מתכננים חלק חדש? תעשו לעצמכם טובה ותקראו את הכתבה הזו שאולי עשויה לחסוך לכם הרבה כאב ראש וכסף בדרך לייצור סדרתי

בעולם פיתוח מוצרי פלסטיק, קל מאוד להתרשם מתכנון תלת ממדי של המוצר. בפועל, המבחן האמיתי מתחיל רק כשמנסים להפוך את הקווים על המסך לחלק שיוצא מהתבנית כאשר הוא יציב, מדויק, מדיד וניתן לייצור סדרתי. כאן נכנס לתמונה בריאון, תהליך ה-DFM (Design For Manufacturing) המורחב כפי שהגדרנו לעצמנו במהלך השנים: מדובר בתהליך שמטרתו לוודא שהמוצר מתוכנן כך שיתאים לתהליך ההזרקה.

תהליך ה-DFM אל מול יצרני התבניות איננו תהליך מוגדר וכפוף לתקן מסוים, לפיכך ייתכן והוא יהיה שונה מספק לספק, ובין ארגון לארגון. לעיתים מדובר על תהליך מוגבל בין מתכנן התבנית בחו"ל (עפ"י רוב בסין) אל מול מתכנן החלק או מזמין התבנית, ולעיתים מדובר בתהליך רחב יותר.

אנחנו בריאון שואפים להרחיב את התהליך בכפוף למסגרת המגבלות אל מול הלקוח. מהניסיון המצטבר אצלנו, ככל שהעמקנו את התהליך, חסכנו זמן וכסף לאחר מכן.

“רוב הבעיות בפרויקטים כאלה לא נולדות במכונה", אומר אהרון ווייס ממחלקת ההנדסה בריאון. "הן מתחילות בשלב תכנון המוצר. עין מיומנת, יכולה לפעמים כבר במבט ראשון להבין שרצוי לבצע שינויים בתכן המוצר כדי  לאפשר ייצור מסחרי אופטימלי בהמשך".

כדי להימנע מהפתעות בשלבים מאוחרים, המהנדסים בריאון בוחנים כבר בשלב הראשוני של קבלת המודל האם הגיאומטריה תאפשר תהליך הזרקה יציב, האם אכן ניתן לייצר את החלק כפי שהוא תוכנן, האם נדרש פתרון תבנית מורכב, ומה משמעות הבחירות ההנדסיות של הלקוח מבחינת עלויות הייצור, זמן מחזור, עיוותים והצורך בתהליכי המשך.

לא כל טולרנס אפשרי בפלסטיק

אחד הנושאים הראשונים שנבדקים במסגרת תהליך זה,  הוא התאמת דיוקי המידות הנדרשים בשרטוט (הטולרנסים) לחומר ולמבנה החלק. בעוד שבתחום העיבוד השבבי למתכות ניתן להגדיר דרישות הדוקות כמעט בכל מידה, בפלסטיק התמונה מורכבת יותר. הגאומטריה הסופית של החלק מושפעת מפרמטרים רבים בתהליך: התכווצות החומר השונה מפולימר לפולימר, כיוון זרימת ההיתך בתבנית, פרופיל הטמפרטורה המשתנה לאורך החלק והיווצרות התכווצות לא שווה לכיוונים שונים, אלו גורמים המשפיעים על המידות, הגיאומטריה המתקבלת ולעיתים גם על התכונות המכאניות.

“ראשית, אנחנו מבצעים 'אנליזות טולרנסים' כדי להבין אם הטכנולוגיה של הזרקת החלק מסוגלת לתת מענה להגדרות התכנון בשרטוט. מדובר על בחינת 'פיזור המידה הצפוי בייצור' הלוקח בחשבון את הדירות מנות חומר גלם, דיוק המכונה, התבנית ועוד..” מסביר אהרון. “לא רק דיוק ליניארי של המידות אלא גם יחסים גיאומטריים, כמו ניצבות מקבילות ועוד. בחלק מהמקרים, במיוחד בחומרים בעלי התכווצות נמוכה, אפשר להגיע לדיוק גבוה במסגרת הפיזור הצפוי בייצור. אבל, לעיתים הדרישה פשוט אינה ריאלית, ואז מתפתח דו-שיח עם המתכנן, מה באמת נדרש מהחלק, האם המידה הנבדקת אכן דרושה להיות בעלת דיוק גבוה, ומנסים ביחד למצוא פתרון ייצורי מתאים.

לצד ניתוח הטולרנסים, עולה גם שאלה בסיסית לא פחות: האם המידה שהוגדרה בשרטוט ניתנת למדידה בפועל. “מתכננים רבים לא מודעים לכך,” הוא מציין, “אבל אם אין מישור מדידה ברור, גם מערכות מדידה מתקדמות כמו CMM לא יוכלו לאמת את הדרישה. במקרים כאלה צריך לחשוב מחדש איך להגדיר את המידות או כיצד למדוד אותן בצורה עקיפה. לדוגמא, אם רוצים למדוד קוטר לחריץ רדיאלי בעל חתך טרפזי אשר בקצהו רדיוס, אין נקודת מגע מוגדרת למדידה, אולם המתכנן בעזרת מערכת ה-CAD יכול בקלות לסמן את נקודת המוצא אשר לא ניתנת לאיתור במציאות".

סימולציה מוקדמת: להבין את החלק לפני שהוא קיים

לאחר בדיקת השרטוט, מבוצעת סימולציה ראשונית שמטרתה להעריך כיצד החלק יתנהג בתנאי הזרקה אידיאליים, בתבנית אידיאלית ובהתאם לחומר שנבחר. זהו שלב קריטי משום שהוא מאפשר לחזות מראש אזורים מועדים לעיוותים, שקיעות או סטיות גיאומטריות עוד בטרם החל תכנון לתבנית.

כאשר הסימולציה מצביעה על בעיה צפויה, יש צורך להבין מה ניתן לשנות מבלי לפגוע בפונקציונליות. “לפעמים מדובר בפינה חדה שאפשר לשנות לרדיוס. לעיתים שינוי קל כמו הוספת צלעות חיזוק משנה לחלוטין את המעוות המתפתח בחלק, וכיוצא בכך. ככל שנכנסים לבחינה זו מוקדם יותר – כך חוסכים ללקוח וליצרן סבבי תיקונים מאוחרים.”

לדבריו, ברגע שמתחילים לייצר את התבנית, מרחב התמרון מצטמצם דרמטית. לכן תהליך DFM איכותי ומורחב, הוא תהליך שמטרתו לשאול את השאלות הנכונות לפני שההחלטות הופכות לבלתי הפיכות, או יקרות מאוד להיפוך

עלות תבנית מול עלות ייצור: החשבון שלא תמיד עושים

אחת התובנות החשובות שמלוות פרויקטים של הזרקה היא שהעלות האמיתית אינה נגמרת בבניית התבנית. החלטות שנראות חסכוניות במחיר התבנית בשלב התכנון עלולות לייצר עלויות תפעוליות גבוהות לאורך זמן, במיוחד כאשר נדרש עיבוד משלים.

דוגמה נפוצה יכולה להיות ויתור על מערכת חמה לטובת חיתוך האנגוס לאחר ההזרקה. “על הנייר זו נראית החלטה כלכלית,” הוא מסביר, “אבל אם האנגוס גדול, כבר לא מדובר בחיתוך פשוט אלא לעיתים נדרשת עבודה על כרסומת. או אז החיסכון מצטמצם משמעותית, ולעיתים לא מעטות, עלות הייצור הכוללת של החלק לאורך זמן גדלה לעומת החלופה שנפסלה מלכתחילה.

בפרויקטים אחרים, הפתרון הוא דווקא לשלב פעולות בתוך התבנית עצמה. כך למשל, במקום לבצע קדחים ותבריגים לאחר ההזרקה 'בעיבוד משלים', ניתן לשלב מנגנונים ומנועים פנימיים שמבצעים זאת במהלך ההזרקה. התוצאה היא חיסכון עלות הייצור לאורך זמן. ושוב בכפוף כמובן להחזר ההשקעה, אולם הנטייה להסתכלות עכשווית על מחיר התבנית ראוי להחליפה בהסתכלות רחבה יותר על הייצור הסדרתי לאורך זמן.

אוטומציה ודו־קומפוננטי: לחשוב מחדש על המוצר

תהליך ה-DFM המורחב אינו עוסק רק בתיקון בעיות. לעיתים הוא מוביל לשינוי תפיסתי של המוצר עצמו. כך למשל, כאשר לקוח מתכנן שני חלקים שמתחברים בהרכבה, ניתן לעיתים לשלב אותם בטכנולוגיה של  הזרקה דו-קומפוננטית ולחסוך שלבי ייצור והרכבה.

“כאשר מדובר בשילוב בין חומרים, למשל: בין חומר קשיח לאלסטומר (אבל לא רק), צריך להבין אם החיבור בין החומרים יהיה כימי או מכאני, ולשנות את תכנן את החלקים בהתאם,” אומר אהרון.

בהתאם למבנה החלק, לכמות הייצור ולציוד הקיים (מכונות הזרקה דו-קומפוננטיות), נדרש לבחור את קונספט התבנית מבין פתרונות שונים, כמו גרעין מסתובב, 'שולחן מסתובב' ועוד.

באחד הפרויקטים, ריאון נדרשה להזריק רכיב קטן מאוד על חלק גדול. במקום הפתרון המסורתי של Over-mold מורכב, הוחלט לשלב יחידת הזרקה קטנה על התבנית עצמה. “זו הייתה התאמה יצירתית למבנה החלק,” מציין אהרון, “אשר אפשרה פתרון ייצורי יעיל משמעותית.”

כאן למשל גם המקום לבחון אם המוצר שמוזרק מחייב הוצאה עם גריפר (רובוט) עקב איסור של נפילה חופשית וכדומה. אם כן, הדבר מחייב בתכנון התבנית מהלך פתיחה מספיק להכנסת זרוע וגריפר וכו'.

שלושה גורמים שחייבים לדבר זה עם זה

בסופו של דבר, הצלחת פרויקט התכנון והמעבר לייצור סדרתי אינה תלויה רק בתכנון מוצר או רק בבניית תבנית. היא תלויה בשילוב בין שלושה גורמים: מתכנן המוצר, מתכנן התבנית וטכנולוג ההזרקה.

“הגישה שלנו בריאון היא שכל חלק חייב לעבור את שלושת אנשי המקצוע האלה לפני שמתקדמים,” קובע אהרון. “כאשר אחד מהם לא מעורב בזמן, הפרויקט עלול להיתקע בשלבים מאוחרים – ואז המחיר גבוה מאוד.”

הוא אף מציין מקרים שבהם תבניות יקרות נאלצו להיזרק ולהיבנות מחדש לאחר שהתברר שהחלק מתעוות ואינו עומד בדרישות. “בפרויקט אחד,” הוא אומר, “הלקוח רכש עצמאית מספק בחו"ל תבנית מרובת שקעים שנבנתה ללא תהליך DFM מסודר. רק לאחר תחילת ההזרקה אצלנו, התברר שהתבנית איננה מסוגלת לייצר חלקים תקינים על פי התכנון. התאמת התבנית לייצור תקין   הצריכה שינוי כה דרמטי ויקר עד כדי כך שהתבנית הושלכה לפח, והלקוח הזמין בריאון תבנית מתאימה חדשה.”

המסר ברור: תהליך ה-DFM  המורחב כפי שאנחנו מבינים אותו, אינו תוספת נחמדה לתהליך הפיתוח, אלא שלב משמעותי המאפשר להפוך את תכן המוצר למימוש בר ייצור ויעיל יותר.