‫להדפיס את הבלתי אפשרי / לארי גרינמאייר‬

האם הדפסה בתלת-ממד תשנה את פני הייצור המסורתי?

היד התותבת הרובוטית שיוצרה במעבדה הלאומית האמריקנית שבאוק רידג’ נראית כמו חפץ שנוצר בימי הביניים: יד מכוסה שריון שרשראות, שמתאימה יותר לאחוז בחרב כבדה מאשר בספל קפה. הן השלד הפנימי והן העור הדק ודמוי הרשת עשויים טיטניום, כדי שהיד תהיה עמידה, קלת תנועה וקלת משקל כאחת. המנגנונים ההידרוליים הזעירים ורבי העוצמה שמניעים את האצבעות מסתמכים על רשת של תעלות חלולות המשולבות במבנה של היד התותבת עצמה, ללא צורך בקידוח חורים, בצינורות או במצמדים.

עם זאת, מה שעושה את היד הרובוטית הזו למיוחדת הוא לא מה שהיא מסוגלת לעשות, אלא האופן שבו נוצרה ומה שהיא מייצגת. היד פותחה במחשב והורכבה מכמה עשרות חלקים, שהודפסו בתהליך הקרוי “ייצור בשכבות” (additive manufacturing), או בשמו המוכר יותר, “הדפסה בתלת-ממד”. ההמצאה של אוק רידג’ מעניקה הצצה לעתיד הייצור, עתיד שבו יהיה אפשר לייצר בתוך כמה שעות תכנים תפורים על פי הזמנה, שלא היו אפשריים כלל לפני כן.

“יש לנו כאן תֶכֵֶן מורכב ביותר, עם מנגנונים הידרוליים פנימיים המסוגלים לעמוד בעומס של רב מאוד,” אומר קרייג בְּלוּ, מנהל תכנית חומרי האנרגיה באוק רידג’. “יש כאן מבנה רשת שגורם ליד להיות קלת משקל, מפני שחומר מצוי רק במקומות הדרושים. אין כיום שום טכנולוגיה, חוץ מייצור בשכבות, שיכולה לעשות דבר כזה.”

עם הבשלתה של ההדפסה בתלת-ממד לרמה של יצירת מכונות מורכבות, שאי אפשר לייצר בשום דרך אחרת, חברות ענק כגון בואינג וג’נרל אלקטריק מתחילות ליישם את הטכנולוגיה הזאת בפסי הייצור המתקדמים שלהן. במקום הגישה הישנה, שבה חלקים שימושיים נחרטו מגושי חומר גדולים, הייצור בשכבות בונה חפצים שכבה אחר שכבה. שינוי זה בחשיבה עשוי להשפיע על כל היבטי הייצור, החל מתכנון אב-טיפוס ועד ייצור המוני של מוצרים.

עם זאת, ההדפסה בתלת-ממד עדיין ניצבת בפני אתגרים טכניים. בהשוואה לייצור הרגיל המבוסס על סילוק חומר עודף, היא עלולה להיות אִטית, וההתאמה והגימור של החומרים עלולים להיות לא עקביים. כמו כן, מדפסות תלת-ממד מתקשות ליצור חפצים מחומרים מרובים, ואינן מסוגלות לשלב בהם אלקטרוניקה בלי לשרוף את המעגלים החשמליים.

החוקרים עובדים קשה כדי להתגבר על המגבלות האלה, ואין ספק שלגבי יישומים ייעודיים בקנה מידה קטן, לייצור בשכבות יש יתרון עצום. כשהטכנולוגיה הזו תתרחב אל שוק הייצור ההמוני, היא עשויה לחולל מהפכה כללית בתעשייה.

יתרונות על גבי יתרונות

ההיסטוריה של ההדפסה בתלת-ממד מתחילה בשלהי שנות ה-80, כשחברות הזנק ומוסדות אקדמיים, בעיקר אוניברסיטת טקסס שבאוסטין, המציאו מכונות שיכולות לבנות בתוך דקות מודלים תלת-ממדיים של תכנים דיגיטליים. במשך עשרות שנים, מערכות כאלה ואחרות, שעלו בתחילת הדרך כ-175,000 דולר, צברו להן מוניטין בזכות יכולתן לסייע לממציאים ולמהנדסים להפיק אבות טיפוס במהירות ובעלות נמוכה באופן יחסי.

מאז התקדמה ההדפסה בתלת-ממד בשני נתיבים. בקצה האחד, חובבים ויזמים מתחילים יכולים להפיק בקלות דגמי פלסטיק בעזרת מכונות שעולות אלפיים דולר ואף פחות מזה. ההתקנים הביתיים האלה מאפשרים למשתמשים להמציא חפצים חדשים, טכנולוגיה שעוררה השוואות בין ההדפסה בתלת-ממד ובין המחשבים האישיים. “כשם שהאינטרנט, שירותי הענן והתוכנה בקוד פתוח אִפשרו לצוותים קטנים להתקיים על “מנות חמות” במשך חצי שנה, לבנות אפליקציות, לפרסם אותן ולראות אם מישהו מעוניין, כך אנו מתחילים לראות תופעה דומה של בניית מוצרים,” אומר תומס קליל, סמנכ”ל טכנולוגיה וחדשנות במשרד למדיניות מדע וטכנולוגיה בבית הלבן.

בקצה האחר, יצרנים גדולים מטפחים גישות עמידות ומתקדמות לייצור של חלקי מטוסים והתקנים ביו-רפואיים, כגון מפרקי ירך להשתלה. המכונות הנדרשות לשם כך עולות לפחות 30,000 דולר, ויכולות להגיע עד מכשירים מבוססי לייזר המייצרים מוצרי מתכת באיכות גבוהה ועולים כמיליון דולר. מדפסות כאלה יכולות להשתמש בפולימרים, במתכות ובחומרים אחרים במצב של נוזל או אבקה. החפצים מתחילים בתור קבצים דיגיטליים, שמאפשרים למתכננים לבצע שינויים קטנים בעבודה לפני התחלת הבנייה בפועל, תוך השפעה מזערית על העלויות.

על פי דוח “מגמות עולמיות 2030: עולמות חלופיים”, שהופק בנובמבר 2012 על ידי המועצה הלאומית האמריקנית למודיעין, צוות אנליסטים שמסייע למנהל המודיעין הלאומי האמריקני, הדפסה בתלת-ממד תוכל להחליף תהליכי ייצור המוני מסוימים כגון יציקה, תבניות ועיבוד שבבי עד 2030, בייחוד בייצור בקנה מידה מוגבל או בקרב יצרנים של מוצרים ייעודיים יותר. בחוד החנית של המגמה הזאת מצויות חברות התעופה והחלל. חטיבת מנועי הסילון של חברת ג’נרל אלקטריק, GE Aviation, שמייצרת מנועי מטוסים כבר כמעט מאה שנים, רכשה לאחרונה שני ספקים שמתמחים ביצירת חלקי מטוסים בתהליכי ייצור בשכבות. חברת בואינג כבר משתמשת במדפסות תלת-ממד בעבור יותר מ-20,000 חלקים שמשמשים במטוסים האזרחיים והצבאיים שלה.

חברות כאלה מגלות שהדפסה בתלת-ממד יכולה להיות גם יעילה יותר מייצור רגיל, הן מבחינת האנרגיה המושקעת והן מבחינת חומרים. “כשמייצרים משהו בעיבוד שבבי, לעתים קרובות 80% עד 90% מן הגוש [של החומר] שהיה לכם בהתחלה הופכים לשבבים או לשאריות על הרצפה,” אומר טרי וולרס, יועץ ראשי ונשיא Wohlers Associates, חברה לייעוץ בתחום הייצור בשכבות מפורט קולינס שבקולורדו.

לשבור את התבנית

על אף היתרונות, יצרנים רבים עדיין רואים בהדפסה בתלת-ממד אמצעי ליצירת אבות טיפוס בלבד, ולא מוצרים ברמה תעשייתית. יש לכך שלוש סיבות: מהירויות נמוכות, איכות לא עקבית והקושי ליצור חפצים מורכבים.

ראשית לכול, תהליכי שכבות הם אטיים באופן יחסי, על פי רמת הפירוט הנדרשת. מהנדסים באוק רידג’, בהנחיית המעצב הראשי לוני לאב, השקיעו 24 שעות ביצירת חלקי היד הרובוטית שמשקלה כ-600 גרמים, ועוד כ-16 שעות בהרכבתה (הם מפתחים חומרה שתדפיס את היד התותבת כולה בבת אחת). “אם אתם בונים משהו בגודל כדור טניס ומעוניינים בפרטים עדינים בהפרדה גבוהה, תוכלו לתאר לעצמכם שיידרשו 6 עד 8 שעות לבנייתו,” אומר ריצ’רד מרטוקניץ, ממנהלי המרכז לעיבוד חומרים חדשני באמצעות ריבוד דיגיטלי ישיר, באוניברסיטה של מדינת פנסילבניה. בקצב כזה, ייצור אלפי יחידות במדפסות תלת-ממד יימשך שנים.

ועם זאת, יש מערכות ייצור בשכבות שעובדות מהר יותר. מדובר במערכות שפותחו בעבור הצי של ארה”ב ומסוגלות לרבד כתשעה עד שמונה-עשר קילוגרמים של חומר מדי שעה. אבל, המהירות כאן באה על חשבון כושר ההפרדה, שאינו מרשים. כמו כן, אומר מרטוקניץ, החלקים המודפסים זקוקים לעיבוד שבבי משלים. כדי לשפר את המהירות, החוקרים מפתחים מערכות שידפיסו במהירות משתנה – ירבדו במהירות פיסות גדולות, אך יאטו כשהחלק זקוק לרמת פירוט גבוהה. “הנושא הזה זוכה לתשומת לב רבה כעת, כי אנשים מסתכלים על המגבלות של תהליך השכבות מנקודת מבט של יעילות בייצור,” הוא אומר.

אפשרות נוספת לשיפור המהירות היא לפזר את עומס העבודה על פני כמה מתקני ייצור, אלא שגישה זו מחייבת רמת תִקנוּן גבוהה יותר ממה שיש כיום. רכיב חיוני במנוע סילון של ג’נרל אלקטריק חייב להיראות אותו הדבר ולהתנהג בדיוק באותה יעילות, בלי קשר לאופן ולמקום שבו ג’נרל אלקטריק או כל אחד מספקיה מייצרים אותו. ארגון אחד שעוסק בפיתוח תקנים להדפסה בתלת-ממד הוא ASTM International, לשעבר “האגודה האמריקנית לבדיקה וחומרים”, אם כי עבודה זו מצויה בשלביה המוקדמים.

מדענים מנסים גם לפתח מדפסות תלת-ממד בעלות ניטור עצמי, שיוכלו להדפיס בקצב מהיר תכנים עקביים. המערכת, אומר בלו, תנתח צילומי וידאו במהירות גבוהה של החפץ תוך כדי הדפסה, או תשתמש בהדמיה תרמית באינפרה-אדום כדי לאתר פגמים ולתקן אותם מיד בלי לעצור את תהליך ההדפסה. “תוכלו להוריד את התכניות של החלק אל המדפסת, ותקבלו תוצאה מושלמת בכל פעם,” הוא אומר.

המורכבות ההולכת וגדלה של המוצרים, שמשלבים עוד ועוד חומרים שונים לצד רכיבי אלקטרוניקה, מציבה אתגר נוסף למדפסות התלת-ממד. גישה אחת היא לפתח מדפסות עם ראשי הדפסה מרובים, שכל אחד מהם ירבד חומר אחר. אחד מן הראשים האלה יוכל לשמש להטמעה של תילים חשמליים היישר בתוך התקן תוך כדי הדפסתו.

חוקרים באוק רידג’, במרכז על שם ו’ מ’ קק לחדשנות בתלת-ממד של אוניברסיטת טקסס שבאל פאסו ובמקומות אחרים מתכננים מדפסות תלת-ממד שיוכלו להדפיס גם מעגלים חשמליים. האתגר הוא להימנע מחימום יתר ופגיעה ברכיבים החשמליים, ולהוסיף סביבם שכבות פלסטיק או מתכת. החוקרים בוחנים דרכים להדפיס חומר מבודד סביב הרכיבים החשמליים כדי להגן עליהם. “בעשר השנים הקרובות תראו שילוב של אלקטרוניקה מודפסת עם חומרים אחרים,” אומר בלו.

שילוב של כל הפיתוחים האלה חוזה עתיד מזהיר ליד הרובוטית של אוק רידג’, ואין צורך לומר למי שישתמש בה. המדענים רואים בעיני רוחם עידן שבו רופאים יוכלו לסרוק את היד הבריאה של אדם, ליצור תמונת ראי שלה באופן אלקטרוני ולהדפיס יד תותבת חדשה, מורכבת ומוכנה לשימוש.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

על המחבר

לארי גרינמאייר הוא עורך בסיינטיפיק אמריקן

איך זה עובד

קרן היסוד

החוקרים באוק רידג’ השתמשו במכונת התכה באמצעות קרן אלקטרונים (EBM) כדי לבנות את היד התותבת הרובוטית שלהם. התהליך, המבוצע בחום עז, מתיך אבקות של סגסוגות מתכת, כגון טיטניום או כרום-קובלט, ויוצר מהן חלקי מתכת עמידים ומוכנים לשימוש. אין צורך בטיפול נוסף בחום כדי לייצב חומרים אלה.