הפחתת עלויות וזמני אספקה בתעשיית המתכת באמצעות הדפסת ג'יגים ועזרי ייצור בתלת-ממד
ג'יגים ועזרי ייצור הם קריטיים בתעשיית המתכת לצורך הבטחת דיוק, חזרתיות ויעילות. עם זאת, שיטות ייצור מסורתיות לעיתים קרובות מלוות בזמני אספקה ממושכים, עלויות גבוהות וגמישות עיצובית מוגבלת. הדפסת תלת-ממד נותנת מענה לאתגרים אלו באמצעות פתרונות מהירים, חסכוניים ומותאמים אישית.
מסמך זה מציג מתודולוגיה לשימוש במדפסות תלת-ממד לייצור מתקנים, ג'יגים וכלי עבודה נוספים בתעשיית המתכת. מדפסות Formlabs מייצרות כלים עמידים, מדויקים ועמידים לחום, שמתפקדים היטב בסביבות עבודה תובעניות. המסמך מדגיש כיצד חברות יכולות לקצר את זמני האספקה והעלויות בעד 90% תוך שיפור ההתאמה האישית והמורכבות של הכלים. כמו כן, הוא מציע צעדים מעשיים לשילוב הדפסת תלת-ממד בתהליכים העסקיים, ובכך מאפשר לחברות לשפר את היעילות ולענות על צרכי ייצור משתנים.
מבוא
שפרו דיוק, יעילות ובטיחות באמצעות ג'יגים ועזרי ייצור
עיבוד מתכת הוא תהליך של עיצוב ועיבוד מתכות לייצור. רכיבי מתכת מועדפים בזכות עמידותם, חוזקם, אמינותם ועמידותם בפני שחיקה וטמפרטורות גבוהות, מה שהופך את תהליך עיבוד המתכת למרכיב חיוני בייצור העולמי. הוא ממלא תפקיד מרכזי בתעשיות קצה כגון רכב, תעופה, בנייה, אנרגיה ומוצרי צריכה, התלויות במידה רבה ברכיבי מתכת לשימושים מגוונים, החל משלדות רכב ועד רכיבי מטוסים, מכונות כבדות ומכשירים רפואיים. עם התפתחות תחומים אלו, גובר הלחץ לייצור רכיבי מתכת איכותיים במהירות ובעלות משתלמת. הצורך בדיוק, יעילות ויכולת ייצור בקנה מידה גדול הניע את התפתחות הכלים והשיטות, שהפכו לחלק בלתי נפרד מתהליך עיבוד המתכת.
מבין השיטות הנפוצות ביותר בעיבוד מתכת ניתן למנות עיבוד שבבי, ריתוך, יצירה ויציקה. תהליכים אלו כרוכים לעיתים קרובות בכוחות גבוהים, חום או חשיפה לכימיקלים, ולכן כל אחד מהם דורש כלים ייעודיים לייצוב חלקי המתכת במקום, לכיוון כלים ולהבטחת דיוק, בטיחות וחזרתיות בתהליך הייצור. לדוגמה, ג'יגים מסייעים להנחות כלים חותכים ולהבטיח חיתוכים מדויקים ועקביים, בעוד ג'יגים לדפינה (באקים) מחזיקים את החלקים בצורה יציבה במהלך עיבוד שבבי או ריתוך, כדי למנוע תזוזה שעלולה לגרום לטעויות. שיטות ייצור מסורתיות, כגון עיבוד CNC, יציקה או הרכבה ידנית, הן איטיות ויקרות. זמן הייצור של כלי מותאם אישית עשוי לנוע בין מספר ימים לשבועות, בהתאם למורכבות החלק, ועלות הכלים נעה בדרך כלל בין מאות לאלפי דולרים לכלי אחד.
בית המלאכה של A&M Tool and Design כולל מגוון רחב של טכנולוגיות, החל ממכונות CNC של Bridgeport ועד לציוד אוטומציה בקנה מידה גדול כמו מערכת PALLETECH, וכן מדפסת תלת-ממד SLA של Formlabs.
מכיוון שעזרי ייצור לעיתים קרובות צריכים להיות מותאמים אישית כדי להתאים לגיאומטריות מסוימות של חלקים, יצירת כלים מותאמים אלה בשיטות מסורתיות מובילה לזמני אספקה ממושכים ולעלויות גבוהות. בנוסף, כל שינוי בעיצוב החלק או התהליך עשוי לדרוש יצירת כלי חדש לחלוטין, מה שמעלה עוד יותר את העלויות ומעכב את הייצור. חוסר היעילות הזה מהווה אתגר בתעשיות שדורשות ייצות אבות טיפוס בתדירות גבוהה, ייצור בכמויות קטנות או איטרציות עיצוב מהירות; עלויות הייצור של הכלים מגבילות את יכולת האיטרציות ומשפיעות על הגמישות. האתגרים הקשורים לייצור כלים מסורתיים מורכבים עוד יותר בשל הצורך ביישור מדויק, חזרתיות וקשיחות בתהליכי עיבוד מתכת, מה שמקשה על ייצור ג'יגים ועזרי ייצור איכותיים במחיר סביר.
הפחתת עלויות וזמני אספקה באמצעות ג'יגים ועזרי ייצור מודפסים בתלת-ממד
טכנולוגיות הדפסת תלת-ממד, במיוחד סטריאוליתוגרפיה (SLA) וסינטור בלייזר סלקטיבי (SLS) מציעות חלופה איכותית לייצור ג'יגים, עזרי ייצור וכלי עבודה בתעשיית המתכת. בהשוואה לייצור מסורתי, הדפסת תלת-ממד מהירה יותר וזולה יותר משמעותית, במיוחד עבור עיצובים מותאמים אישית או מורכבים. ג'יג מותאם אישית, שעשוי לקחת שבועיים-שלושה ולעלות מעל 1,000 דולר לייצור בשיטות מסורתיות, ניתן להדפיס תוך מספר שעות ובעלויות נמוכות בהרבה באמצעות מדפסת SLA או SLS.
מדפסות התלת ממד של Formlabs מספקות את הדיוק הנדרש לייצור ג'יגים ועזרי ייצור מדויקים הניתנים לשכפול, והחומרים המשמשים בהדפסות SLA וSLS חזקים מספיק כדי לעמוד בתנאים הקשים של תעשיית המתכת. השימוש בהדפסת תלת-ממד לייצור כלי עבודה בתעשיית המתכת טומן בחובו מגוון יתרונות, המעניקים מענה לאתגרים רבים הקיימים בשיטות ייצור מסורתיות:
קיצור זמני אספקה: הדפסת תלת-ממד מאפשרת ייצור ג'יגים ועזרי ייצור במהירות גבוהה משמעותית בהשוואה לשיטות ייצור מסורתיות, עם קיצור זמני אספקה של עד 90%-95%.
חיסכון בעלויות: ביטול הצורך בציוד יקר ובעבודה ידנית הכרוכה בייצור מסורתי מוביל לחיסכון משמעותי, עם הפחתת עלויות ייצור הכלים בעד 90%-95%.
ייצור לפי דרישה וניהול מלאי דיגיטלי: הדפסת תלת-ממד מאפשרת ייצור לפי דרישה, מצמצמת את הצורך במלאי פיזי גדול ומאפשרת התאמות או החלפות מהירות.
חופש עיצובי והתאמה אישית: בניגוד לשיטות מסורתיות, הדפסת תלת-ממד תומכת בגיאומטריות מורכבות ומאפשרת התאמה אישית קלה, מה שמקל על שינויים מהירים לפרויקטים או חלקים שונים.
דיוק וחזרתיות: בהשוואה לשיטות ידניות או להדפסת FDM, טכנולוגיות SLA ו SLS מספקות רמות דיוק גבוהות יותר, מה שמבטיח ייצור ג'יגים ועזרי ייצור עם מידות מדויקות ועקביות באיכות של האיטרציות.
משקל נמוך ועיצוב ארגונומי: הדפסת תלת-ממד מאפשרת יצירת חלקים קלי משקל מבלי להתפשר על חוזקם, וכך משפרת את נוחות השימוש עבור המפעילים ומפחיתה את עלויות החומרים.
חברת Formlabs עונה על צרכי תעשיית המתכת עם מדפסות תלת ממד תעשייתיות ברמת דיוק גבוהה ובמחירים נגישים. עם מדפסות SLS ו SLA ברזולוציה גבוהה, מבחר חומרים עמידים ותוכנה אינטואיטיבית, חברות יכולות להכניס את הדפסת התלת-ממד לתוך הארגון שלהן, להפחית את התלות בספקים ולהאיץ את תהליכי הייצור. בנוסף Formlabs מציעה פתרונות אוטומטיים לעיבוד לאחר הדפסה, מה שמפשט את כל התהליך, החל משלב העיצוב ועד לייצור הכלי הסופי.
מסמך זה מציג שיטות ומקרי בוחן המדגימים כיצד עסקים יכולים להשתמש במדפסות התלת-ממד של Formlabs לייצור ג'יגים ועזרי ייצור מותאמים אישית לפי דרישה, ובכך לייעל את תהליך ייצור הכלים שלהם.
"אנחנו סדנה לעיבוד שבבי, ולכן אנחנו יכולים לייצר רכיבים ברמת דיוק גבוהה מאוד, אבל ככל שייצור הכלים המשניים לוקח פחות זמן וככל שהם פחות מעכבים את הציוד שלנו, כך טוב יותר. ובניגוד למכונת CNC, גם אם אני מריץ סדרת ייצור על מדפסת ה-Fuse, אני עדיין יכול להוסיף כלים קטנים בין משימות ההדפסה או לשלב אותם עם חלקים אחרים."
בראדלי מתאוס
מייסד והבעלים של The Factory Amsterdam (TFA), חברה המתמחה בייצור מתקדם.
הספק העולמי לתעשיית הרכב Brose משתמש בטכנולוגיות הדפסת תלת-ממד SLA ו-SLS במתקני הייצור הסופיים שלו לייצור מוצרים מורכבים כמו מכלולי מושבים לרכב.
שיטה
תהליכי עיבוד מתכת וכלים נפוצים
ג'יגים לעיבוד שבבי
עיבוד שבבי הוא תהליך ייצור חיסורי שבו מסירים חומר מגוף העבודה באמצעות כלים כמו מחרטות וכרסומות. תהליך זה חיוני לייצור רכיבים מדויקים. ג'יגים ועזרי ייצור ממלאים תפקיד מרכזי בהחזקת חלקי העבודה באופן בטוח ובהבטחת יישור מדויק במהלך העיבוד. הדרישות הטכניות עבור ג'יגים אלו כוללות קשיחות גבוהה לעמידה בכוחות החיתוך, מידות מדויקות לשמירה על יישור נכון, יציבות תרמית למניעת עיוותים הנגרמים מחום הנוצר במהלך העיבוד, שיכוך רעידות, ועמידות בפני נוזלי קירור, נוזלי חיתוך וחומרי ניקוי הפועלים בתוך המכונות.
חברת Formlabs ממליצה להדפיס ג'יגים לעיבוד שבבי באמצעות אבקת Nylon 12 במדפסות מסדרת Fuse בזכות עמידותו הכימית של הניילון 12.
מכונות CNC בסדנה של Ringbrothers.
מתקני ריתוך
ריתוך הוא תהליך ייצור המחבר בין חומרים באמצעות חום ולחץ ליצירת חיבורים חזקים. טכניקות נפוצות כוללות ריתוך קשת חשמלית (Arc Welding) , ריתוך MIG וריתוך TIG המשמשים באופן נרחב בבנייה ובייצור ליצירת חיבורים עמידים. ג'יגים ועזרי ייצור חיוניים למיקום מדויק של חלקי העבודה ולשמירה על יישור במהלך הריתוך. כלים אלה חייבים להיות עמידים במיוחד לחום, קשיחים ועמידים לאורך זמן כדי לעמוד במחזורים חוזרים מבלי להתעוות. יישור מדויק וקלות קיבוע הם קריטיים להשגת ריתוכים מדויקים וניתנים לשכפול, בעוד תכונות בטיחות ונגישות חשובות להגנה על המפעיל.
חברת Formlabs ממליצה להדפיס מתקני ריתוך באמצעות חומר Rigid 10K Resin במדפסות מסדרת Form, בזכות עמידותו הגבוהה לטמפרטורות. הדפסה בתלת-ממד באמצעות אבקת Nylon 12 במדפסות מסדרת Fuse היא גם אפשרות מתאימה לתהליכי ריתוך בטמפרטורות נמוכות, כמו ריתוך אולטרא-סוני.
כלים לעיצוב, הרכבה, יציקה ועוד
מסמך זה מתמקד בג'יגים ועזרי ייצור מודפסים בתלת-ממד לעבודה עם חלקי מתכת, בדגש על ריתוך ועיבוד שבבי. מקרי הבוחן כוללים גם דוגמאות לתופסנים רובוטיים ומתקני הרכבה. משתמשי Formlabs כבר מדפיסים בתלת-ממד כלים המסייעים לייצור ברצפת הייצור, במטרה לייעל תהליכים ולאפשר ייצור מהיר בכמויות קטנות. ניתן לעיין בתיעוד הבא כדי ללמוד עוד על כלים מודפסים בתלת-ממד:
- כלים מסייעים לייצור: עבור הרכבות, בדיקות, חלקי חילוף ועוד.
- תבניות לעיצוב מתכת דקה: ליצירת צורות מדויקות.
- תבניות ליציקה בתבנית אב: עבור תהליכי יציקה מדויקים.
- תבניות להזרקה: עבור יציקת פלסטיק, סיליקון, יציקה בניפוח ועיצוב בחום.
תרשים תהליך עבודה
הנחיות להדפסת תלת-ממד
עיינו במדריכים של Formlabs עבור טכנולוגיות SLS ו-SLA כדי ללמוד על כל אחת מהן. שתי הטכנולוגיות מהוות פתרונות עוצמתיים ליצירת ג'יגים ומתקנים, אך תכונות החומרים, תהליכי העבודה ויכולות הייצור שלהן שונות, מה שהופך אותן לכלים משלימים להתמודדות עם אתגרים שונים בתעשיית המתכת.
בחירת הטכנולוגיה הנכונה להדפסת תלת-ממד
בחרו בטכנולוגיית SLS של Formlabs עבור:
- כלים חזקים, עמידים וייעודיים לעומסים כבדים: חלקים שצריכים לעמוד בכוחות גבוהים ולחצים חוזרים, כמו מתקנים לעיבוד שבבי העמידים בפני פגיעות.
- חומרים רב-שימושיים, עמידים לכימיקלים ויציבים בסביבה: אבקת Nylon 12 היא חומר מומלץ לשימוש כללי בהדפסת תלת-ממד. חלקים מודפסים מניילון סופגים כמות מועטה מאוד של לחות ועמידים לאור, חום וכימיקלים. עמידות זו חשובה במיוחד לכלים לעיבוד שבבי שנחשפים לנוזלי קירור. Formlabs ממליצה להשתמש באבקת Nylon 12 כברירת מחדל, ולשימושים ייחודיים נוספים ניתן לעיין בקטלוג חומרי ההדפסה בSLS.
- עיצובים מורכבים ותכונות קלות משקל: טכנולוגיית SLS מבטלת את הצורך בתומכות, ומציעה חופש עיצובי רב ליצירת גיאומטריות מורכבות או חלולות. הטכנולוגיה מאפשרת עיצוב מבנים רשתיים המפחיתים את צריכת החומר תוך שמירה על חוזק, מה שמתאים במיוחד לג'יגים קלים וגדולים המשמשים בעיצוב מתכת דקה או להחלפת חלקי מכונה.
- תפוקה גבוהה: טכנולוגייתSLS מתאימה לייצור בכמויות בינוניות. היעדר הצורך בתמיכות מאפשר לערום חלקים ולהפחית את זמן העיבוד המשלים לאחר ההדפסה. תא ההדפסה של Formlabs Fuse 1+ 30W מאפשר לסדר את החלקים בצורה צפופה, ובכך למקסם את התפוקה ולהגביר את היעילות. פתרונות כמו Fuse Sift ו-Fuse Blast של Formlabs מפשטים את תהליך שחזור האבקה ומייעלים את ניקוי וגימור החלקים.
בחרו בטכנולוגיית SLA של Formlabs עבור:
- דיוק גבוה, פרטים עדינים וגימור שטח חלק: מתאים ליישומים כמו כלים ליישור בעיבוד שבבי, ג'יגים למיקום, מכשירי מדידה או מתקנים ארגונומיים. תכונות כמו ידיות מותאמות לנוחות המשתמש ניתנות לשילוב בקלות.
- מגוון רחב של תכונות חומרים עם מעבר קל בין שרפים: ניתן לייצר כלים בעלי מפרטים שונים כמו גמישות, עמידות בפני פריקה אלקטרוסטטית (ESD) או עמידות בפני אש, עבור יישומים מיוחדים. עיינו בקטלוג החומרים של SLA למידע נוסף. חומר Rigid 10K Resin משמש לעיתים קרובות בסביבות מתכתיות, במיוחד למתקני ריתוך; זהו חומר קשיח ועמיד לחום, עם HDT של 218°C בלחץ של 0.45 MPa ומודול אלסטי של 10,000 MPa.
- ייצור מהיר בכמויות קטנות הודות לאקוסיסטם נגיש: SLA היא טכנולוגיה קלה לשימוש לאחר שמבינים את נהלי העבודה עם השרף. האקוסיסטם של SLA של Formlabs מציע עלויות כניסה נמוכות, דורש ציוד מינימלי, וניתן לשלבו בצורה חלקה בכל תהליך ייצור. זהו פתרון מהיר ופשוט לייצור כלים בכמויות קטנות שאינם דורשים עמידות קיצונית.
טבלת השוואת טכנולוגיות
הטבלה הבאה מסכמת שיקולים מרכזיים לבחירה בין טכנולוגיות SLA ו SLS להדפסת תלת-ממד של כלים המסייעים לייצור. עיינו בהשוואה המפורטת של Formlabs למידע נוסף. שתי הטכנולוגיות יכולות לשמש ככלים משלימים בסדנת ייצור, ומאפשרות יצירה של ג'יגים ומתקנים מדויקים, עמידים ומותאמים אישית עבור מגוון יישומים בתעשיית המתכת.
הנחיות עיצוב
המירו עיצובים קיימים של כלים לדיגיטל באמצעות הנדסה הפוכה כדי לשלבם במלאי דיגיטלי, או זהו את הצרכים וצרו קבצי עיצוב לכלים חדשים. בעת עיצוב ג'יג או מתקן בהדפסת תלת-ממד, יש לקחת בחשבון מספר שיקולים עיצוביים שונים מאלו שבכלים המיוצרים באופן מסורתי במתכת, המאפשרים תכונות ייחודיות שניתן להשיג רק בייצור תוספתי:
הנחיות עיצוב להדפסה בתלת-ממד
- נצלו גיאומטריות מורכבות: השתמשו בהדפסת תלת-ממד ליצירת תכונות פנימיות מורכבות כמו ערוצים, זוויות נסתרות ומבנים חלולים, שקשה ויקר לעבד במתכת. טכנולוגיית SLA מתאימה לפרטים עדינים וגימור חלק, בעוד SLS מצטיינת ביצירת צורות עמידות ומורכבות שיכולות לעמוד במאמצים מכניים.
- תכנון למבנים קלי משקל: השתמשו ב SLS ליצירת ג'יגים קלי משקל עם מבני סריגי או חלת דבש. מבנים אלו מפחיתים משקל מבלי להתפשר על חוזק, מה שקשה להשיג בחלקי מתכת מוצקים המיוצרים באופן מסורתי.
- תכן מדויק: SLA מאפשרת עיצובים מדויקים ומורכבים. SLA מאפשרת יצירת צורות מורכבות יותר וגימורים חלקים ללא עיבוד נוסף, מה שיכול לשפר ביצועים ולהפחית עלויות.
- שילוב פונקציות מרובות: הדפסת תלת-ממד מאפשרת שילוב של פיצ'רים כמו מנגנונים המאפשרים דפינה, מובילים ופיני מיקום בחלק אחד. זה מפשט את העיצוב ומבטל את הצורך בהרכבת רכיבים מרובים.
- הוספת חיזוקים חלקים לעמידות: השתמשו ב SLA להוספת חיזוקים חלקים (רדיוס 1-2 מ"מ) בנקודות עומס, כדי להפחית את הסיכון לסדקים וריכוזי מאמצים. למרות שחיזוקים אפשריים בעיבוד מתכת, הדפסת תלת-ממד מאפשרת עיצובים עמידים ויעילים יותר עם פחות שלבי ייצור.
- שיפור ארגונומיה: הוסיפו תכונות ארגונומיות כמו ידיות מותאמות אישית או קצוות מעוגלים ישירות לעיצובי SLA שלך. פרטים אלו משפרים את השימושיות וקלים וזולים יותר לשילוב לעומת כלים מעובדים ממתכת.
- תכנון למודולריות והתאמה אישית: השתמשו ב SLS ליצירת ג'יגים ומתקנים מודולריים שניתן להתאים או לעדכן בקלות. גמישות זו מאפשרת התאמות והחלפות מהירות יותר לעומת ייצור מחדש של כלים ממתכת, תוך חיסכון בזמן ועלויות.
- צמצום הרכבה באמצעות עיצוב חלק בודד: קונסולידציה של הרכבות מורכבות לחלק מודפס אחד מפחיתה את זמן ההרכבה ומקטינה סיכונים. SLA ו-SLS יכולים לייעל את תהליכי הייצור, ולהציע פחות חלקים לניהול ולהרכבה בהשוואה למתקנים מתכתיים מרובי חלקים.
מקרי בוחן
מקרי הבוחן הבאים מדגישים את השימוש בחלקים מודפסים בטכנולוגיות SLA ו-SLS של Formlabs עבור מתקני ריתוך, כלי עיבוד שבבי ותופסנים רובוטיים קלי משקל המסוגלים להרים תוספות מתכתיות חמות (80°C) . מראים שחומרים כמו Rigid 10K Resin ו-Nylon 12 Powder מתאימים לעבודה עם מתכת בטמפרטורות גבוהות, תוך חיסכון שנע בין 100 ל-10,000 דולר לכל כלי בהשוואה לשיטות חלופיות.
ולידציה: הדפסת תלת-ממד של ג'יגים ומתקנים לריתוך ולעיבוד שבבי
המטה של חברת Formlabs בסומרוויל, מסצ'וסטס, כולל סדנה בגודל של 278 מ"ר, המספקת אבות טיפוס לצוות המחקר והפיתוח. זוהי סביבת ייצור מגוונת לייצור בכמויות קטנות, המאובזרת במגוון רחב של ציוד: מכונות כרסום CNC, מחרטות CNC, תחנות Bridgeport ידניות, חותכי מים, חותכי לייזר, תחנות ריתוך TIG ואזורי בדיקה ומטרולוגיה ייעודיים. הצוות עושה שימוש בג'יגים ומתקנים מודפסים בתלת-ממד למגוון עבודות מתכת, כגון לסתות למלחציים, ג'יגים לעיבוד שבבי, תבניות לכיפוף מתכת דקה, מתקני ריתוך ועוד.
רוב הבקשות שהצוות נדרש למלא הן ליחידות בודדות או לסדרות קטנות של עשרות יחידות. לשם כך, הם בדרך כלל מדפיסים כלים באמצעות Rigid 10K Resin במדפסת Form 4 בזכות מהירותה. עם זאת, עבור הדפסה בתלת-ממד של מתקני עבודה המוכנסים לתוך מכונות CNC הם משתמשים בסדרת Fuse עם אבקת Nylon 12 מכיוון שהיא עמידה לנוזלי קירור, בניגוד לשרפי SLA.
הצוות תכנן מתקן בדיקה מהיר כדי להעריך מספר חומרים של Formlabs עבור ריתוך TIG. החומרים שנבדקו כללו Rigid 10K Resin, High Temp Resin, Clear Resin, Nylon 12 Powder, ו-Nylon 12 GF Powder. התוצאות הראו ש-Rigid 10K Resin הוא החומר המתאים ביותר לריתוך בטמפרטורות גבוהות. בעוד שהחומרים האחרים הגיבו לחום, הכלים שהודפסו בתלת-ממד באמצעות Rigid 10K Resin נשארו פונקציונליים לאחר הריתוך.
מתקן ריתוך שבו משתמשים מהנדסי Formlabs לחיבור הידית למוט באבות טיפוס של משטח ההדפסה הגמיש. המתקן הודפס בתלת-ממד באמצעות Rigid 10K Resin ועדיין נשאר פונקציונלי לאחר שימוש בכמה מאות חלקים.
חברת עיבוד מתכת מדפיסה בתלת-ממד ג'יגים לריתוך באמצעות Rigid 10K Resin
חברת Red Oak Fabrication היא חברה רב-תחומית לעיבוד מתכות המתמחה בייצור מוצרים מפלדה, נירוסטה ואלומיניום. החברה מצוידת בטכנולוגיות מתקדמות המאפשרות לה להשתמש בכל הטכנולוגיות הסטנדרטיות בתעשייה לייצור מוצרי מתכת משלב התכנון ועד לשלב הגימור.
תחומי ההתמחות שלה כוללים חיתוך מדויק בפלזמה, לייזר וזרם מים, עיבוד CNC, ניקוי פלדה בהתזת חול, ציפוי אבקה, עיצוב מתכת דקה וריתוך רובוטי מתקדם. ריתוך, ובעיקר ריתוך MIG (Metal Inert Gas), מהווה חלק מרכזי מפעילותה, עם כ-15 תחנות ריתוך ידניות ושלוש תחנות ריתוך רובוטיות אוטומטיות.
תהליך ייצור כלים הוא קריטי לתמיכה בפעולות הריתוך היומיות ולשיפור היעילות. ל-Red Oak Fabrication היו שתי שיטות פנימיות לייצור ג'יגים לריתוך. האחת הייתה חיבור חלקי מתכת דקה זה לזה; שיטה קלה וזולה יחסית, אך אינה מאפשרת ייצור כלים מדויקים. השנייה הייתה שימוש בעיבוד CNC לייצור ג'יגים איכותיים ממתכת, אך שיטה זו כרוכה בעלויות גבוהות ובזמני אספקה ארוכים. עם זאת, אף אחת מהשיטות לא הצליחה לתת מענה להזמנות של סדרות קטנות ובינוניות מבלי להעלות עלויות או להאריך את זמני האספקה.
כדי להתמודד עם האתגר הם רכשו את מדפסת התלת-ממד Form 3L בטכנולוגיית SLA שמאפשרת להדפיס ג'יגים ומתקנים מדויקים ועמידים תוך יום אחד ובעלות של עשירית מזו של עיבודCNC . הדפסת תלת-ממד לא רק מאפשרת להם לייצר ג'יגים איכותיים בעלויות וזמנים מופחתים (עד 90%), אלא גם מאפשרת ליצור גיאומטריות מורכבות וצורות אורגניות שקשה או בלתי אפשרי לייצר בשיטות אחרות.
הצוות בדרך כלל מרתך כמה אלפי חלקים לכל ג'יג, במטרה לספק הזמנות סדרות קטנות עד בינוניות ללקוחותיהם. "הדפסת תלת-ממד פתחה עבורנו דרך ביניים נוחה," אומר טיילור סמית', מנהל התכנון וההנדסה, "אני יכול לעבור משלב העיצוב לג'יג מוגמר תוך מספר ימים במקום מספר חודשים."
ניתוח עלויות של ג'יג לריתוך:
פעולות ריתוך מגיעות בדרך כלל לטמפרטורות של כמה אלפי מעלות צלזיוס, מה שהופך את הסביבה למאתגרת עבור כלים פולימריים. לכן, הצוות בחר להדפיס באמצעות Rigid 10K Resin, חומר קשיח ועמיד לחום. מכיוון שהג'יגים אינם נמצאים במגע ישיר עם הריתוך וזמן העיבוד הוא רק כ-10 שניות, הכלים אינם מתחממים יתר על המידה.
ג'יג הזרוע הישרה מורכב משני חלקים קטנים שהודפסו בתלת-ממד והותקנו על לוח פלדה. הגיאומטריה של הג'יג מורכבת וכוללת צורות אורגניות, שהיו מאתגרות לעיבוד באמצעים מסורתיים. הצוות היה זקוק לכלי תוך יום אחד, ולאחר ביצוע כ-2,000 ריתוכים באמצעות הג'יג, הוא עדיין מתפקד היטב, אף על פי שכמה ריתוכים נפלו עליו בטעות וגרמו לסימנים קלים.
ג'יג הזיגזג משמש לריתוך 20 מוטות עגולים לאורך צינור. הגיאומטריה שלו מורכבת וכוללת צורה אורגנית, מה שהיה מאתגר לעיבוד בשיטות מסורתיות. הג'יג שימש לביצוע אלפי ריתוכים ועדיין מתפקד היטב, אם כי צבעו השתנה מלבן לשחור עם הזמן, בשל קרבתו הרבה לנקודת הריתוך.
פקקים מגנים (משמאל) ממוקמים בתוך חיבור פלדה חצי-משורשר עם מגנטים, כדי להגן על ההברגה הפנימית בזמן שריתוך מתבצע על הצינור המחובר. הפקקים מונעים מהריתוך ומהפסולת לחדור לחיבור ולפגוע בהברגה. לאחר כ-3,000 ריתוכים באמצעות ג'יג זה, הפקקים עדיין במצב טוב. ג'יג ה-"Scoop" (מימין) ממקם לוח מתכת מכופף במיקום הנכון עבור רתך ידני לצורך הרכבה. היה זה פרויקט חד-פעמי שכלל כ-600 ריתוכים, שבו הדיוק היה קריטי.
סדנת עיבוד CNC מדפיסה בתלת-ממד מתקני עבודה לסיבוב באמצעות אבקת Nylon 12
The Factory Amsterdam (TFA) היא יצרנית מתכת ופלסטיק הממוקמת במדינת ניו יורק, המתמקדת באוטומציה ובייצור אוטונומי מלא. החברה מציעה מגוון שירותים הכוללים עיבוד שבבי ממוחשב, ייצור תוספתי, סימון בלייזר וטכניקות גימור לאלומיניום אנודייז, פלדה, נירוסטה וסוגים שונים של פלסטיק.
הצוות מספק הזמנות בטווח של 10 עד 10,000 יחידות למגוון שווקים, החל מחלקים לטורבינות גז ועד אלקטרוניקה צרכנית. באמצעות מדפסות ה-SLS של Formlabs, הם לא רק פועלים כספקי שירותי הדפסת תלת-ממד, אלא גם תומכים בפעילויות עיבוד המתכת שלהם באמצעות כלים מודפסים בתלת-ממד, כמו מתקני עבודה לעיבוד CNC, מתקני הרכבה, תבניות לעיצוב מתכת דקה וחלפים למכונות.
תפסניות ("פוטר") לעיבוד שבבי ממוחשב: במהלך פעולות הסיבוב, הצוות משתמש בדרך כלל בתפסניות מפלדה הכוללים רפידות ניתנות להחלפה, המחזיקות את החלק בכיווץ בתוך כל אחד משני צירי המחרטה. בעת הסיבוב במהירויות גבוהות, של עד כמה אלפי סיבובים לדקה (RPM), מופעלים כוחות רדיאליים משמעותיים על מתקני העבודה. בדרך כלל, רפידות הקולטים עשויות מפלדה מוקשחת, אך יישומים רבים דורשים מתקני עבודה שניתנים לעיבוד כדי להתאים לתכונות מורכבות יותר של חלקים. רפידות אלו המוזמנות באופן מיוחד, עשויות מפלדה רכה, אלומיניום או ניילון, ומשך האספקה שלהן יכול להגיע לשלושה עד ארבעה שבועות. באמצעות אבקת Nylon 12 במדפסות Fuse, הם מדפיסים רפידות אלו בתלת-ממד תוך יום אחד ובעלות של 7 דולר בלבד.
בציר המחרטה הצוות משתמש לעיתים קרובות בקולטים ראשיים מפלדה שעובדו בעיבוד שבבי, עם רפידות הניתנות להחלפה. מערכת ההידראוליקה יכולה להפעיל כוח הידוק על המלחציים בעוצמה של עד 6,000 פאונד.
כל תפסנית (משמאל) כוללת גם תוספות קטנות מאלומיניום לצורך טעינה מוקדמת של ההרכבה לפני עיבוד לגודל הרצוי. התמונה מימין מציגה חלק גדול מפלדת פחמן (בקוטר 50 מ"מ) המהודק באמצעות רפידות קולטים שהודפסו בתלת-ממד.
לפני (משמאל) ואחרי (מימין) עיבוד לגודל הרצוי, הקדח המדורג שולט במיקום החלק בצורה מדויקת. עיבוד מדרגה בקולט יכול לשפר את חזרתיות ההידוק עבור חלקים דקי דופן או צרים. הכלים המודפסים נמצאים במגע מתמשך עם נוזל הקירור (אמולסיה) בתוך המחרטה. זהו שמן חצי-סינתטי מסיס במים, שהוא אגרסיבי כלפי סוגים רבים של פלסטיק וממיס חומרים רבים המודפסים בטכנולוגיית FDM. אבקת Nylon 12 עמידה כימית לחומר הזה, ואינה נשחקת ממנו.
אבקת Nylon 12 מאפשרת דיוק גבוה, שהוא קריטי ליישום זה. תפסניות שהודפסו בתלת-ממד מוכנסות לתוך פוטר פלדה ראשי עם ממשק מדויק במיוחד. "יש שם ממשק מסוג זנב סנונית שצריך להיכנס בצורה מדויקת לקולטים הראשיים, וזה משהו שקשה מאוד לייצר בדיוק בשיטות הדפסה אחרות," אומר בראדלי מתאוס, חבר מייסד ובעלים של TFA.
סט אחד של רפידות מודפסות יכול לתמוך בייצור של 3,000 חלקים או יותר, מה שמשתווה ליותר מ-100 שעות של ייצור רצוף. בנוסף, הרפידות המודפסות מסייעות לשמור על גימור פני שטח עדין בחלקים רגישים, שבהם קולטי פלדה עלולים להשאיר סימנים על פני השטח המוגמרים.
ניתוח עלויות של מתקני סיבוב CNC
"זה כנראה לא אותו אורך חיים כמו סט מפלדה או אלומיניום, אבל ההבדל בעלות לגמרי מפצה על כך. אני צריך להיות הרבה יותר זהיר בשימוש בסט רפידות מתכת, כי הן יקרות מאוד. רוב העבודה שאני עושה דורשת זמן תגובה מהיר מאוד, אז אני אפילו לא צריך לחשוב על זה. אם יש משהו מוזר שהכלים הקיימים שלי לא יכולים לתפוס, אני פשוט משתמש באלה וזה מסודר. הם באמת פותרים בעיות. כמובן, הם לא פתרון מושלם לכל אתגר ייצור שאני נתקל בו, אבל הם הוכיחו את עצמם כמתאימים במגוון יישומים מאתגרים," אומר בראדלי מתאוס.
כלי הרכבה למגנטים: TFA משתמשת גם בחלקי SLS ממדפסות Fuse לתמיכה בתהליכים משניים. לאחר עיבוד שבבי, החלק עובר עיבוד נוסף, ושני מגנטים מותקנים בו. הזמנה טיפוסית דורשת הרכבה של 6,000 מגנטים בדרגת N52 שהם חזקים מאוד וקשה לתפעל אותם ידנית.
"עבור המפעיל זה פשוט סיוט בלי איזשהו כלי מתאים. לא הצלחנו למצוא פתרונות מדף שמתאימים לזה. סדרת Fuse מאפשרת לנו לייצר כלי הרכבה הרבה יותר חזקים ממה שיכולנו לייצר בדרך אחרת ובצורה חסכונית. זה מאפשר לנו לבצע איטרציות מהירות יותר ולייצר חלקים מדויקים מאוד בלי מאמץ רב," אומר בראדלי מתאוס.
"כשמדובר בתהליכי הרכבה, הכל מותאם אישית, וזה פשוט לא משהו שניתן לרוב לקנות מוכן מהמדף. לכן, האפשרות לייצור גמיש במיוחד בתוך החברה היא בעלת ערך רב."
ג'יג ללחיצת מגנטים: הצוות הדפיס בתחילה כלי הרכבה באמצעות טכנולוגיית הדפסת FDM אך החומר התעייף עם הזמן; הוא נסדק וצבר מזהמים בקווי השכבות, אשר לאחר מכן זיהמו את המגנטים.
דיספנסר ארגונומי: באמצעות סדרת Fuse, ניתן לשלב מאפיינים קריטיים כגון דופן בעובי 0.5 מ"מ למיקום מדויק של המגנט, או קימורים מותאמים ליד להפחתת עייפות המפעיל במהלך טיפול באלפי חלקים.
ספק פירוטכניקה עולמי מדפיס בתלת-ממד מתקני ריתוך אולטרסוני ותופסנים רובוטיים באמצעות אבקת Nylon 12
קבוצת Etienne Lacroix היא שחקן גלובלי בתחום הפירוטכניקה, המציעה פתרונות מקיפים להגנה, ביטחון, לוגיסטיקה, תעשייה ואירועים. בתוך הקבוצה, חברת MPM מתמחה בהזרקת חלקי תרמופלסטיק מורכבים לייצור קטן ובינוני (עד 10,000 יחידות). המפעלים שלהם מצוידים ב-23 מכונות הזרקה, וכן בתחנות עיבוד CNC, ריתוך, סימון, ציפוי והרכבה, כדי לספק ללקוחותיהם מוצרים מורכבים.
צוות MPM מצויד גם בטכנולוגיות ייצור תוספתי שונות. הם משתמשים בהדפסת FDM עבור הוכחת קונספט ובמדפסות SLA של Formlabs ליצירת אבות-טיפוס פונקציונליים ותבניות להזרקה בכמויות קטנות. לפני כשנתיים הם רכשו את סדרת Fuse עם אבקת Nylon 12 לשימושים כמו ייצור מתקנים, חלקי חילוף למכונות וכמויות קטנות של חלקים סופיים.
כיום, הם מדפיסים בתלת-ממד כ-60 חלקים בשבוע לשימוש פנימי באמצעות סדרת Fuse כולל מתקני עיבוד מפלסטיק, מתקני ריתוך וכלים רובוטיים לסיום זרוע. עם הזמנות עבור אבות-טיפוס מלקוחות, הם הדפיסו עד כה כ-4,000 חלקים על סדרת Fuse להלן מספר דוגמאות בולטות לכלים פנימיים:
מתקני ריתוך אולטרסוני: כלים אלה ממוקמים בתוך מכונת ריתוך אולטרסוני כדי להחזיק תוספות פליז על חלק שהוזרק בתבנית במהלך הריתוך. למרות החשיפה לחום, לחץ ורעידות, המתקנים המודפסים בתלת-ממד נותרו פונקציונליים לאחר יותר מ-3,000 ריתוכים.
לכלים גיאומטריות מורכבות הכוללות צלעות דקות ומאפייני יישור שקשה לעבד בעיבוד שבבי. הצוות היה נדרש להוציא את העבודה לעיבוד CNC של 5 צירים. על ידי הדפסתם בתלת-ממד, הם הפחיתו את זמן העבודה והעלות ביותר מ-90%, תוך השגת דיוק ומורכבות עיצובית גבוהים. בנוסף, כלים שהודפסו באבקת Nylon 12 רכים יותר ממתקנים ממתכת, ולכן הם מגנים על החלק המרותך מפני שריטות.
ניתוח עלויות למתקני ריתוך אולטרסוני:
מתקן הריתוך האולטרסוני (משמאל) הוא חלק בצורת U הממוקם על בסיס מתכת כדי לספוג חלק מהכוחות המופעלים במהלך הפעולה. במודל ספציפי זה, הם מרתכים בדרך כלל שלושה חלקים לדקה, עם שני ריתוכים לכל חלק.
החלקים הסופיים עוברים לאחר מכן בדיקות אטימות באמצעות מכונה מותאמת אישית המורכבת מרכיבים שהודפסו בתלת-ממד (מימין). מכונה זו משמשת בדרך כלל שלוש עד ארבע פעמים בשנה לסדרה של 3,000 יחידות בכל פעם.
במקרה נוסף זה, מתקן הריתוך האולטרסוני משולב עם חלק מאלומיניום. תוספות הפליז ממוקמות על המתקן (משמאל), והחלק הפלסטי מותקן ומוחזק באמצעות שימס מגנטי שהודפס בתלת-ממד, כדי לאפשר לסונוטרוד להפעיל עליו כוחות (באמצע) ולרתך את התוספות (מימין).
חלקי חילוף לכלי זרוע רובוטית (EOAT):
הצוות מדפיס בתלת-ממד כלים מותאמים ל End Od Arm Tooling באמצעות סדרת Fuse כדי להחליף כלים שחוקים וליהנות ממגוון יתרונות:
- החלפה מהירה וזולה: החלפת התופסנים השחוקים מתבצעת במהירות ובעלויות נמוכות יותר בהשוואה לשיטה המקורית.
- הפחתת משקל: הכלים המודפסים קלים יותר, לעיתים עד פי שלושה, מה שמאריך את חיי הרובוט.
- הפחתת סיכוני שריטות: תופסנים המודפסים מאבקת Nylon 12 גמישים ולכן מקטינים את הסיכון לשרוט את חלקי המתכת.
- התאמה גיאומטרית: הכלים מותאמים במיוחד לגיאומטריה של החלקים המטופלים.
כלי EOAT רובוטי מסוים משמש באופן חודשי להפקת סדרת ייצור של 5,000 יחידות חלקים עם חיפוי נוסף (Overmolded). הרובוט מורכב מ-32 תופסנים שמרימים תוספות מתכתיות חמות בטמפרטורה של 80° צלזיוס וממקמים אותן בתוך תבנית ההזרקה.
בעבר, התופסנים היו עשויים מפלסטיק שסופק על ידי הספק המקורי. הם נשחקו במהירות ונדרשו להחלפה לאחר שתי סדרות, שזה בערך 10,000 יחידות. עלות כל תופסן הייתה €55, ובסך הכל €1760 לרובוט, וזה דרש זמן אספקה של שלושה שבועות.
באמצעות סדרת Fuse, הצוות יכול להדפיס את התופסנים ביום אחד בלבד בעלות של €1 לכל אחד. תופסנים המיוצרים מאבקת Nylon 12 קלים יותר מהמקוריים ועמידים הרבה יותר לטמפרטורות הגבוהות של התוספות. לאחר שנה של שימוש ובערך 60,000 יחידות, התופסנים עדיין פונקציונליים. הצוות חוסך יותר מ-€10,500 בשנה רק על חלק זה.
ניתוח עלויות לכלי זרוע רובוטית (EOAT)
ג'יגים ומתקנים לעיבוד שבבי. באמצעות סדרת Fuseהצוות מדפיס בתלת-ממד מתקני עבודה לעיבוד חלקים מיד לאחר הזרקת הפלסטיק. החלקים בדרך כלל עדיין חמים מהתהליך ונמצאים במגע עם הכלי המודפס למשך כ-10 שניות. מתקן גלילי לחיתוך חלק מפוליקרבונט (PC) בטמפרטורה של 100° צלזיוס (למעלה משמאל), כלי לעיבוד המוביל (sprue) של ההזרקה (למעלה מימין), כלי קידוח (למטה משמאל) וכלי הברזה לחלקים מוזרקים (למטה מימין).
כלי טמפוגרפיה. הצוות מנצל גם את העמידות הכימית של אבקת Nylon 12 להדפסת כלים לתהליך טמפוגרפיה. החלקים המודפסים נחשפים לממסים הסטנדרטיים של טמפוגרפיה מבלי להינזק.
ספקית רכב גלובלית מדפיסה בתלת-ממד מתקני מיקום לריתוך באמצעות שרף Fast Model
Brose היא אחת מחמשת הספקיות הגדולות ביותר בבעלות משפחתית בתחום תעשיית הרכב בעולם. בכל שלב בשרשרת האספקה של הרכב, חלקי מתכת מהווים רכיבים מרכזיים במוצר הכולל. ריתוך, כמצופה, מהווה חלק מרכזי מתהליך ההרכבה.
במפעל Brose North America, שבו פועל צוות הטכנולוגיה התוספתית של החברה המפעיל צי של מדפסות SLA ו-SLS, הרובוטים לריתוך נדרשים לעבור בין קווי מוצרים שונים באופן קבוע.
תכנות רובוט ריתוך באמצעות מסילות מתכת אב-טיפוסיות הוא יקר, ובמקרים רבים הן אינן זמינות בזמן שבו תחנת הריתוך מוכנה לתכנות הציוד. הדפסת תלת-ממד מציעה פתרון מהיר וזול, שכן יש צורך במהירות ובדיוק ממדי עבור חלקים אלה לצורך הגדרה. הצוות מדפיס חלקי מיקום גדולים לריתוך באמצעות שרף Fast Model במדפסת Form 4L.
חלק מושב זה הודפס במדפסת Form 4L באמצעות שרף Fast Model. החלק הודפס, עבר עיבוד משלים והרכבה על מכונת הריתוך הרובוטית תוך פחות משלוש שעות. הדבר מאפשר לצוות לתכנת את תנועות הרובוט במהירות.
אלפי מסילות מושב מרותכות יחד כדי ליצור את בסיס מכלול המושב. בדיקת פרמטרי הריתוך היא חלק מהותי מתהליך הייצור במפעל.
סיכום
הדפסת תלת-ממד של ג'יגים ומתקנים מספקת פתרון מעשי לאתגרים של כלי ייצור מסורתיים בתעשיית המתכת. היא מאפשרת ייצור מהיר יותר, עלויות מופחתות וגמישות עיצובית רבה יותר. הדבר מועיל במיוחד עבור כלים מותאמים אישית בתהליכים כמו עיבוד שבבי וריתוך, שבהם דיוק ועמידות הם קריטיים. בניגוד לשיטות מסורתיות, הדפסת תלת-ממד מאפשרת ייצור לפי דרישה ומפחיתה את הצורך במלאי פיזי באמצעות אחסון דיגיטלי.
מאמר זה מדגיש את היכולת להשתמש במדפסות SLA ו SLS של Formlabs לייצור ג'יגים ומתקנים איכותיים לעיבוד מתכת. מקרי הבוחן הציגו תוצאות משמעותיות: הפחתה של מעל 90% בעלויות וזמני ייצור עבור מתקנים לעיבוד שבבי וג'יגים לריתוך, תוך שימוש בחומרים עמידים לחום ולכימיקלים, וחיסכון של 10,000 דולר בשנה עם תופסנים רובוטיים. דוגמאות אלו מדגימות כיצד הטכנולוגיה של Formlabs עומדת בדרישות המחמירות של סביבות תעשייתיות.
עבור חברות המוכנות לשלב הדפסת תלת-ממד לייצור כלים, מסמך זה משמש כמדריך מעשי להתחלה, החל מבחירת החומרים והמדפסות המתאימים ועד לאופטימיזציה של עיצוב ופיתוח אסטרטגיה לניהול מלאי דיגיטלי להשגת גמישות ויעילות מקסימליות.
הזמינו חלק לדוגמה בחינם כדי להתרשם מקרוב מאיכות החומרים המודפסים של Formlabs ואנו נשמח לסייע במציאת הפתרון המתאים עבור הצרכים שלכם.
מקור המאמר: Formlabs
עריכה: גיא ירוס. מהנדס אפליקציה הדפסה בתלת ממד. סיסטמטיקס
כאשר הימני פותח לנו אפשרויות
נקבל 2 אפשרויות:
