יציקה או עיבוד CNC: מתקדמים קדימה מתקופת הברונזה

יציקה הינו תהליך עתיק שבאמצעותו יוצקים מתכת מותכת לתוך תבנית, והיא קיימת מזה למעלה מששת אלפים שנים, והשימוש בה רווח עד היום. התקדמות הטכנולוגיה מאפשרת יציקה של חלקים באיכות גבוהה מאוד ועם סיבולות גבוהה, המתקרבות לעיבוד שבבי CNC - שיטת ייצור חדשה שנמצאת גם היא בשימוש נרחב.

האם שקלתם להמיר תהליכי ייצור רכיבים ליציקות על פני עיבוד שבבי?
האם אתם שוקלים איזו שיטה היא הטובה ביותר לייצור החלק שלכם?

במאמר זה נדון בשני תהליכי הייצור הללו, ביתרונות ובחסרונות של כל אחד מהם.

הקדמה

מהי יציקה?

יציקה נחשבת לתהליך ייצור מעצב, העושה שימוש בתבניות לצורך יצירת חלקים. ישנם סוגים רבים של יציקה, וחומרים רבים שניתן ליצוק באמצעותם. כמאמר זה נתרכז ביציקה של מתכת ולא בחומרים מתמצקים, מרובי-רכיבים אחרים שניתן ליצוק (כמו אפוקסי, למשל).

המתכת נמזגת או מוכנסת מותכת לתוך תבנית ייעודית עם ליבה ועם תוספות בגיאומטריות פנימיות או בחללים מורכבים עפ"י הצורך. אחרי קירור ומיצוק, החלק עובר ניקוי ועיבוד במטרה לתת לפני השטח שלו את הגימור הרצוי. פעולה משנית זו תכלול לעתים עיבוד CNC כדי לייצר סיבולת הדוקה עוד יותר, או תכונות שאינן מושגות ביציקה.

בין החלקים היצוקים הרווחים בחיינו נמנים; גלגלי רכבת, דוושות אוטובוס, להבי טורבינות, חלקי מנועים ועוד ועוד. אלה משמשים כמעט בכל תעשייה אפשרית כולל תעשיות רכב, תעופה וחלל, מוצרי צריכה ומכשור רפואי.

מה הוא עיבוד CNC?

עיבוד CNC הינו שיטת ייצור מפחיתה, שעל פיה מסיר כלי חיתוך שכבות של חומר עודף על מנת להשיג את הגיאומטריה הרצויה. תוכנת מחשב המשתמשת ב-G-code מורה למכונה לאן להזיז את כלי החיתוך, וכיצד לחתוך.

חלקים אשר מיוצרים בעיבוד CNC סובבים את חיינו, בכל מקום: מארזי מתכת למחשב נייד, רכיבים הקטנים היושבים בתוך טלפונים סלולריים, חלקי רכב ותעופה ועוד. אפילו תבניות יציקה מיוצרות באמצעות עיבוד CNC.

איך לבחור שיטת ייצור?

כשמתכננים עיצוב של חלק במוצר, לרוב תיקבע שיטת הייצור שלו בהתאם לשני השיקולים הבאים:

1. פעמים רבות מתחילים מהנדסי עיצוב לתכנן ייצור של חלק כבר מתוך מחשבה על שיטת ייצור מסוימת, כך שהעיצוב יהיה בר ביצוע ויתאים לתהליך הייצור המבוקש.

2. ועם זאת, לפי ייעודו הספציפי של החלק ייתכן ותידרש מידה, צורה או גיאומטריה מסוימת וזו תכתיב את תהליך הייצור. עיבוד CNC ויציקה מתאימים לגיאומטריות שונות, כל אחת לגיאומטריה אחרת.

1. בחירה על פי הגיאומטריה של החלק

בחירת טכניקת הייצור הנכונה מתחילה בהתייחסות לגיאומטריה של החלק. עיצובים מסוימים דורשים הסרת חומר עודף בכמות גדולה, מה שעלול להוביל לבזבוז ולהאריך את זמן הייצור. עבור עיצובים כאלה עדיפה יציקה, למשל בחלקים חלולים בעלי דפנות דקים וחללים גדולים. גם לגיאומטריות מורכבות עדיף לבחור ביציקה, שכן לוקח זמן לעבד גיאומטריות מורכבות במכונה.

חללים פנימיים יהיו לרוב אידיאליים ליציקה דווקא, שכן עיצוב הצורה שלהם באמצעות עיבוד CNC עלול להיות מורכב למדי, ובמיוחד כשמדובר בחללים פנימיים אטומים הדורשים תהליכי הרכבה או חיבורי מתכת בנוסף לעיבוד CNC. לעומת זאת, יציקה מאפשרת לפשט עיצוב של חלק או מכלול של חלקים. במקום לעבד חלקים קטנים רבים ולהרכיב אותם, ניתן ליצוק את כל החלק ולייתר את שלבי ההרכבה.

תכונות מסוימות קשות יותר להשגה ביציקה. לדוגמה, חתכים ומאפיינים פנימיים שונים דורשים תבניות מורכבות עם ליבות ותוספות. קצוות ופינות חדות גם הם אינם אידיאליים ליציקה, וחלקים יצוקים דורשים לרוב זוויות חליצה. חלקים גדולים בעלי צורה חריגה או דפנות עבים יתאימו גם הם יותר לעיבוד CNC, כיוון שגיאומטריות כאלה קשות יותר למילוי ולצינון אחיד לאורך תהליך היציקה.

2. בחירה על פי סוג החומר

יציקה "מבזבזת" פחות חומר מאשר עיבוד CNC. תהליך היציקה משתמש אך ורק בחומר הדרוש לחלק בתצורתו הסופית, למעט כמות קטנה שזורמת דרך ה-GATE וה-RUNNER. אך גם במקרה זה קל להסיר את החומר העודף, להמיסו שוב ולעשות בו שימוש חוזר לטובת חלק אחר.

כשמדובר ביציקה, מגוון החומרים לבחירה קטן בהרבה, בהשוואה לעיבוד CNC. כמעט כל הסגסוגות ניתנות לעיבוד CNC, בעוד שהסגסוגות שאותן ניתן ליצוק מעטות הרבה יותר.

3. בחירה על פי משך הזמן של תהליכים חיצוניים  

זמן האספקה הכולל של תהליך יציקה נמשך בדרך כלל מספר שבועות. תהליך היציקה עצמו הוא די מהיר - ברגע שהתבנית מוכנה. ולכן שיטה זו מתאימה לייצור חלקים בנפחים גבוהים. ועם זאת, עיצוב ועיבוד של תבניות דורש בעצמו זמן יקר, שיש להוסיף לחישוב זמן האספקה. על התבנית לעבור גם בדיקות איכות ותחזוקה - אם לא מדובר בתבניות מתכלות, בהן משתמשים בחלק מסוגי היציקה. ביציקות בלחץ (die-casting) למשל, משתמשים בתבניות קבועות כך שהזמן והעלות לחלק יורדים ככל שנפח ייצור החלקים גדל.

עיבוד CNC מאפשר מהירות ייצור גדולה יותר שמביאה להחזר מהיר יותר בייצור חלקים בנפח נמוך. אין צורך לחכות לייצור התבנית כיוון שכל מה שדרוש על מנת להתחיל לייצר חלקים זה דגם CAD(Computer Aided Design – כלי מחשוב לתכנון ויצור מודלים של מוצרים), תוכנת CAM (Computer Aided Manufacturing – תוכנה לשרטוט הנדסי) ומכונת CNC.

4. בחירה על פי יכולת חזרה ודיוק

יכולת חזרה (Repeatability) היא אופן החזרה על ייצור של חלק מסויים ללא טעויות מדידה. שוב ושוב.
ביציקות לחץ של אלומיניום, למשל, ניתן להגיע לסיבולת בטווח של +/- 0.2 מ"מ.

יכולות חזרה משתנות בהתאם לחומר. לאלומיניום יש נקודת התכה גבוהה יותר מאשר לאבץ ולכן הוא דורש לחץ הזרקה גבוה יותר בפרט ותהליך אגרסיבי יותר, בכלל. אלה מסתכמים בסיבולת רופפת יותר באלומיניום יצוק, לעומת סיבולת של אלומיניום מעובד. באבץ, לעומת זאת, כן ניתן להשיג סיבולת חזקה יותר.

עיבוד CNC למתכת גם הוא תהליך מדויק וניתן לחזרות. הוא מייצר סיבולת חזקה בהרבה יותר מאשר יציקה. בעיבוד מתכת ממוצע סביר בהחלט לצפות לסיבולת של 0.02 מ"מ. דיוק העיבוד של מטאליטק מסוגל לייצר חלקים בעלי סיבולת הדוקה עד +/- 0.005 מ"מ.

5. בחירת אבטיפוס

אם אתם בשלב יצירת האבטיפוס, יציקה לא תתאים לכם. בתהליכי יציקה יהיה עליכם לשלם עבור תבניות יקרות שייוצרו מחדש או עברו התאמות. בנוסף, עם כל שינוי בעיצוב, וזמני האספקה - העלויות יגדלו בהתאם. יציקה של אבטיפוס יכולה לעלות לעיתים מאות אלפי שקלים. חלופה מתאימה היא יציקת חול אשר זולה יותר. אין יתרון של ממש בהעדפה של יציקת לחץ על פני יציקת חול, כדי לייצר אבטיפוס.

עיבוד CNC הוא הבחירה הטובה ביותר לבניית אבטיפוס, בעיקר בזכות הזריזות היחסית של התהליך. כאשר העיצוב עדיין בתנופה, כל שעליכם לעשות הוא להחליף את הדגם ולהתאים את תכנית ה-CAM במקום ליצור תבנית חדשה או לשנות תבנית קיימת.

6. בחירה על פי כמות וביקוש

קחו בחשבון גם את כמות החלקים שאתם צריכים. בשלב המוקדם של יצירת האבטיפוס ייתכן שלא תצטרכו כמות גדולה, ולכן עיבוד CNC יתאים יותר. תנודות בביקוש מהווות שיקול נוסף - באיזו תדירות אתם צריכים לייצר יותר חלקים? אם יש תנודות בביקוש, עיבוד CNC יהיה בחירה טובה יותר.

בעיבוד CNC ניתן להשיג חלקים מהר יותר ובהתאם לביקוש, במיוחד עם מהפך הייצור הדיגיטלי. עיבוד CNC הוא בחירה כלכלית טובה מכיוון שהוא מאפשר הזמנה של חלקים בהתאם לצורך, במקום ההכרח לנסות לחזות את הביקוש ולהיתקע עם חלקים עודפים במלאי. עם זאת, אם אתם עוברים לייצור עם צפי לביקוש גבוה, עדיפה יציקה כיוון שזו מתאימה יותר לייצור המוני ומהיר.

לסיכום

אז מתי כדאי לבחור ביציקה ומתי בעיבוד CNC? שיקלו באיזה שלב אתם נמצאים בתהליך הפיתוח, כמות החלקים שתצטרכו, תנודתיות הביקוש והגיאומטריה של החלקים.

ההחלטה אמורה להכיל בתוכה התחשבות במירב המשתנים שתוארו לעיל על מנת לקבל החלטה שלמה ומלאה.

תהליך הייצור הנכון תלוי במהות הפרויקט. ייתכן שתמצאו את עצמכם מתמודדים עם שילוב ייחודי של דרישות שיאלץ אתכם להיות יצירתיים ולמצוא פתרונות חדשניים.

בעוד שהפופולריות של עיבוד CNC צברה תאוצה, היתרונות ביציקות עדיין שרירות וקיימות. כפי שראינו כאן, לכל שיטת ייצור יש יתרונות וחסרונות משלה. עם הידע שצברתם תוכלו לעשות את הבחירה הנכונה עבור הפרויקט שלכם בהתבסס על גיאומטריית החלקים, הכמות, צורכי האיכות ולוחות זמנים שלכם.

לעיתים ייתכן והפרויקט שלכם ידרש לשילוב של יציקה, עיבוד CNC וגימור!

כותב המאמר: איציק קרפל , מנכ"ל מטאליטק
איציק גדל והתחנך בכ"ס. במהלך שירותי הצבאי התנדב לשירות קרבי. בעל תואר ראשון בהנדסת חומרים מאוניברסיטת בן גוריון. באמתחתו ניסיון בשלל תחומים: הנדסת חומרים, תפעול, ניהול רצפת ייצור, הנדסה ולוגיסטיקה בנוסף, מוביל פרויקטים עם ניסיון בניהול קבוצות עבודה גדולות עם ממשקים לספקים/קבלנים חיצוניים.  איציק גר בכ"ס, נשוי + 3 ילדים. קראו אודות איציק קרפל