבת ניצולת החומר האופטימלית בראש סדר העדיפויות. לייצור בתפוקה גבוהה, Renishaw מציעה מערכות טיפול באבקה בלולאה סגורה הממזערות את התערבות המפעיל ומפחיתות את הסיכון לזיהום. בדגמים כמו זמינה ב-RenAM 500 Flex, מיושמת מערכת פתוחה אידיאלית עבור סביבות מו”פ, בהן ניתן להחליף חומרים בקלות ולנקות את המערכת בין תהליכי ייצור. בכלל הדגמים, מובטח שימוש חוזר אופטימלי באבקה.
תהליכי ייצור היברידיים להמשכיות חלקה
כדי להבטיח שיצרנים יוכלו לשלב את יתרונות המערכת בתהליכי העבודה הקיימים שלהם, מציעה הסדרה מגוון אלמנטים היברידיים שמאפשרים לשלב בין תהליכים מסורתיים עם הדפסת התלת ממד. ניתן, למשל, להדפיס רכיבים בתלת-ממד עם תכונות מורכבות ולאחר מכן לבצע גימור באמצעות עיבוד שבבי או שיטות אחרות בהן קיים יתרון ספציפי בתהליך הייצור. במקביל, טכנולוגיית הייצור המתקדמת השומרת על שטח פנים חלק מאפשרת להחליף תהליכי גימור רבים שנדרשו עד כה בתהליך המסורתי.
מצוינות טכנולוגית המיושמת במגוון תחומי תעשייה
היתרונות הבולטים שמציעה סדרת מדפסות תלת הממד של Renishaw לתחום המתכות חולשים כיום על מגוון רחב של תעשיות.
- בתחום התעופה והחלל, מערכות RenAM 500 מייצרות כיום שלל רכיבים קלי משקל בעלי תצורות גיאומטריות מורכבות, כגון להבי טורבינה, מסגרות ומרכבים המשפרים את יעילות צריכת הדלק, מפחיתים את שיעור פליטות הפחמן ומאריכים דרמטית את אורך חיי המוצר.
- שתלים וכלים כירורגיים מותאמים אישית המיוצרים באמצעות הטכנולוגיה המתקדמת של סדרת מדפסות התלת ממד של Renishaw כבר מפגינים שיפור ניכר בתוצאות
עמנואל מני מזוז, RENISHAW
הטיפולים ומצמצמים את זמני ההחלמה.
- גם בתעשיית הרכב, נעשה שימוש נרחב במדפסות אלו לייצור שלל רכיבים, מחלקי מנוע ועד למערכות פליטה, המשפרים את העמידות והביצועים התרמיים.
החידושים הללו בתחום ייצור ועיבוד המתכות אינם מהווים רק נקודת ציון טכנולוגית – הם מייצגים שינוי פרדיגמה באופן שבו תעשיות ניגשות מלכתחילה לתהליכי תכנון וייצור. הפיתוחים הללו מזמינים כיום שינוי מחשבתי כולל והרחבת הפריזמה בכל הקשור לאופק האפשרויות הזמין בתעשייה. ככל שהדרישות לדיוק, יעילות וקיימות משחקים תפקיד משמעותי יותר, כך הצורך בפתרונות מתקדמים וחכמים ייעשה מקוריוז להכרח טעני. הפיתוחים המיושמים כיום בסדרת RenAM 500 לא רק משפרים תהליכי עבודה קיימים, אלא פותחים אפיקים חדשים לחלוטין לחקר והתנסות. למהנדסים, מעצבי מוצר ויצרנים זמין כיום חופש מחשבתי ותכנוני שכבר אינו תחום במגבלות הייצור המסורתיות. גבולות האפשרי עצמם נפרצו וכעת, הדמיון והשאיפה לפונקציונליות הם העקרונות המנחים המרכזיים שיגדירו את התעשייה בעתיד.
בשנים האחרונות, מטפחת Renishaw שותפויות גלובליות לקידום המחקר בתחום על מנת להבטיח יישומים גמישים ויעילים יותר ולשפר את הקיימות בכלל תהליכי הייצור. עבור עסקים שנאבקים לשמור על תחרותיות בתחום זה, המתפתח ללא הרף, יישום פתרונות טכנולוגיים מתקדמים הופך להרבה יותר מהשקעה בעתיד – אלא להכרח המציאות כאן ועכשיו.
קרדיט: Renishaw
