יתרונות וחסרונות הדפסת מתכת

פרק זה מיועד עבור מי שמתעניין בטכנולוגיות הדפסה תלת מימדית במתכת ומעוניין לגלות מתי הדרך היעילה ביותר לייצור היא הדפסה תלת מימדית במתכת ומתי כדאי דווקא לפנות לשיטות ייצור מסורתיות.
נעסוק בשאלות כמו: מה היתרונות של הדפסת מתכת? מה המגבלות של הדפסת מתכת? כיצד לבחור טכנולוגית ייצור עבור חלקים מתכתיים?

הקדמה

הדפסת מתכת היא טכנולוגיה מדהימה המהווה כלי מהפכני בתעשיית הייצור ומעמידה מתחרה ישירה לטכנולוגיות הייצור המסורתיות שהכרנו עד היום.

 לקריאה נוספת בנושא השפעותיה המהפכניות של הדפסת מתכת על תעשיית הייצור.

כמו לכל טכנולוגיה, גם להדפסת מתכת יש יתרונות וחסרונות. סוד ההצלחה בייצור חלקי מתכת הוא היכרות עם טכנולוגיות הדפסת המתכת השונות ויכולתיהן היחודיות, יחד עם הבנה מתי הדפסת מתכת היא הבחירה הנכונה עבור תהליך הייצור ומתי היא עדיפה על שיטות ייצור מסורתיות.

ישנם מקרים מובהקים בהם להדפסת המתכת יש יתרון משמעותי על שיטות הייצור המסורתיות. לדוגמא, הדפסת מתכת היא בחירה טובה עבור חלקים בעלי גיאומטריות מורכבות הדורשים חוזק וקלות משקל. יתרון מובהק נוסף בהדפסת מתכת הוא יעילות הניצול של החומר. בעוד שבשיטות ייצור מסורתיות כמו CNC כמות הפסולת הנוצרת בתהליך הייצור יכולה להגיע ל90% מהחומר, בהדפסת מתכת ממוצע החומר שאיננו משומש ונהפך לפסולת עומד על כ5% בממוצע. אף על פי כן הדפסת מתכת היא הרבה פעמים יותר יקרה משיטות ייצור מסורתיות.
בפרק זה נתעמק ביתרונות וחסרונות אלה ונסקור מגרעות וחוזקות נוספות של כל אחת מהטכנולוגיות.

יתרונות בהדפסת מתכת

מורכבות גאומטרית

היתרון המובהק ביותר של הדפסת תלת מימד במתכת על שיטות ייצור מסורתיות הוא החופש העיצובי יוצא הדופן שהדפסת מתכת מאפשרת. מדפסות מתכת אינן דורשות שימוש בכלים נלווים כגון מקדחים, כרסומים או תבניות ולכן התניות מבניות רבות המושפעות משיטות הייצור- אינן חלות על חלקים המיוצרים בעזרת הדפסת מתכת. ליתרון מדפסות המתכת בייצור גאומטריות יש תפקיד חשוב אף יותר כאשר מדובר בתהליך פיתוח במהלכו גאומטריית המוצר המודפס משתכללת והופכת למורכבת יותר ומודפסת שוב ושוב. זאת משום שמחיר הייצור של מוצר מורכב או פשוט הוא כמעט וזהה במדפסות מתכת, בניגוד לשיטות ייצור מסורתיות בהן עלייה במורכבות החלק יכולה להעלות את מחיר הייצור משמעותית.

מקור: https://www.machiningnews.com/2017/08/making-time-for-holthinrichs-watches/

חלקי שעון שהודפסו בטכנולוגית DMLS על ידי חברת השעונים Holthinrichs Watches. הדפסת מתכת איפשרה במקרה זה יצירה של גאומטריות ופרטים שלא ניתן היה לייצר בטכנולוגית ייצור מסורתית.

קלות משקל

תוצאה ברורה של היכולת של מדפסות המתכת לייצר חלקים בעלי גיאומטריות מורכבות היא ירידה במשקלם של החלקים. הדפסה תלת מימדית במתכת מאפשרת יצירה של עוביי דופן דקים במיוחד שקשה מאד להגיע אליהם בעזרת שיטות ייצור מסורתיות תוך כדי שמירה על חוזק רב של המודל המודפס. בנוסף לעובי דופן דק, הדפסת מתכת מאפשרת יצירה של תעלות פנימיות וחללים בתוך מודל מודפס ועל ידי כך מסירה אחוזים נוספים ממשקל החלק. ליכולת זו יש יתרון מהפכני בתחומים בהם קלות משקל של חלק ועובי דופן דק יכולים לשחק תפקיד מכריע לדוגמא התעשייה האווירית והתעשייה הרפואית.

מקור: https://atos.net/en/2016/press-release_2016_10_03/atos-materialise-create-revolutionary-component-spacecraft-structures-made-metal-3d-printing

רכיב שהודפס עבור תעשיית החלל על ידי חברת Atos. הדפסת מתכת איפשרה במקרה זה להוריד משמעותית את משקלו של החלק.

שיפור יכולות התפקוד של החלק המודפס

יתרון נוסף הנובע מהחופש העיצובי המתאפשר בהדפסת תלת מימד במתכת הוא שיפור התפקוד של החלק המודפס ואף יצירה של יכולות חדשניות לגמרי בחלקים המודפסים. שיפור התפקוד מתאפשר בעיקר בזכות יצירה של מבנים פנימיים בתוך החלק המודפס-דבר שבשיטות ייצור מסורתיות הוא בדרך כלל איננו אפשרי או במקרה הטוב כרוך במורכבות עצומה.

התייעלות תהליך הייצור

המפעלים המוכרים לנו כיום, מוגבלים לייצור החלקים עבורם המפעל מיועד. ייצור חלק חדשני במפעל קיים כרוך כמעט תמיד בהבאה של מכונות חדשות לגמרי. במציאות בה אנחנו חיים כיום צרכים חדשים עולים מיום ליום וחלקים חדשניים מיוצרים. מדפסות המתכת מאפשרות לייצר כל חלק ללא הבאה של אביזרים נלווים חדשים או מכונות חדשות.

המרכז המחקרי של Technical Research Centre of Finland Ltd & Nurmi Cylinders Oy-VTT
ביצע הסבה של שסתום הידראולי המיוצר בשיטות ייצור מסורתיות לשסתום הידראולי המיוצר בהדפסה תלת ממדית במתכת בטכנולוגית DMLS. הדפסה תלת ממדית במתכת איפשרה ייעול של תהליך הייצור בנוסף ליתרונות נוספים באיכות החלק כגון הקטנה במשקל ובנפח החלק, הקטנת הסבירות לדליפות ועוד…

חסרונות של הדפסת מתכת

עלות ייצור

נכון להיום, הדפסת מתכת היא טכנולוגיה יקרה יחסית לייצור מסורתי. בהיבט הכלכלי, להדפסת מתכת יש יתרון כאשר מדובר בשדרוג היכולות של החלק או שדרוג תהליך הפיתוח והאופטימיזציה של החלק באמצעות טכנולוגית ההדפסה. כאשר מדובר במצב בו יכולות החלק, המבנה ותהליך השיפור שלו יכולים להעשות בשיטת ייצור מסורתית, כמעט תמיד ייצור בשיטה המסורתית יהיה משתלם יותר. קיימות גם טכנולוגיות הדפסה במתכת שהן זולות יותר באופן יחסי כמו שיחול מתכת אך רזולוציית ההדפסה שלהן היא נמוכה יותר מטכנולוגיות הדפסת מתכת אחרות. הצורך בייצור בעזרת מדפסות מתכת הוא קיים ובוער, לכן ניתן לצפות שטכנולוגיות חדשות בתחום יתפתחו ושמחירי הייצור ירדו בהתאם.

התניות יחודיות עבור הדפסת מתכת

הדפסת מתכת פותחת אפשרויות ליצירה של מודלים חדשניים שלא היו ניתנים ליצירה בטכנולוגיות אחרות. אך אף על פי כן, בדומה לכל טכנולוגיה קיימת-לא כל חלק או מודל יכול להיות מיוצר בעזרת הדפסת מתכת, גם על חלקים המתוכננים עבור הדפסה במתכת חלות התניות מסוימות. ההתניות הייחודיות של הדפסת מתכת מהוות אתגר כאשר יש צורך להסב חלקים שתוכננו במקור עבור שיטת ייצור מסורתית לחלקים המיוצרים בהדפסת מתכת. במקרים כאלה החלקים הקיימים בדרך כלל צריכים לעבור התאמה עבור הדפסה במתכת.

זמן ייצור ועיבוד משלים

בדרך כלל ייצור בעזרת הדפסה תלת מימדית במתכת לוקח יותר זמן מאשר ייצור בעזרת שיטות ייצור מסורתיות. זמן הייצור מושפע לא רק מזמן ההדפסה אלא גם מתהליך העיבוד המשלים לו נזקקים כל המודלים המודפסים במתכת- טיפול תרמי, הסרת תומכים, שיוף ועוד… חיוניותו של העיבוד המשלים בהדפסות מתכת משפיעה גם על עלות התוצרים היות וכרוך בתהליך זה כוח אדם אנושי העוסק בתהליכי הסרת התומכים, השיוף ושאר הטיפולים המשלימים הנדרשים. זמן העיבוד המשלים משתנה בין מדפסות המתכת השנות, ישנן מדפסות בהן החלק המתקבל בסיום ההדפסה הוא "חצי גמור" והוא מצריך תהליך ארוך יחסית של סינתור בעוד שמדפסות אחרות כוללות את תהליך הסינתור במהלך ההדפסה עצמה ובסיומה החלקים זקוקים לטיפול תרמי קצר יותר עבור הקשיה סופית בלבד.

לסיכום, הדפסה תלת מימדית במתכת היא טכנולוגיה ייחודית הפותחת אפיקים חדשים בתחום הייצור אך כמו כל טכנולוגיה אחרת, גם לה יש יתרונות וחסרונות. טכנולוגית הדפסת התלת מימד במתכת דוהרת קדימה במהירות מדהימה. מדי שנה מתפתחים חידושים טכנולוגיים בתחום הדפסת המתכת. הצורך בטכנולוגית הדפסה תלת מימדית במתכת מורגש בכל תחומי הייצור בתעשיה. הצורך ההולך וגדל בטכנולוגית היצור החדשה מוביל להאצה של פיתוח שדרוגים ושיפורים למדפסות המתכת הקיימות ולכן יש לצפות שרוב החסרונות הקיימים כיום בהדפסת מתכת יצטמצמו משמעותית וסביר להניח שמדפסות מתכת יהוו תחרות ישירה לצורות הייצור המסורתיות.