הדפסה תלת-ממדית

מדפסת תלת-ממד בפעולה

מודלים של ראשי אדם מיניאטוריים שיוצרו במדפסת 3D

הדפסה תלת-ממדית היא טכנולוגיית ייצור המאפשרת לייצר דגמים תלת-ממדיים היישר מתוך המחשב. לרוב, מכונות ההדפסה מייצרות את הדגמים (אבטיפוס) מפולימרים שונים, שכבה אחרי שכבה, ולבסוף מתקבל דגם סופי, כפי שתוכנן בתוכנות התב"ם (תכנון בעזרת מחשב - CAD).

מדפסת התלת-ממד הראשונה נוצרה בשנת 1983 על ידי צ'אק האל מחברת "3D Systems", יצרנית מדפסות תלת-ממד.

כיום קיים מגוון גדול של מדפסות תלת-ממד - ממדפסות תעשייתיות לייצור במתכות, מדפסות המדפיסות אובייקטים צבעוניים, ומדפסות ביתיות במחירים נמוכים יחסית. מדפסות תלת-ממד נמצאות בשימוש בתעשייה לצורך ייצור דגמים, חלקי מתכת מורכבים, תכשיטים, אופנה ועוד. בנוסף ישנם ניסיונות לייצור מדפסות אשר ידפיסו אוכל, מבנים, איברים ביולוגיים ועוד.

בשנת 2005 פיתח אדריאן בווייר את פרויקט ה-Reprap, שמטרתו יצירת מדפסות תלת-ממד בקוד פתוח בטכנולוגיית FDM. כיום ניתן למצוא 'קיטים' ומדפסות מוכנות לשימוש ביתי המבוססות על פרויקט ה-Reprap.

שיטות הדפסה שונות

• SLA - סטריאוליטוגראפי (Stereolithography): שיטת ההדפסה המסחרית והוותיקה ביותר. נמצאת בשימוש כבר 25 שנים. הבסיס לשיטה זו הוא נוזל מסוג פוטופולימר ההופך למוצק בחשיפה לאור. ב-SLA משתמשים בקרן לייזר או במקרן DLP כדי למצק את הנוזל שיכבה אחר שיכבה. מתקבל מודל מאוד מדויק ובעל פרטים ברורים. כאשר התוצאה יכולה להיות גם שקופה. עם זאת, התכונות המכניות של המודל אינן טובות. הוא קשה, שביר ומושפע לאורך זמן מתנאי הסביבה, כגון לחות, חום ואור.

• FDM - התכה ומיזוג לצורך מידול (Fused Deposition Modelling): זאת שיטת ההדפסה הנפוצה ביותר. חברת "Stratasys" הציגה אותה לעולם בשנת 1991 וב-2005 הוקם על בסיס אותו הרעיון פרויקט ה-Reprap לבניית מדפסת ביתית בקוד פתוח. בשיטת ה-FDM חוט פלסטיק מועבר דרך ראש הזרקה מחומם שמוציא חוט דקיק ומצייר איתו שכבה אחר שכבה. ישנן מדפסות העובדות על מערכת צירים קרטזית כלומר בצירים X ו-Y (כמו אקדח דבק חם) כאשר גובה הבסיס (ציר ה-Z) משתנה לאחר כל ציור של שכבה. מדפסות תלת מימד מסוג דלתא המבוססות על מבנה של רובוט דלתא (אחת החברות המובילות בייצור רובוט מסוג זה היא "SeeMeCNC") מדפיסות בשיטה בה משטח ההדפסה אינו נע, אלא ראש ההדפסה יכול לנוע בכל כיוון תוך כדי שמירת הזרקת הפלסטיק המומס לכיוון המשטח. יתרונות שיטת ההדפסה (FDM) היא בפשטות ובמגוון סוגי החומרים שניתן להדפיס אתם, בהחלפה הקלה של חומרי הגלם ובעלותם הנמוכה.

חסרונות - היות שהדבקת שכבות החלקים חלשה מאוד בציר Z, פרטים לא מתקבלים בבירור. ההדפסה איטית מאוד כאשר מדפיסים מספר חלקים עם תמיכה ולא ניתן לסדר חלקים אחד מעל השני כדי למקסם את מרחב ההדפסה.

• SLS - סינטור בעזרת לייזר סלקטיבי (Selective Laser Sintering): נמצא בשימוש מ-1992. כמו בשיטת ה-SLA, גם בשיטה זו יש קרן לייזר שמציירת שכבה חדשה בכל פעם. בשונה מב-SLA, ב-SLS חומר הגלם הוא אבקת פלסטיק ולא נוזל. התהליך מתבצע בתא סגור ומחומם והתוצאה היא חלקים בעלי תכונות מכניות מצוינות כמו של חלקים המתקבלים בהזרקת פלסטיק לתבנית. החלקים המתקבלים עמידים וניתנים לעיבוד משלים. ניתן להשתמש בתערובות אבקה שונות, כגון ניילון עם כדורי זכוכית או אלומיניום, קרבון וכו'. בשיטה זו ניתן לקבל חלקים מוכנים לשימוש מיידי והיא משמשת כשיטת ייצור מקובלת במקומות רבים. מכיוון שבשיטת ה-SLS ניתן לייצר מאות חלקים איכותיים בכל הרצה של המכונה וללא צורך בטיפול משלים לאחר מכן, היא אחראית לכמות הגדולה ביותר של חלקים המודפסים בעולם מדי שנה. השימוש במדפסות כאלו נפוץ מאוד בתחום רפואת השיניים ליצירת בסיס לכתרים ממתכת.

חסרונות - צבע אחיד, פני השטח גסים מעט, לא ניתן לקבל חלקים שקופים.

• SLM - התכה בעזרת לייזר סלקטיבי (Selective Laser Melting): בדומה ל-SLS, חומר הגלם הוא אבקת מתכת אשר קרן לייזר מתיכה אותה לשכבה דקה בכל פעם. התהליך מתבצע בתא קר סגור ומרוקן מחמצן על ידי הזרמה של גז אינרטי. התוצר הוא אחד מהמרשימים שניתן לקבל בהדפסה תלת-ממדית. מתקבלים חלקי מתכת, בדרך כלל טיטניום או אלומיניום חזקים ומוכנים לשימוש.

• EBM - התכה בעזרת אלומת אלקטרונים (Electron Beam Melting): הדפסת מודלים ממתכת כמו ב-SLM אולם באמצעות אלומת אלקטרונים במקום לייזר.

• PolyJet - שימוש באור על סגול כדי למצק נוזל מסוג פוטו-פולימר. חברת אובג'ט (Objet) הישראלית (כיום חלק מחברת Stratasys) משתמשת בראשי הדפסה, כמו במדפסת הזרקת דיו, כדי להזריק נוזל ומיד להאיר ולמצק אותו. בשיטה ייחודית זו ניתן להדפיס מספר חומרים בעלי תכונות שונות בו-זמנית. לאובג'ט קרוב ל-70 חומרים שונים בעלי תכונות, צבעים ושקיפות שונים.

• הדפסה עם גבס - חברת Z-Corp (כיום חלק מחברת 3D System) פיתחה את סדרת מדפסות ה-Z המשתמשות באבקת גבס אותה הם ממצקים בעזרת מריחת שכבת אפוקסי דקה. התוצאה מתאימה למודלים גדולים כמו מבנים אדריכליים. Z-Corp הייתה גם הראשונה לשלב ראשי צבע במדפסת ולהדפיס מודלים בצבעים מלאים.

• שיטת הדפסה נוספת היא על ידי הדבקת שכבות דקות של נייר או פלסטיק גזור. מדפסות מסוג MCOR מסוגלות לעשות זאת עם גיליונות של דפי A4 רגילים ואף מסוגלות להוסיף צבע. מדפסות של חברת Solido הישראלית מסוגלות לעשות זאת מגליל של פלסטיק דק וצהבהב.

יצרניות מדפסות תלת-ממד

חברת 3D Systems מהחלוצות בתחום, מספקת פתרונות תוכן להדפסת תלת-ממד וכן מדפסות תלת-ממד, חומרי הדפסה ושירותי חלקים מותאמים אישית על פי דרישה. שיטת ההדפסה היא באמצעות נוזל פולימר שמתמצק תחת תאורת UV, מתחת למיכל ישנה מערכת לייזר ומראות שמשרטטת את הצורה על כל השכבה המודפסת, שהופכת לקשיחה, וכך שכבה אחר שכבה עד לסיום ההדפסה.

חברת Mcor Technologies פיתחה בשנת 2005 תהליך הדפסה באמצעות גיליונות נייר משרדי רגילים, דבק ולהב המורכב מטונגסטן קרביד (באנגלית:Tungsten carbide) לחיתוך הצורה.

חברת Stratasys עברה בשנת 2012 מיזוג עם חברת Objet Geometries הישראלית. בשיטת ההדפסה של החברה נעשה שימוש בפולימרים רגישים לקרינה אולטרה סגולה. הפולימר מונח על שולחן הייצור על ידי ראש הדפסה רגיל לחלוטין ומוקשה בשכבות של כ-16 מיקרון עד קבלת מודל אחיד.

ב-20 ביוני 2013 רכשה החברה את יצרנית המערכות השולחניות להדפסה בתלת-ממד MakerBot בכ-400 מיליון דולר.

חברת Stratasys מייצרת מדפסות המיועדות בעיקרן לשוק המקצועי והיא לוקחת חלק מרכזי ברבים מהפרויקטים החדשניים. עם זאת, לחברה כיום אין פעילות בשוק הקטן של מדפסות תלת-ממד לשוק הביתי, שMakerBot נחשבת לאחד הגורמים החלוציים והמובילים בו.

חברת EOS הינה היצרנית המובילה בתחום של ההדפסה התלת ממדית תעשייתית של חלקים המוכנים לשימוש בשיטת SLS - DMLS , בישראל יש כבר מספר מדפסות של החברה גם בהדפסה של פולימרים וגם בהדפסה באבקת מתכת.

מדפסות תלת-ממד ביולוגיות

בשנת 2009 יצרה חברת Organovo את ה-NovoGen MMX Bioprinter, מדפסת תלת-ממד אשר מאפשרת להדפיס רקמות תא אנושי. התהליך מתבצע במספר שלבים. בתחילה מגדלים תאי גזע אנושיים בתרבית. בשלב הבא, כאשר ישנה כמות מספקת של תאים, נעשה שימוש באנזים ייחודי המאפשר את "אריזתם" של תאי הגזע למבנה דמוי כדוריות אותו מדפיסים.

בשנת 2011 הציגו החוקרים אנטוני אטהלה, ג'ואן אנריקואז ולוק מסלה כליה אנושית המורכבת מתאי גזע אנושיים אותה הדפיסו במדפסת תלת-ממד. זהו אב טיפוס בתחילת דרכו ועד היום עדיין לא הושתל איבר מודפס בגוף אנושי חי. בנוסף, מאז ועד היום הודפסו איברים נוספים, כגון אוזן אנושית.

לקריאה נוספת

• הוד ליפסון, מלבה קורמן, תלת-ממד: המהפכה התעשייתית החדשה, הוצאת ר. סירקיס, ידיעות ספרים, 2014

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא הדפסה תלת-ממדית בוויקישיתוף

• תבנית:TheMarker1
• 
  שגיאות פרמטריות בתבנית:כלכליסט
  פרמטרים ריקים [ 5 ] לא מופיעים בהגדרת התבנית אסף גלעד, 5. Objet - המכונה שמדפיסה מאות מיליונים, באתר כלכליסט, 9 במאי 2011
• אלכסנדר הוץ, גרדיאן, בקרוב: רובה מודפס להמונים, באתר הארץ, 26 בנובמבר 2012
• אקונומיסט, המהפכה התעשייתית ה-3 || כך ישנו מדפסות תלת המימד את עולמנו, באתר הארץ, 23 באפריל 2012
• 
  שגיאות פרמטריות בתבנית:כלכליסט
  פרמטרים ריקים [ 5 ] לא מופיעים בהגדרת התבנית יונתן יעקבזון, הדפס לי קציצה, באתר כלכליסט, 21 בנובמבר 2013
• "הושקה ופועלת בישראל: אפליקציה חדשנית המאפשרת הפקת מודלים תלת-מימד ישירות מכל קובץ למודל תלת מימד",ArchiJob Magazine, אוקטובר 2012
• בן קמינסקי, "תדפיס לי משרוקית", The Epoch Times,‏ 13 במרץ 2013
• 
  שגיאות פרמטריות בתבנית:Ynet
  פרמטרים ריקים [ 5 ] לא מופיעים בהגדרת התבנית איתי גל, בריטניה: פניו של בן 29 שוחזרו במדפסת תלת-ממד, באתר ynet, 12 במרץ 2014
• סרטון "מדפסת תלת-ממד בפעולה" באתר Youtube,‏ 13 במרץ 2014
• טלי ציפורי, ‏הצלחה בתלת-ממד: הכל על המדפסות שישנו את העולם, באתר גלובס, 9 בינואר 2015
• הבלוג של גל רז, בלוג מקיף בעברית בנושא טכנולוגיות לייצור בהדפסה תלת ממדית.
• המדען הראשי במשרד הכלכלה מקדם את טכנולוגיות ההדפסה בתלת מימד, בפורטל תשתיות תעשייה ואנרגיה, אפריל 2015.
• הדפסה תלת ממדית הנו אחד המקצועות המבוקשים ביותר בעולם, אתר מדיאטק הייטק - ג'ון ברייס, תרגום מתוך FREELANCER.COM

עומר כביר, מובטל? המדינה תעזור לך למצוא ג'וב בהדפסת תלת ממד, באתר כלכליסט, 3 ביוני 2015