ייצור תוספתי: מאב-טיפוס לייצור

ייצור תוספתי או AM (הדפסת 3D) הוא חלק ממגמה רחבה יותר לעבר יצור דיגיטלי עבור מחזורי בניית אב-טיפוס מהירים והעברה מהירה יותר של מוצרים ליצור.

חשוב על תהליך הבנייה של אב-טיפוס לאחר האימוץ הנרחב של 3D CAD‏ אך לפני ההופעה של הדפסת 3D. מהנדסים השתמשו ב-3D CAD‏ כדי לתכנן חלקים אך לאחר מכן העלו את הפרטים על שרטוטים דו-ממדיים. האחרונים נקראו אחר כך על ידי מפעילי מכונות, שתכנתו מכונות CNC (בקרה ספרתית ממוחשבת) כדי ליצר את החלקים. כיום, יצור דיגיטלי שולח דגמי חלקים 3D‏ ישר למכונות (בין אם כלי מכונה CNC או מדפסות 3D‏) עבור ייצור. אלגוריתמים אוטומטיים לחלוטין מניעים את הביצוע של בניית חלקים אלה. זו יכולת המקטינה במידה ניכרת השהיה בין תכנון חלק וייצור חלק.

ייצור דיגיטלי גם מגדיל באופן ניכר את המידע הזמין למהנדסים. במקרים מסוימים, תכנים המוגשים לבניית אב-טיפוס ושירותי ייצור‏ קבוצת פריטים דומים באמצעות פורטל אינטרנטי יכולים להחזיר משוב מיידי על יכולת ייצור ותמחור מדויק. כך שתכנים רבים ניתנים לתמחור מהיר, אפילו לפני התחלת הבנייה של אב-טיפוס.

איור 1‏: מכונות ייצור-תוספתי (additive-manufacturing) מכל הסוגים (כולל זאת המבוססת על FDM כמתואר כאן) משתמשות במנועי צעד עבור תנועה מבוקרת ומתואמת של נחיר השיחול (extrusion nozzle) (או גורם-קצה ריבוץ אחר) במרחב 3D‏. מנועי צעד NEMA 17 בעלי יכולת מומנט של עד .‎60 oz-in הם נפוצים. (מקור תמונה: Dreamstime‏)

AM היא ליבה לגרסאות מודרניות כאלו של תכנון מראש איטרטיבי. בנוסף AM מאפשרת את היצור של צורות חלקים שהן בלתי-אפשריות על ידי שימוש בעיבוד קונבנציונלי, כולל, לדוגמה, מבנים דמויי עצם חלולה עם סבכה פנימית. ליכולת להדפיס במהירות רכיבים תרמופלסטיים (ובעלות נמוכה) יכולה להיות השפעה טרנספורמטיבית על בניית אב-טיפוס בשלב מוקדם. רכיבים כאלה יכולים לשמש כחלקי האב-טיפוס בפועל או ככלים לקיבוע חלקים מעובדים או ליציקת חלקים מרוכבים. התפתחויות של הזמן האחרון המאפשרות להדפיס ישירות חלקי מתכת ביצועים-עיליים מעניקות אפילו אפשרויות רבות יותר לבניית אב-טיפוס, לייצור כלי ייצור ואפילו ליצר ישירות חלקים עבור ייצור בנפח-נמוך.

איור 2: בקרת תנועה מתקדמת יכולה למזער תנודות של גלי סינוס זרם אל תוך מנועי מדפסת 3D עבור עבודה חלקה ושקטה יותר. לדוגמה, מעגלים-משולבים (ICs) עצמאיים מסוימים המניעים מנועי צעד שתי-פאזות מניעים צעד וכוון מנוע, משתמשים ברוטינות קיצוץ כדי למקסם ביצועי תנועה, מומנט מנוע ונצילות. (מקור תמונה: Trinamic Motion Control GmbH)

קיימים שפע של שמות לתהליכי AM קנייניים, אך כל התהליכים שייכים לאחת משבע קטגוריות ה-AM בתקן-ISO.‏

הדפסה תלת-מימדית על ידי שיחול חומר (Material extrusion 3D printing): חומר מועבר סלקטיבית דרך פיה או פתח. בדרך כלל, פולימר תרמופלסטי הוא החומר המשוחל והתהליך נקרא לרוב התכה ומיזוג לצורך מידול (Filament Deposition Modelling) או FDM. כמעט כל מדפסות ה-3D‏ הזולות ואפילו מכונות בדרוג גבוה יותר משתמשות ב-FDM.

מיזוג שכבת אבקה (Powder-bed fusion‏ (PBF)): אנרגיה תרמית כמו זאת מלייזר, קרן אלקטרונים או קשת פלזמה היא ממוקדת להתכה ומיזוג אזורים של חומר אבקה הכלול בשכבת אבקה.

למעשה, הצורה הראשונה של מיזוג שכבת אבקה שפותחה בשנות ה-1980 נקראת סינטור לייזר סלקטיבי (selective laser sintering) או SLS. להבדיל מטכניקות מסוימות הנמצאות בשימוש כיום, SLS לא יכלה להתיך אבקות במלואן ... כך שלא ניתן היה ליצר חלקים צפופים לחלוטין. כעת‏, ציוד מיזוג שכבת אבקה מודרני מתיך אבקות מתכת במלואן כדי ליצר חלקים צפופים במלואם עם מבנים מגורענים דומים לאלה של רכיבים מחושלים. התכונות המכניות של חלקים מיוצרים-SLS יכולות להיות טובות משמעותית מאלו של רכיבים יצוקים.

פוטופולימריזציה במיכל (Vat photopolymerization): פוטופולימר נוזלי במיכל עובר מיצוק סלקטיבי על ידי פילמור המופעל על ידי אור. תהליך זה נקרא לעיתים סטריאוליתוגרפיה (Stereolithography‏ (SLA)).

איור 3‏: סטריאוליתוגרפיה (Stereolithography)‏ (SLA) ועיבוד אור דיגיטלי (DLP) הן טכנולוגיות ייצור-תוספתי המשמשות עבור יצירת מודלים, אבי-טיפוס, תבניות וחלקי ייצור. (מקור תמונה: Dreamstime‏)

ריבוץ אנרגיה מוכוונת (Directed energy deposition‏ (DED)): אנרגיה תרמית מלייזר, קרן אלקטרונים או קשת פלזמה ממוקדת כדי להתיך חומרים תוך כדי הנחתם. ניתן להשתמש בהזנת תיל או אבקה מועפת כחומר הזנה.

איור 4: מובילים לינאריים מסילה-עגולה והנעת רצועה סינכרונית חשופה הם נפוצים במדפסות 3D שולחניות כמו גם ציוד מתוחכם יותר. (מקור תמונה: Dreamstime‏)

התזת חומר מקשר (Binder Jetting‏ (BJ)) והתזת חומר (Material Jetting‏ (MJ)): בתהליכי BJ, ‏חומר מקשר נוזלי משוקע באופן סלקטיבי לחומרי אבקה. לעומת זה, בתהליכי MJ‏, טיפות של חומר בנייה משוקעות באופן סלקטיבי תוך שימוש בתהליך דומה מאוד להדפסה בהתזת דיו (inkjet printing).

איור 5: למדפסת 3D זו יש התקן קצה (end effector) כבד יותר, כך שבנוי סביב זרוע רובוט SCARA.‏ (מקור תמונה: Dreamstime‏)

למינציה של גיליונות (Sheet lamination): גיליונות של חומר מודבקות כדי ליצור‏ חלק. זהו התהליך התוספתי הישן ביותר, עם מכונות מוקדמות מניחות ומדביקות שכבות של פרופילי נייר כדי ליצור חלקי 3D מורכבים, באופן דומה לייצור דיקט.

מאפיינים משותפים של ציוד עבור סוגי AM שונים

כל שיטות ה-AM שתוארו בונות חלקי 3D על ידי הנחת שכבות פרופילים 2D, כל אחת על גבי הקודמת לה. במבנים הכרוכים בשכבות בעלות בליטות משמעותיות או אלמנטים שעלולים להתנתק, ראשית יוצרים מבני תמיכה המוסרים אחר כך לאחר הבנייה.

בעוד FDM מבוסס על שיחול חומר הוא גישת ה-AM השלטת עבור הכל, ממדפסות 3D בדרגת תחביב עד בניית אב-טיפוס מחומרי פלסטיק, שני תהליכים הופכים להיות יותר ויותר מקובלים עבור ייצור רכיבי מתכת בדרגת תעופה וחלל. אלו הם:

• מיזוג שכבת אבקה (Powder-bed fusion‏ (PBF)) עבור חלקים קטנים עם גימור מלא
• רביצה על ידי אנרגיה מוכוונת (Directed energy deposition‏ (DED)) עבור חלקים גדולים יותר הדורשים לרוב עיבוד מכונה סופי

איור 6: ציוד AM המשמש לייצור עבודות מתכת מתקדמות הם מערכות סרוו המשתמשות ברכיבי תנועה מתקדמים ובמקרים מסוימים אפילו במנועים בעלי הנעה ישירה. מבנים כאלה מאפשרים למפעילים למנף את הדיוק של גישות בנייה מבוססות-לייזר. (מקור תמונה: Dreamstime‏)

עם ההתקדמות בכל סוגי התהליכים של AM, הם הגיעו להשתמש ברבים מאותם פתרונות אוטומציה. לדוגמה, מערך רחב של רכיבי אוטומציה מתקדמים מבית Festo, כולל מפעילים (Actuators‏) לינאריים אלקטרומכניים המשתמשים ב-ballscrew או הנעות רצוע, נמצאים במכונות FDM, החל מציוד בדרגת תחביב ועד ציוד מקצועי, כמו גם ציוד SLS מתוחכם ביותר.

חירויות ומגבלות בתכנון AM

יתרון משמעותי של חלקי AM על תהליכי החסרה כגון עיבוד שבבי הוא חופש גדול יותר ליצור צורות שונות. מאפייני עיבוד שבבי ניתנים ליצור רק היכן שכלי העיבוד יכול למקם את הסכין שלו. זה לרוב מגביל את הרדיוס המינימלי של פינות פנימיות, הופך מאפיינים תלויים מסוימים למאתגרים, ומשמעותו שחללים פנימיים פשוט בלתי ניתנים להשגה עם רכיב בודד. מגבלות אלו לעיתים קרובות גורמות למבנים מורכבים העשויים מרכיבים מרובים המוברגים יחד, דבר המעלה את עלויות הייצור והמשקל תוך הקטנת חוזק ואמינות. משוחררים ממגבלות אלו, חלקים המיוצרים על ידי הדפסה תלת-מימדית יכולים לרוב לאחד רכיבים רבים, להפחית במידה רבה עלות תוך שיפור ביצועים.

תכנון גנרטיבי הוא תהליך בו אלגוריתמים מתכננים רכיבים על ידי עשיית הרבה שינויים קטנים וביצוע סימולציה של הביצועים של רכיבים שונים בתהליך דומה לאבולוציה. הצורות המתקבלות בדרך כלל בעלות מורכבות גבוהה בהרבה מעבר למה שמתכנן אדם ייצור, ודומות להפליא למבנים שהטבע פיתח.

איור 7: מבנים שנוצרו בתכנון גנרטיבי מקושרים בדרך כלל להדפסה תלת-מימדית, למרות שהם מיוצרים לעתים קרובות באמצעות ייצור דיגיטלי ומכונות CNC חמישה-צירים. תוכנית ה-NASA Evolved Structures יצרה את הרכיבים המוצגים כאן; צוות הנאס"א השתמש במכונות CNC לעיבוד שבבי מאחר וחלקים בעיבוד מכונה יכולים להיות בעלי יכולת גבוהה יותר מגרסאות בהדפסה תלת-מימדית עבור יישומי ביצועים-עיליים ביותר. זה בחלקו בגלל (למרות ההתקדמות ב-AM) שרכיבים מעובדים במכונה נתונים לשונות פחותה בתכונות החומר. (מקור תמונה: NASA)

ככל שהרכיבים הופכים ליותר מורכבים, עם צורות אורגניות חיצוניות וסבכה ותעלות פנימיות, דגמים דיגיטליים דורשים יותר נתונים. פעולות כמו צלימה, פריסה, יצירת מבנה תומך ויצירת קוד מכונה הופכות למסובכות יותר. הפורמטים של הקבצים המשובצים המבוססים (שמייצגים משטחים כרשתות של משולשים מישוריים) הופכים למסורבלים. גישה אחת היתה לאפשר קבצי רשת‏ עם משולשים מעוקלים 3D‏ כך שניתן להשתמש במספר קטן יותר של משולשים כדי להעריך משטח.

דרך יעילה‏ הרבה יותר לייצג גאומטריה מורכבת כזאת היא באמצעות השימוש בגאומטריה מרומזת, אם כי זה עדיין אינו תואם עם מרבית תוכנות ה-CAD.

AM מאפשרת בקרה על גאומטריות פנימיות

ל-AM אין מתחרה ביכולתה ליצור גאומטריות פנימיות. יכולת זו מאפשרת מבנים קלי-משקל ובעלי חוזק גבוה עם מחיצות פנימיות דומות לאלו של עצמות וגבעולים, מה שאי אפשר להשיג בדרך אחרת. היכולת גם מאפשרת את התכנון של חלקים מאוחדים עם מאפיינים כמו תעלות פנימיות, צינורות, סעפות, ערוצי קירור או ממירי חום. בעוד רכיבים כאלה מעובדים ומיוצרים באופן קונוונציונלי מצינורות ולוחות ונותנים קטרים ורוחבי תעלה קבועים, באמצעות AM ניתן לשנות את הפרופילים. ‏ניתן לכלול מאפיינים כמו ערבלים (turbulators) המגדילים העברת חום.

איור 8: מוצג כאן נחיר דלק Aero LEAP של GE. (מקור תמונה: GE)

חשוב על כיצד רכיבי תעופה וחלל AM שמשו בכלי-טיס לאורך שנים רבות. אחת הדוגמאות הידועות ביותר היא נחיר הדלק General Electric Aero LEAP, שמיוצר מאז 2015. הוא מחליף 18 רכיבים ברכיב מאוחד‏ יחיד הכולל את כל התעלות הפנימיות המורכבות הדרושות.

שימוש נוסף ב-AM נעשה במנוע טורבופרופ General Electric Catalyst המאחד יותר מ-800 חלקים המיוצרים באופן קונבנציונלי ל-12 חלקים המיוצרים AM. מנוע זה צפוי לקבל הסמכה ב-2023.

מיזוג שכבת אבקה בקרן לייזר או PBF-L הוא תהליך ה-AM מתכת המבוסס והבשל ביותר. תהליך זה משמש לייצור רכיבי המנוע של GE והוא יכול גם ליצר רכיבי פולימר באיכות גבוהה. גודל נפח המבנה מוגבל בערך ל-400 מ"מ ×‏ 400 מ"מ ×‏ 800 מ"מ על ידי הצורך לשמור על זרימת גז עקבית באזור המבנה כמו גם עלות המילוי של השכבה באבקה. אבקות מתכת הן כבדות וגם יקרות מאוד באיכות הנדרשת עבור מיזוג עקבי. קצבי ריבוץ עבור לייזר יחיד הם עד ‏20‏ ס"מ³/שעה בעוד מערכות עם קרני לייזר מרובים יכולות להשיג עד 150 ס"מ³/שעת עבור רכיבי אלומיניום. ניתן להשיג גימור משטח טוב המתאים לחלקים מוגמרים. איכות המשטח תלויה בגודל החלקיקים של אבקת חומר הגלם, עם קוטרי חלקיקים קטנים עד כדי 5‎ µm.

תכונות החומר של חלקים המיוצרים על ידי מיזוג שכבת אבקה תלויות במידה רבה בבקרה של בריכת ההימס, היכן שחומר האבקה ממוזג לחלק המוצק. בקרה של בריכת הימס זו זהה בעיקרו של דבר לפעולת ריתוך, וההבנה הבסיסית בנויה על שנים רבות של מחקר ופיתוח בריתוך. ריתוך בקרן לייזר וקרן אלקטרונים נמצא בשימוש כבר יותר מ-50 שנים בעוד ריתוך קשת נמצא בשימוש מעל 100 שנים. ידע זה מאפשר ייצור חלקים בעלי מבנה מגורען מעודן ביותר, לעיתים קרובות ברי-השוואה עם הרכיבים המחושלים בעלי הביצועים הגבוהים ביותר . עם זאת, השתנות תהליכים נשארת גבוהה יותר במידה מסוימת.

סיכום

למרות שפחות נפוץ, קרני אנרגיה אחרות מלבד לייזר יכולות גם כן לשמש עבור מיזוג שכבת אבקה. למיזוג שכבת אבקה על ידי קרן אלקטרונים יש את היתרון שהקרן ניתנת להזזה בעזרת מגנטים במקום מראות המוזזות מכנית. משמעות הדבר, שניתן להשיג קצבי בנייה קצת יותר גבוהים, אך גימור המשטח אינו משובח כמו בתהליכים מבוססי לייזר.

בקצה השני של ספקטרום הטכנולוגיה, מדפסות 3D‏ מקור-פתוח ניתנות לבנייה בבית ויכולות אפילו להדפיס את הרכיבים שלהן, בעצם להפוך למשכפלות את עצמן. יש לרכוש מספר רכיבי אוטומציה בלבד, כמו מנועי צעד; כל האלמנטים המכניים של המבנה ניתנים לייצור.