אופק חדש לשוק האנרגיה: הדפסה בתלת ממד

הדפסה בתלת ממד מתחילה לשנות את האופן שבו מגזר האנרגיה מספק טכנולוגיות חדשות לפיתוחי נפט וגז ולזירת האנרגיות המתחדשות

הדפסה בתלת ממד ((3D, הנקראת בעגה המקצועית ייצור בהוספה additive manufacturing, מעוררת התעניינות עולמית, שהולכת וגוברת במגזרים רבים בתעשייה ובהם סקטור האנרגיה. טכנולוגים מענפים שונים המציאו את השיטה בתחילת שנות השמונים, והאמריקאים היו הראשונים שהשתמשו בה באופן מסחרי.

הביטוי “ייצור בהוספה” (טכנולוגיית AM) מתאר בצורה די מדויקת את אופן הפעולה של מדפסות אלו. המילה “בהוספה” מתייחסת לכך ששיטות להדפסה בתלת-ממד מתבססות על הנחת שכבות של חומרי גלם או על הדבקתן כדי ליצור פריט מוצק ותלת-ממדי. המילה “ייצור” פירושה שמדפסות אלו יוצרות את אותן שכבות לפי תהליך שיטתי, שאפשר לחזות אותו ולחזור עליו. לכן, בבסיסה הדפסה בתלת-ממד אינה תהליך של הדפסה אלא של ייצור.

השוק של הדפסה בתלת ממד צובר תאוצה במהירות, ועל פי תחזית  של לוקס ריסרץ’ הוא אמור להגיע למחזור של 18.4 מיליארד דולר ב-2020 לעומת 4.1 מיליארד דולר בלבד ב-2015. מדפסות בגודל תעשייתי עולות בין 100,000 ל-250,000 דולר, מדווח Aniwaa, אתר שמוקדש להשוואת מחירים המתמחה בהדפסה וסריקה תלת ממדית. בינתיים, מכשירים למשתמשים ביתיים עולים כ-200 דולר באמזון.

 

איך זה פועל?

טכנולוגיית הדפסה בתלת ממד היא תהליך הייצור של מוצרים תלת ממדיים ממודל דיגיטלי מבוסס מחשב. תהליך זה מכונה אדיטיבי, כי השכבות מונחות זו על גבי זו ויוצרות צורות שונות בפלסטיק, בטון או חלקיקי מתכת. מהנדסים ומעצבים משתמשים במדפסות תלת ממד כדי להכין אב טיפוס לקראת שלב ההצטיידות בכלים ומכונות של המפעל, לקראת ייצור הדבר האמיתי.

כאשר היכולת של המדפסות תלת ממדיות משתכללת יותר ויותר, אפשר להשתמש במגוון רחב יותר של חומרים כמו פלסטיק ומתכות כמו טיטניום. היום יותר מעשרים אחוז מהדפסות התלת ממד מנותבים למוצרים סופיים במקום לאבטיפוס, וב-2020 יהיו כבר חמישים אחוז, צופה טרי וולרס, מנכ”ל חברת יעוץ עצמאית.

האינטרס של סקטור האנרגיה

במגזר האנרגיה משמשת הדפסה בתלת ממד לאבטיפוס של טורבינות רוח, מקדחים, מחליפי חום ומרכיבים שונים. בסוכנות הייעוץ CAE מעריכים שבשנת 2019 הטכנולוגיה הזאת תהיה בשימוש בעשרה אחוז מתעשיית הנפט. כיום, העיקרון המנחה לבחינת השאלה מה ראוי להדפסה במגזר האנרגיה, הוא שהחלקים יהיו מורכבים מבחינה גיאומטרית ולא יידרש מספר רב מדי מהם. חלקים לדוגמה? בבקשה – מצמדים של מערכות בטיחות קריטית, שסתומים למעמקי הים, שסתומי בקרה פניאומטיים וכולי.

“צינורות בלחץ גבוה, אסדות קידוח נפט, חוות רוח ומערכים סולאריים במקומות מרוחקים הם מועמדים עיקריים לשימוש בטכנולוגיה של תלת ממד”, אומר בן דורק, מנהל סטודיו באוניברסיטת רוברט גורדון, אברדין. “בסופו של דבר, כל מתקן מרוחק צריך מדפסת תלת ממד כדי לייצר רכיבים חיוניים”.

די-אן-וי בסינגפור וחברת ‘סימנס’ בבריטניה הן בין החברות שיש להן מרכזי פיתוח ומחקר של התחום, מה שמעיד על האפשרות להגדיל עוד ועד את מספר היישומים של השיטה.

חברות לשירותי שדות נפט, לרבות ‘בייקר הוג’ס’, ‘הליברטון’ ו’שלומברגר’ משתמשות בטכנולוגיה של תלת ממד למגוון משימות, מייצור חלקים למקדחים ועד בתי משאבה מורכבים ומחליפי חום. חברות אלה מדפיסות חלקים וחלפים לאבטיפוס, לפני שמחליפים אותם, בשילוב סורקים בתלת ממד למדידת השחיקה והבלאי ולגריסה לחלקיקים של עד אלפיות אינץ’, המאריכים את חיי הציוד היקר.

‘ג’נרל אלקטריק’ משתמשת בחלקים המודפסים בתלת ממד בייצור החדש של טורבינת הגז הטבעי שלה ‘נובה אל-טי-16’. ‘סימנס’ משתמשת בטכנולוגיה הנ”ל לייצור רכיבים כמו להבים ומבערים של טורבינות גז. בחברה מספרים שטכנולוגיית הדפסה בתלת ממד מאפשרת חדשנות ויעילות גבוהה יותר בתכנון ויצור מוצרים מורכבים גיאומטרית. ג’ני נילסון, מנהלת תלת ממד בחברה: “להבים מודפסים ניתן לעצב כך שיפחיתו את הטמפרטורות של המתכת, ופירושו שזול יותר לתפעל אותם”.

סבסטיאן פיגרט, מנהל ההדפסה בתלת ממד של טורבינות גז גדולות בסימנס טוען, שטכנולוגיה של תלת ממד פותחת פתח לייצור מיידי של דגמים שבעבר היו בלתי אפשריים. ייצור סטנדרטי של להב הטורבינה אורך כשנתיים בערך, וזאת בשל המורכבות וכלי העבודה, אבל בהדפסה בתלת ממד, זמן הביצוע יורד לחודשים ספורים. בנוסף,”סימנס משתמשת בטכנולוגיה של תלת ממד כדי להאיץ משמעותית את תהליך השיפוצים של טורבינות הגז SGT-700 ו-SGT-800 באמצעות שימוש בטכנולוגיית התכה בעזרת לייזר סלקטיבי ((SLM. “בתלת ממד אפשר לעשות שינויים ברכיבים קיימים, ולחדש אותם תוך זמן קצר” אומר פיגרט.

בקולט שמש קונבנציונאלי יש בדרך כלל פאנל שטוח של צינורות, או שהצינורות מסודרים בתוך גליל. הקולטים האלה יכולים לקלוט כ-80-90 אחוז מאור השמש המרוכז המכוון אליהם, וזאת אחרי שמביאים בחשבון רפלקציה ואובדן חום. מהנדסים ב”סאנדיה נשיונל לברטוריס” פיתחו קולטים דמויי פרקטל (צורה גיאומטרית המורכת מעותקים מוקטנים של עצמה) שמבוססים על רכיבים שהודפסו בתלת ממד, מתאימים לשימוש בהיקף קטן עד בינוני ויעילים ב-20 אחוז יותר בקליטת אור השמש לעומת הטכנולוגיה הנוכחית. רוב מתקני האנרגיה הסולארית המרוכזת גדולים, אבל החידוש הזה יאפשר ייצור חשמל של מגה ואט במתקן שיהיה קטן יותר מבעבר ועם זאת, יוכל לייצר חשמל לכפר שלם. שיפור היעילות של קולטים קטנים יותר הוא צעד חשוב בדרך להפחתת המחיר של אנרגיה סולארית מרוכזת והיכולת שלה להתאים עצמה להיקף גדול יותר של ייצור.

בצרפת מבקשים להיכנס לעסקי מדפסות מתכת ולמצוא את הדרך לשרוד בתעשייה חדשנית זו. מקור: פרנסואה נסימבני, גטי אימג’ז

יתרונות עיקריים

מהירות גבוהה יותר, עלות נמוכה יותר, גמישות שהולכת ומתרחבת והתאמה לצורכי הלקוח, אלה היתרונות העיקריים של הדפסה בתלת ממד. היא מאפשרת בנייה מהירה של אב טיפוס ומקצצת במידה ניכרת את הזמן הדרוש לתהליך ההגשמה של רעיון חדשני למוצר שמיש.

הדפסה בתלת ממד מפחיתה עלויות ומשנה את טכניקות הייצור בסקטור הנפט והגז. חלק מיצרני הציוד לשדות נפט בוחנים את הרעיון של שימוש במתקני תלת ממד לא רק בייצור, אלא גם בתיקון שוטף בציוד תפעולי. יותר מזה, הוורסטיליות ההולכת וגוברת של הטכנולוגיה מביאה לכך שבמקרים רבים, המוצרים האלה יהיו חזקים וקלים יותר מתמיד.

פיגרט מדגיש יתרון משמעותי בטכנולוגיה: “טכנולוגיה של תלת ממד מאפשרת קונסולודציה – האפשרות ליצור פחות חלקים, שיהיו אף מורכבים יותר, במקום מספר גדול של חלקים פשוטים יותר – מה שמקטין את מספר המכללים מפשט את הייצור ומקטין את פוטנציאל הבעיות הקשורות באיטום ומחברים”.

הטכנולוגיה הזאת מאפשרת גם גישה מיידית ודיגיטלית של החברה לארכיון העיצובים והדגמים שלו ואז בו במקום להדפיס אותם שוב, וזאת במקום שהארגון ייאלץ לתחזק מלאים של חלקי חילוף או יחכה שיגיעו במשלוח.

 

 

ברייס לה גאלו, מנהל אזורי של די-אנ-וי. בדרום מזרח אסיה ואוסטרליה, מציין: “תוסיפו לכל זה את הטכנולוגיה של הבלוקצ’יין שמאפשרת מעקב בטוח וחסוי וכן את הממד הדיגיטלי של ייצור בהוספה ותבינו היכן שוכנת היכולת של המערכת להתאים עצמה להיקפים גדולים יותר. זו תחילתו של שוק מתפתח שבו יימכרו זכויות ורישיונות דיגיטליים להדפסת חלקים, לתיקון וליטוש של חלקים מיושנים, ולהקמת שרשרת אספקה רחבה יותר”.

לוסי אקלנד, מהנדסת במכון להנדסה וטכנולוגיה בבריטניה מסבירה שבכל הקשור באנרגיה סולארית “מתבצעת עבודה מרגשת באופן שבו פותחה הדפסת תאים סולאריים בתלת ממד, מה שמאפשר ייצור של פאנלים סולאריים גמישים וללא שימוש בחומרים יקרים מדי”. לדבריה, טכנולוגיית AM מאפשרת גם “התאמה גדולה יותר והענקת אפשרות גדולה יותר של מעורבות הלקוח בשלב התכנון של המוצר שלו עם עלות נוספת נמוכה מאוד ואפילו אפסית”.

טורבינת גז של חברת סימנס

להבים מודפסים ניתן לעצב כך שיפחיתו את הטמפרטורות של המתכת, ופירושו שזול יותר לתפעל אותם. להבים של טורבינת גז מקור: גטי אימג’ז.

קנצלרית גרמניה אנגלה מרקל מקבלת פסלון בתלת ממד

קנצלרית גרמניה, אנגלה מרקל, מקבלת את דמותה המודפסת בתלת ממד מידי יו”ר סימנס וברקע, שרת החינוך של גרמניה. מקור: טוביאס שוורץ, גטי אימג’ז

מגבלות

לסיכום, הדפסה בתלת ממד נעשית כיום יעילה יותר, אנרגטית יותר וידידותית יותר לסביבה, ודאי כשמדובר בשיטות הייצור המסורתיות, על אף שהשימוש בחומרים רגילים עומד על תשעים אחוזים. לפי חברת די-אנ-וי, הדפסה בתלת ממד יכולה לקצץ בעלויות ובזמן וכך לייצר שווי כספי נוסף של 20 מיליארד דולר לחברות הנפט והגז.

אבל כמו במקרה של כל טכנולוגיה בשלבי פיתוח, יש חבלי לידה וכאבי גדילה. העלות היא אחד מהם. אמנם ייצור לפי הזמנה מיוחדת הוא לא הבעיה כאן, אבל עלויות ההדפסה של כל חלק בנפרד רגישות מאוד לשימוש ב”חדר הבנייה” – החלל בתלת ממדי שבתוך המדפסת, שבו הלייזר מתיך את המתכת או אבקת הפלסטיק. זו הסיבה שחברות שמשתמשות בהדפסות מעין אלו, ובהן גם ‘ג’נרל אלקטריק’ ו’סימנס’ יחכו בדרך כלל עד שיאספו מספר פריטים שימלאו את “חדר הבנייה” וכך ינצלו את היתרון לגודל.

משוכה נוספת העומדת בפני הדפסה בתלת ממד היא האתגר העומד בפני התעשייה והרגולטורים לפתח את התפקוד הנדרש ואת תקני הבטיחות.

אולם, לפי דורק, הבעיה האמיתית בתקופת מעבר זו, הן מבחינת הממציאים והן מבחינת הטכנולוגים, היא אתגר החשיבה: איך להיות יצירתיים בכל הקשור בפיתוח פתרונות שקודם לכן לא יכולנו להעלות בדמיוננו.

שרשרת אספקה משופרת וידידותית לסביבה

כשהטכנולוגיה של ייצור בהוספה תבשיל וארגונים יפתחו קשרים חזקים יותר לתעשייה הזאת, נוכל לראות הזדמנויות מפתח בייעול שרשרת האספקה במספר דרכים. הראשונה היא יצירת מרכזי ייצור שמבוססים על התקשרויות עסקיות, מה שיקצץ את זמן השינוע ועלויות האחסון. חברות יכולות אפילו לשקול החלפת חלקים בו במקום ובשיעור קטן (בין אם המתקן נמצא ביבשה או בים). בארה”ב, למשל, הצי של הצבא בדיוק התחיל במיזם חלוץ שאמור להתנסות במכונה של ייצור בהוספה. אם, לדוגמה, ניתן יהיה לטפל בגורמים סביבתיים במהלך הניסוי הזה, זמן ההשבתה של כלי שיט יתקצר.

נוסף על כך, יצירה של אב טיפוס בזריזות יחסית, תועיל מאוד ליצרני הציוד המקורי בכל הקשור בצמצום זמן היצור ואולי גם להציע הן למפעילים והן ליצרני הציוד פתרון מעשי יותר בעבודה משותפת. אחת המקרים שבהם הודגמה התועלת הייתה כשחברה ביקשה מהאגודה האמריקאית למהנדסי מכאניקה אישור לדגם של שסתום. בסבב הניסויים הראשון, השסתום לא עמד בתקנים של האגודה. החברה מיד עיצבה באמצעות מחשב שסתום עבה יותר וברדיוס גדול יותר והעיצוב המחודש עבר את סבב הניסויים השני תוך יממה מכישלון הסבב הראשון. חסכון של המון זמן והרבה מאוד כסף.

שלישית, בדיקה תוך כדי תהליך, מה שמצליח לרוב כאשר מיישמים מתודות בדיקה (הדמיות אינפרא-אדום או תרמיות) וכן ניתוח מידע תוך כדי תהליך, לפני שהרכיב מושלם. בדיקה תוך כדי תהליך יכולה להגדיל את המהירות של הייצור כולו ב-25 אחוז ולהפחית משמעותית את הזמן של הבדיקות שאחרי הייצור. בכל אחד ממחזורי הייצור מושקעים כסף וזמן רב ולכן אם בעתיד יתמקדו בשלבים המאוחרים ניתן יהיה לזהות אילו פרמטרים ספציפיים בחומר ובחומרה יאפשרו תיקון תוך כדי תהליך והמשכיות של המחזור.