הגישה ההיברידית: כשהדפסת תלת־ממד פוגשת את המכונות הזרקה על רצפת הייצור

החיבור בין עולמות ההדפסה בתלת–ממד לבין תעשיית הזרקת הפלסטיק המסורתית אינו חדש. כבר תקופה ארוכה שתעשיית התבניות עושה שימוש בטכנולוגיות הדפסת מתכת כדי ליצור תעלות קירור מורכבות (Conformal Cooling) או גרעינים עם גיאומטריה שאינה ניתנת לביצוע בעיבוד שבבי רגיל. קפיצה טכנולוגית נוספת נעשית בימים אלו עם כניסה של פולימרים מתקדמים לתחום.

הדור החדש של החומרים – פולימרים קרמיים ובעלי ביצועים גבוהים – מאפשר לייצר תבניות מודפסות לאבי טיפוס פונקציונליים וסדרות ייצור קטנות. אלו מסוגלות לעמוד בלחצים ובטמפרטורות של מכונות ההזרקה, ומספקות גמישות, החזר השקעה גבוה, ומהירות. כל מה שצריך זה רק כמה שעות ספורות לקבלת התוצר, במקום ימים או שבועות.

הזרקה או הדפסת תלת ממד – מה עדיף?

לתהליך הזרקת הפלסטיק מספר יתרונות מובהקים: עלות נמוכה לחלק, ייצור המוני, דיוק גבוה ומגוון חומרים עצום. עם זאת, לשיטה המסורתית ישנם גם חסמים. "כל ייצור של תבנית חדשה הוא ארוך ועלותו גבוהה, וישנם מגבלות בייצור גיאומטריות מורכבות כמו תעלות, דפנות דקות, ו-Undercuts", מסביר יניב הירשזון, מנהל פיתוח תהליכים וחומרים בחברת Stratasys. "בנוסף, הטכנולוגיה אינה יעילה בסדרות ייצור קטנות".

בקצה השני של הסקאלה, מדפסות תלת ממד נותנות מענה לאבות טיפוס וייצור בקנה מידה קטן, אולם נכון להיום, הדפסת תלת ממד לא מתאימה לסדרות ייצור גבוהות. היצע החומרים הזמינים נמוך בהשוואה להזרקה, ויש דרישה לניקוי ולעיתים צילוב לאחר התהליך. בנוסף, חשוב לזכור כי תכונות חלק המיוצר בתלת ממד, שכבה אחרי שכבה, שונות במהותן מחלק הנוצר בהזרקה, ולכן לא תמיד תהליך ההדפסה מדמה את פונקציוניות המוצר הסופי.

אולם יש יישומים רבים בהם הייצור בתלת ממד הוא הגיוני, במיוחד במוצרים בהם נדרשים מבנים גיאומטריים מורכבים וקירות דקים בסדרות ייצור קטנות. "מדפסת ה-DLP מדגם Origin Two שלנו, העושה שימוש בטכנולוגיית P3, מסוגלת להגיע לאיכות פני שטח גבוהה שזהה להזרקה, עם חזרתיות גבוהה בין הדפסות ורמת חספוס הנמוכה מ-5 מיקרון – גם עבור חלקים גדולים", מציין יניב.

מגשרים על הפער בין הזרקה להדפסת תלת ממד

כאן נכנסת לתמונה הגישה ההיברידית: שימוש בתבניות מודפסות כשלב ביניים קריטי. "תבניות מודפסות אידיאליות לאבי טיפוס מוזרקים ולסדרות ייצור קטנות או מותאמות אישית. הן מקנות לחלק תכונות מכאניות הדומות מאד לחלק הנוצר בהזרקה סטנדרטית לתבנית פלדה", מציין יניב, "הן חיוניות גם לגישור על הפער בין סדרות ייצור, כאשר הביקוש נמוך מדי כדי להצדיק תחזוקה של תבנית ישנה, והתבניות החדשות עדיין בהליך ייצור. בנוסף, הם מעולות לייצור אינסרטים, ג'יגים, או חלקים חליפיים לעת צרה כשהתבנית אינה זמינה".

סוד התבנית הנעלמת

עוד יישום ייחודי של מדפסות תלת ממד בעולם ההזרקה הוא האפשרות לתבניות מסיסות, כאלה המאפשרות חליצה של המוצר המוזרק גם אם הוא בעל גאומטריה מורכבת עם חללים פנימיים ו-Undercuts, ללא חשש לשבר או נזק. דוגמה לכך היא טכנולוגיית ה-FIM להדפסת תבנית בעזרת חומר פוטופולימרי מסיס בשם xMOLD. ייצור התבנית אורך מספר שעות.

קשיחות של קרמיקה, גמישות של הדפסה

אחד האתגרים הגדולים ביצירת תבניות מודפסות בעבר היה עמידות החומר – אך כיום חומרים רבים עונים על האתגר. דוגמה בולטת לכך הוא ה-Ultracur3D RG 3280 של חברת Forward AM, הניתן להזרקה על מדפסות Stratasys. מדובר בחומר בעל מראה ותחושה המזכירים קרמיקה, המתאפיין בקשיחות יוצאת דופן (כ-10 GPa) ועמידות בטמפרטורות גבוהות במיוחד (HDT של מעל 280 מעלות צלזיוס). החומר שומר על צמיגות נמוכה המאפשרת הדפסה נוחה ומהירה, ולאחר ההקשייה הוא מספק את היציבות הנדרשת לתפקד כתבנית.

הלכה למעשה: הזדמנות לעסקים קטנים ובינוניים

היישום של טכנולוגיות אלו אינו נשאר בתיאוריה, אלא משתלב כבר היום בפסי הייצור בישראל. דוגמה לכך ניתן לראות בחברת קילים פלסטיקה, מפעל משפחתי ותיק שנוסד ב-1985, ומשמש כקבלן משנה להזרקות. עבור חברות מסוג זה, היכולת לשלב תבניות מודפסות מהווה כלי משלים עוצמתי המרחיב את סל הפתרונות. בתקופה האחרונה, החלה קילים פלסטיקה להדפיס ב-Origin Two של Stratasys חלקי תבנית פונקציונליים שהותקנו בתוך תבניות מתכות קיימות.

החלקים שהתקבלו לאחר הזרקה היו פונקציונליים לחלוטין, והתאימו לדרישות הלקוח, אם כי התהליך דרש ניהול תרמי מוקפד למניעת עיוותים ושחיקה מוקדמת, וזמני קירור ארוכים יותר בין הזרקות. השימוש בתבנית פלסטיק הביא לחיסכון של שבועות בלוחות הזמנים, והפחתה משמעותית בעלויות הפרויקט.

את הטמעת הטכנולוגיה והיישום בפועל של פרויקט זה הובילה חברת SU-PAD, נציגת Stratasys בישראל. החברה מספקת מעטפת שירותים מלאה, החל מהידע ההנדסי, אספקת חומרי הגלם והמדפסות , ועד להפניה לגורמים רלוונטיים כגון שירותי הזרקה.

מבט לעתיד

טכנולוגיית התבניות המודפסות אינה מתיימרת להחליף את תבניות הפלדה עבור ייצור של אלפי יחידות, אך היא ממלאת חלל קריטי בשרשרת האספקה. החזון לעתיד הוא להגיע למצב שבו נוכל להדפיס חלקים סופיים מוגמרים, וגם תבניות, במהירות ובאיכות המשתווה לחלוטין להזרקה מסורתית. עד שנגיע לשם, השילוב ההיברידי בין המדפסת למכונת ההזרקה מציע לתעשייה כלי עבודה שימוש, המאפשר לקצר זמנים ולחסוך בעלויות פיתוח באופן משמעותי.