כיצד להשלים ייצור בעיבוד שבבי CNC בעזרת הדפסה תלת-ממדית במדפסת HP Multi Jet Fusion 3D

עיבוד שבבי CNC

טכנולוגיית עיבוד שבבי ממוחשב משמשת בדרך כלל לייצור חלקים כגון חלקי מכונות, זיווד, וכלי עזר לייצור בתעשיות רבות כגון רכב, תעופה וחלל, וייצור מכונות. היא מתאימה לייצור חלקים במגוון חומרים, כולל מתכות ופלסטיק.
אחד היתרונות העיקריים של טכנולוגיית ייצור זו היא דיוק – ניתן לייצר חלקים ברמת דיוק של +/-0.01 מ"מ, דיוק ברמה שלא ניתן להשיג באמצעות הזרקה לתבניות, למשל.

יחד עם זאת, גיאומטריות מסוימות – למשל פינות פנימיות עם רדיוסים קטנים, כיסים פנימיים (Undercut),  גופים עם גיאומטריות מורכבות קירות דקים – יכולות להיות מאתגרים ויקרים,  ולפעמים גם בלתי אפשריות לייצור בטכנולוגיות של עיבוד שבבי CNC.

הפעלת ציוד עיבוד שבבי CNC נעשית בדרך כלל על ידי מפעילים מוסמכים, שכן פעול ותחזוקה של המכונות עשויות להיות מורכבות ויש ליצור מראש את תוכנית הכרסום לייצור חלקים, בתוכנת CAM ספציפית. לפני תחילת ייצור של חלק, נדרשות פעולות הגדרה מסוימות עבור כלי העיבוד שבבי. יש ליצור תוכנית חיתוך המכוונת את כלי החיתוך, ולהציב במכונה את כלי החיתוך המתאימים וגם לדאוג לדפינה מתאימה של חומרי הגלם בזמן פעולת השיבוב.  מסיבות אלו, חלקים מסוג זה מיוצרים בדרך כלל במקבצים, חלק אחד בכל פעם.

כיצד הדפסת תלת מימד יכולה להשלים עיבוד CNC

טכנולוגיית HP Multi Jet Fusion היא טכנולוגיית הדפסה תלת ממדית חדשה יחסית המיושמת במדפסות התלת מימד Jet Fusion של HP, שיכולות להציע יתרונות של עלות, מהירות ואיכות, בהשוואה לטכנולוגיות אחרות של הדפסה בתלת מימד.

טכנולוגיה זו יכולה להשלים ולשפר תהליכי ייצור על ידי:

חופש עיצובי והפחתת משקל

הדפסה תלת-ממדית מאפשרת ייצור של גיאומטריות מורכבות שלא היו אפשריות קודם לכן בטכנולוגיות ייצור קונבנציונליות, ומאפשרת ייצור של חלקים בעלי משקל עצמי נמוך יותר עם ביצועים משופרים, הודות למבני סריג (Lattice) או אופטימיזציה טופולוגית. יתר על כן, חומרי ההדפסה בתלת מימד הם בעלי צפיפות (1.0 גרם/סמ"ק) נמוכה בהרבה מאלומיניום (2.7 גרם/סמ"ק) או פלדה (7.8  גרם/סמ"ק).

עם HP Multi Jet Fusion, ניתן להפחית ממשקלו של החלק תוך מתן מענה לתכונות המכניות הנדרשות. יתר על כן, HP MJF מסוגלת לייצר חלקים איזוטרופיים בעלי תכונות מכניות זהות עבור צירי XY ביחס לציר Z – כלומר, לא קיימת חולשה משמעותית בממשק בין השכבות כפי שקיים בטכנולוגיות הדפסה אחרות.

הדוגמה מעל מציגה חלק ממדפסת HP דפוס בפורמט גדול, שיוצרה במקור בכרסום CNC (החלק משמאל), ועוצבה מחדש לייצור בתהליך הדפסה  HP MJF (החלק מימין), דבר שאפשר הפחתה של 50% בעלויות, הפחתת משקל של 93% והפחתת טביעת רגל פחמנית פי 95.

איחוד הרכבה לחלק אחד

הדפסת תלת ממדית יכולה להפחית את זמני תהליכי הייצור, מכיוון שניתן לאחד מכלולים מורכבים מרובי רכיבים לחלקים בודדים. זה גם מפחית את הסיכון לשגיאות ולבעיות אחרות במהלך תהליך ההרכבה, כמו גם מפחית את עלויות העבודה.

עלויות

עיבוד שבבי CNC הוא תהליך ייצור מתאים לחלקים עם עיצובים לא מאוד מורכבים. יחד עם זאת, חלקים בעלי גיאומטריה מורכבת יותר (כגון משטחים עקמומיים, או מבנים בצורה אורגנית) דורשים לעתים קרובות יותר זמן ייצור עם CNC שמייקר את עלויות של החלק הסופי.

עם HP Multi Jet Fusion, גיאומטריות מורכבות (Complex designs) אינן מגדילות את זמן הייצור או העלות, מאחר וטכנולוגיה זו מאפשרת תפוקה גבוהה ללא תלות במורכבות החלק.

כפי שהזכרנו קודם לכן, טכנולוגיית HP Multi Jet Fusion יכולה לייצר חלקים שהותאמו לייצור בהדפסה (מבנה סריגי או חלקים שעברו אופטמיזציה טופולוגית)
כדי להפחית את כמות החומר הנדרשת לייצורם, והתוצאה היא חסכון נוסף בעלויות.

בהשוואה לטכנולוגיות הדפסה בתלת מימד אחרות, HP Multi Jet Fusion יכולה לייצר חלקים איכותיים בעלות הנמוכה ביותר, הודות לחומרי HP 3D High Reusability Materials המאפשרים שימוש חוזר של כ 80% באבקה ממוחזרת.

בנוסף, קלות השימוש, קלות הניקוי והאפשרות לחיזוי של טכנולוגיית HP MJF מפחיתה את זמן המפעיל ואת מערך מיומנויות הנדרש על ידי המפעיל. גם עבודה מיומנת הנדרשת להתקנה ותחזוקה של ציוד CNC מורכב ויקר עלולה להשפיע על העלויות הכוללות. ניתן לצמצם הוצאה זו עם HP Multi Jet Fusion, מכיוון שלאחר השלמת עיצוב של חלק התלת מימד, הקובץ נשלח באופן דיגיטלי אל המדפסת, וניתן לייצר את החלקים עם מעט מאוד התערבות אנושית.

פרודוקטיביות וזמן

הזמן הוא גורם קריטי כאשר יש צורך בעזרי ייצור או אבות טיפוס. בדרך כלל, נדרשות מספר סבבי פיתוח (איטרציות) על מנת להשיג את העיצוב המושלם עבור היישום. עיבוד גיאומטריות מתכת מורכבות דורש תכנון משמעותי, תכנתי CAM ומפעילי מכונות מיומנים. עם HP Multi Jet Fusion, מלבד העובדה שאין צורך ב-CAM, ניתן להפחית את זמני התהליך בשל העובדה שניתן לבצע הדפסה של מספר קונפיגורציות עיצוב במקביל, בהדפסה בודדת.

HP Multi Jet Fusion מייצרת חלקים עד פי 10 מהר יותר מטכנולוגיות הדפסה אחרות בתלת מימד. ברמות אלה של פרודוקטיביות ומהירות, ניתן להפחית באופן דרסטי את זמני תהליכי הייצור: ממספר ימים ליום אחד בלבד.

הפחתת מלאי

הדפסה בתלת מימד מאפשרת ייצור לפי דרישה, אשר יכול להפחית או אפילו לבטל לחלוטין את הצורך של אחסנת מלאי של חלקים.ניתן לצמצם גם את מלאי החומרים באמצעות הדפסה בתלת מימד. בעוד שסדנאות העובדות בטכנולוגיית CNC בדרך כלל צריכות להחזיר במלאי כמה גדלים של בלוקי גלם, על מנת להיות מסוגלים לעבוד ביעילות, הרי שבהדפסת תלת מימד, נעשה שימוש באבקה המועברת ישירות ממחסנית החומרים, ללא קשר לגיאומטריות או לגדלים של החלקים שייוצרו.

פסולת

סביבת הייצור של HP Multi Jet Fusion

עיבוד שבבי בטכנולוגיית CNC, כטכנולוגיה מחסרת, מסלקת חומר מבלוק גולמי מקורי ולכן, מטבעו תהליך המייצר פסולת, שעבורה ישנו צורך במחזור, במיוחד עבור חומרי פלסטיק, ומחזור זה הוא קשה, יקר וגוזל זמן. HP Multi Jet Fusion ממזער בזבוז חומר (אבקה) בתהליך ההדפסה כאשר התהליך עושה שימוש בצפיפות אריזה סטנדרטית עם יחס שימוש חוזר של אבקה של עד 80%.

איזה סוג של חלקים ניתן להדפיס עם HP Multi Jet Fusion?

HP Multi Jet Fusion היא טכנולוגיית ייצור תלת ממדית שיכולה להשלים עיבוד שבבי מסוג CNC. הטבלה להלן מציגה את ההתאמה הטובה ביותר לשתי הטכנולוגיות לעומת מספר יישומים ודרישות מרכזיים:

הדפסת בתלת מימד ומחזורי החיים של המוצר

באופן מסורתי, נעשה שימוש בטכנולוגיות הדפסה בתלת מימד כדי לאמת עיצובים ולחזור עליהם בשלבים המוקדמים של פיתוח המוצר. נפח החלקים בשלב זה נוטה להיות נמוך בהשוואה למה שדרוש היום עבור חלקי חילוף או חלקים סופיים.

עם HP Multi Jet Fusion, ניתן לייצר במהירות חלקים פונקציונליים אמיתיים, בעלות נמוכה, שיכולים לשמש לא רק ביצירת אב טיפוס, אלא גם כחלקים סופיים, בכל השלבים השונים של מחזור חיי המוצר (PLC). הכנסת חלקים שיוצרו ב- HP Multi Jet Fusion לייצור יכולה לחסוך בעלויות בהשוואה לטכנולוגיות מסורתיות כתלות בחלק ובנפח הייצור ומוסיפה ערך נוסף לתהליך התכנון. דוגמה אחת להוספת ערך היא לאפשר גיאומטריות וצורות חדשות שלא היו אפשריות קודם לכן.

זה גם פותח הזדמנויות מעניינות עבור חלקי חילוף, שכן השימוש בחלקים מודפסים בתלת מימד יכול לייעל את שרשרת האספקה והלוגיסטיקה בשלבים האחרונים של PLC.

נפח החלקים בתלת מימד בכל שלב של ה-PLC

היישומים העיקריים שבהם HP Multi Jet Fusion יכולה להציע ערך משופר לעומת עיבוד שבבי מסוג CNC כוללים:

1. אבות טיפוס

אב טיפוס הוא תכן ראשוני של חלק או מוצר המשמשים בתהליך הפיתוח כדי לחזור על הרעיון (בשינויים נדרשים) ולאמת אותו עד להשגת העיצוב הסופי. אב טיפוס פונקציונלי מאפשר בדיקה של קונספט בשלב מוקדם במחזור עיצוב המוצר לפני המעבר לייצור.

יתרונות HP Multi Jet Fusion בייצור של אבות טיפוס:

• עלות נמוכה¹

• ניתן להדפיס בו-זמנית מספר חלקים עם קונפיגורציות עיצוב שונות

• קבלת החלק בזמן קצר²

2. חלקים פנימיים

עבור ייצור כמות קטנה של מוצרים, ייצור תבנית אינו הגיוני כלכלית – לכן חלקים מסוימים מיוצרים בעיבוד שבבי במקום הזרקה. במצבים אלה, ישנם סוגים שונים של חלקי פלסטיק – כגון תושבות או מקבעים (למשל תושבות של חיישנים) העומדים בעומסים נמוכים – שניתן לייצר עם HP Multi Jet Fusion במקום טכנולוגיות ייצור מסורתיות.

יתרונות HP Multi Jet Fusion עבור חלקי פנים:
 • עלות נמוכה¹

• הרכבה של מספר חלקים, ניתנת לתכנון באופן אופטימלי יותר ולייצר אותה כחלק בודד.

• קבלת החלק בזמן קצר²

3. אביזרי קצה (End of arm tooling)

אביזרי קצה הם חלקים הממוקמים בקצה זרוע רובוטית, ותפקידם הוא לקיים אינטראקציה עם הסביבה. בהתאם לכמיות, הגיאומטריה והדרישות המכניות, ניתן לייצר תפסניות (גריפרים) עשויות מתכת (עיבוד שבבי או כיפוף פחים) או פלסטיק (עיבוד שבבי או הזרקה).

יתרונות HP Multi Jet Fusion עבור ידיות/חלקי קצה

• ניתן לייצר חלקים שמשקלם נמוך יותר, מה שמשפר דיוק ומאפשר תנועות מהירות יותר, במיוחד כאשר הזרוע הרובוטית נעה, שכן מומנט האינרציה מצטמצם ומרכז הכובד נמצא קרוב יותר לזרוע.
• עלות נמוכה¹
• ניתן לייעל ולעצב מחדש את אביזרי הקצה כדי שיהיו מורכבים מחלק אחד.

להלן כמה דוגמאות לסוגי ידיות אחיזה שניתן לייצר עם HP MJF:

תפסנית לתעשיית כלי הרכב: לתפסנית (Gripper) זו יש 4 כוסות יניקה פניאומטיות; עם זאת, מבנה המסגרת הגדול יותר הותאם גם הוא כדי לתרום ליציבות הכללית של ידית האחיזה. 4 כוסות היניקה מחוברות ישירות לצנרות, מעוצבות ומודפסות בתלת מימד, ואז משולבות בחלק הכולל, מה שמביא יותר רב תכליתיות לצורה ואופטימיזציה לכל העיצוב והחלק.

תפסנית לרכב
הנתונים באדיבותם של IAM 3D HUB

תפסנית פנאומטית: לייצור תפסנית פנאומטית זו היה צורך בייצור של אב טיפוס והיא פותחה במיוחד לפי דרישות הלקוח. אחת מן הדרישות האלו הייתה להבטיח שמבחן תוחלת החיים של ידית האחיזה יעבור מיליון מחזורים. העיצוב של ידית האחיזה שופר על ידי חיזוק חלק מאזורי הכשל האופייניים על ידי הוספת מנגנונים קטנים ומדויקים להשגת תנועות סימטריות טובות יותר ושיפור יציבות הדפינה.

גריפר פנאומטי
הנתונים באדיבותם של IAM 3D HUB

צורת הספירלה של המערכת הפנאומטית תוכננה לא רק על ידי שימוש בספירלים משתלבים אופייניים אלא גם בפונקציות צמיחה מתמטיות על מנת ליצור את הספירלה המושלמת. כאשר הספירלה מתמלאת באוויר בלחץ, ידית האחיזה נסגרת. כאשר האוויר משתחרר, ידית האחיזה נפתחת שוב, ומאפשרת פתיחה וסגירה מהירה יחסית של ידית האחיזה על ידי ויסות תדירות הכניסה והיציאה של האוויר. עיצוב להדפסה בתלת מימד אפשר לייצר את ידית האחיזה הזאת כחלק אחד. בשיטות ייצור מסורתיות, היה צריך לייצר אותה כחלקים מרובים ולאחר מכן להרכיב אותם יחד.

4. תעלות זורמים

תעלות זורמים הם – צינורות, צינוריות או כונסים – המשמשים לתיעול והעברת זורמים בתוך מערכת. בדרך כלל, תעלות מיוצרות על ידי שיחול, אבל ישנן תעלות קטנות יותר המיוצרות בעיבוד שבבי. החומר צריך להיות מתאים  מבחינה כימית לזורם שבא עימו במגע. רמת הנקבוביות של החומר יכולה להשפיע על האטימות לנוזלים של הכלי.

דוגמה לתעלה של
HP Multi Jet Fusion

יתרונות HP Multi Jet Fusion עבור תעלות נוזלים

• ניתן להשיג אטימות נוזלים ללא טיפול משלים
• של תעלות או חלקים שונים המשפרים את הביצועים (הפחתת דליפה)
• שיפור יעילות הזרימה.
• לחומר HP 3D High Reusability PA 12 יש תאימות כימית גבוהה עם מספר נוזלים, כולל: מים, נוזל בלמים ואלכוהול מסוגים שונים

5. עזרי ייצור

עזרי ייצור הם כל סוג של כלים המשמשים בתהליך הייצור או לבקרת איכות.
הם דורשים עמידות גבוהה, דיוק, פרודוקטיביות והחלפה הדדית בתהליך.

הדפסה בתלת מימד ועיבוד שבבי כבר משמשים לייצור עזרי ייצור בקווי ייצור, אך הפתרונות שהיו זמינים עד כה היו יקרים מאוד.

HP Multi Jet Fusion מציעה פרודוקטיביות פורצת דרך בהשוואה לטכנולוגיות הדפסת תלת מימד אחרות וזו עשויה להפחית משמעותית את זמן תהליך הייצור של עזרי ייצור. זה מגביר את הגמישות במהלך תהליך הייצור, ומאפשר תגובה מהירה יותר כאשר נדרשים שינויים (לדוגמה, שינויים בעיצובי חלקים).

יתרונות HP Multi Jet Fusion בייצור של עזרי ייצור:

• עלות נמוכה¹
• חופש עיצובי וגמישות גבוהה.
• יכולת לאחד מכלולים נפרדים.
• הפחתה במשקל באמצעות מבני סריג או אופטימיזציה של הטופולוגיה.

מקרי שימוש של HP Multi Jet Fusion

אפליקטור ואקום של SIGMADESIGN
SIGMADESIGN היא חברת שירותי פיתוח מוצרים, המציעה פתרונות המסייעים ללקוחות לקחת את המוצרים שלהם מרעיון לייצור ומעבר לכך. בין יתר השירותים, SIGMADESIGN מספקת עיצוב תעשייתי, אבטחת איכות ובדיקות ותמיכה הנדסית, בנוסף לייצור המוצר הסופי.

אביזרי קצה של אפליקטור וואקום – חלק קצה של הזרוע שמדביקה את התוויות על התפוחים.
מכונת תיוג פירות של SIGMADESIGN

אחד מלקוחות SIGMADESIGN מייצר מכונה לתיוג פירות. זוהי מכונה בעלת ערך גבוה, בנפח נמוך, המדביקה אלפי תוויות בשעה, אך גם דורשת דיוק כדי להבטיח שאף פרי לא יינזק.

על SIGMADESIGN הוטלה המשימה לחסוך בעלויות כמו גם לשפר את העיצוב של חלקים מסוימים עבור מכונה זו. הם זיהו מספר חלקים שניתן לשפר עם טכנולוגיית HP Multi Jet Fusion, כולל:

המכלול המקורי היה מיוצר בעיבוד שבבי באלומיניום. הוא פועל בלחץ ואקום בין -2 ל -3 psi. אורך החיים הצפוי של המכונה, נמצא בטווח של עשרות מיליוני מחזורים.
אביזרים של אפליקטור ואקום

חלק זה היה צריך להיות מדויק מספיק כדי לאפשר הטמעת אינסרטים בחום, לכל אחד מהחורים העליונים. הייתה חשיבות לכך שקדחים אלו ייוצרו בתוך טולרנטיות ספציפית כדי לשמור על חוזק מרבי בין התאמת ההברגה לחלק לאחר תהליך ההחדרה בחום.

SIGMADESIGN פתרה את האתגר על ידי עיצוב החלק להדפסה בתלת מימד עם HP Multi Jet Fusion.

HP Multi Jet Fusion איפשר ל- SIGMADESIGN את הבאים:

• הדפסה של תעלות זרימת אוויר רציפות בתוך החלק, שלא היו אפשריות בתהליך ייצור CNC, דבר שמוביל להפחתה בדליפת אוויר ושיפור ביצועי החלק.
• אופטימיזציה גיאומטרית של החלק – שהייתה מוגבלת בעבר עקב מגבלות ייצור CNC –
  לעבודה בתוך חלל מוגדר, ולמנוע התנגשויות עם חלקים נעים אחרים
• הפחתה של עלות החלק ב-68%⁸ לעומת העיצוב המקורי.

כלי ניקוי הקדח של HP Inc

HP Inc היא חברת מוצרי אלקטרוניקה המייצרת מדפסות תלת-ממד ומדפסות דו-ממדיות, מחשבים וציוד היקפי. HP היא חלוצה בשימוש בטכנולוגיית HP Multi Jet Fusion במטרה לייעל תהליכים לאורך שרשרת האספקה שלה וככזאת זיהתה הזדמנויות רבות בהן HP Multi Jet Fusion יכולה להחליף את שיטות הייצור המסורתיות.
דוגמה אחת היא כלי בקו הייצור של ראשי ההדפסה של HP – כלי ניקוי קדחים.

החרירים של ראשי ההדפסה של HP מיוצרים בתהליך חיתוך לייזר. תהליך זה משתמש במים כדי למנוע התחממות יתר של הלייזר ושל לוחות הסיליקון. כלי ניקוי הקדח משמש במהלך החיתוך כדי להסיר את בוצת הסיליקון והמים הנוצרת ללא הרף, מה שמאפשר תהליך קידוח לייזר יעיל יותר.

על הכלי לעמוד בכמות מסוימת של חום הנוצרת בשל פולסי לייזר תועים במהלך תהליך הקידוח, ובלחצים גבוהים (3-4.5kPa)

כפי שניתן לראות בתמונה מתחת,

כלי המקורי שמיוצר בעיבוד שבבי, עשוי מ-7 חלקי משנה, רובם מיוצרים מכרסום בלוק אלומיניום ושניים מהם מיוצרים בשיחול מאלומיניום.
בתמונה מצד ימין החלק המעוצב מחדש לייצור בהדפסה HP MJF , אוחד לחלק אחד בודד.

ייצור החלק בטכנולוגיית HP Multi Jet Fusion  מאפשרת:

• אטימות המים הנדרשת לייצור עזרים המכילים נוזלים בלחץ, ללא צורך בעיבוד משלים או בציפוי החלקים.
• ניתן לבצע תכן מותאם להדפסה תלת-ממדית, לדוגמא אנליזה טופולוגית,  ולייעל את החלק מבחינת משקל, ומאפייני זרימה להפחתת מערבולות.
• הפחתת עלות של 95% לעומת החלק המקורי⁹
• הפחתת משקל של 90% לעומת החלק המקורי¹⁰ הודות לאופטימיזציה טופולוגית והפחתת חומר גלם מיותר.
• הפחתה בזמן התהליך כולו מ-3 עד 5 ימים עם עיבוד CNC ל-24 שעות בלבד עם HP MJF
• צמצום הרכבה על ידי איחוד שבעה חלקי משנה לחלק יחיד.

מקור המאמר : HP
עריכה: גיא ירוס. מהנדס אפליקציה הדפסה בתלת ממד. סיסטמטיקס

תגיות: HP | Multi Jet Fusion | הדפסת תלת ממד