הדפסה תלת-ממדית

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). חוטי הפלסטיק המשמשים להדפסה תלת-ממדית יהיו עשויים לרוב מ-ABS או מ-PLA (סוג של ביופלסטיק).

כיום קיים מגוון גדול של מדפסות תלת-ממד - מדפסות תעשייתיות, מדפסות המדפיסות אובייקטים צבעוניים, ומדפסות ביתיות במחירים נמוכים יחסית. לצד השימוש העיקרי ליצירת דגמים, בשנים האחרונות נעשה שימוש במדפסות תלת-ממד גם לצורך ייצור מוגבל של חלקי פולימר ומתכת מורכבים בתעשיות שונות כגון תחבורה ותעופה, אופנה, רפואה ועוד, והצפי שבעתיד עם התפתחות המכונות יעשה שימוש במדפסות תלת־ממד גם לייצור המוני. בנוסף ישנם ניסיונות לייצור מדפסות אשר ידפיסו מזון, מבנים ואף רקמות ואיברים ביולוגיים. המגבלות שעדין מעכבות את השימוש הנרחב בהדפסה תלת־ממדית הן מחיר גבוה של המכונות ושל הייצור - בעיקר בחומרים שאינם פלסטיק, בעיית איכות ושיעור גבוה יחסית של כשלים.

היסטוריה 
מדפסת התלת-ממד הראשונה נוצרה בשנת 1983 על ידי צ'אק האל מחברת "3D Systems", יצרנית מדפסות תלת-ממד מהגדולות בעולם. בשנת 2006 הפכה הטכנולוגיה לנחלת הכלל כשתוקף הפטנט פג.

בשנת 2004 פיתח אדריאן בווייר את פרויקט ה-Reprap, שמטרתו יצירת מדפסות תלת-ממד בקוד פתוח בטכנולוגיית FDM והפרויקט נהפך לידוע מאוד אחרי שהוא כוסה בצורה רחבה בתקשורת ב-2005. כיום ניתן למצוא 'קיטים' ומדפסות מוכנות לשימוש ביתי המבוססות על פרויקט ה-Reprap. מדפסת הדגל של הפרויקט היא Prusa I3.

שיטות הדפסה שונות 
SLA - סטריאוליתוגרפיה (Stereolithography): שיטת ההדפסה המסחרית והוותיקה ביותר. נמצאת בשימוש משנות ה-90 המוקדמות. הבסיס לשיטה זו הוא נוזל מסוג פוטופולימר ההופך למוצק בחשיפה לאור. ב-SLA משתמשים בקרן לייזר או במקרן DLP כדי למצק את הנוזל שכבה אחר שכבה. מתקבל מודל מדויק מאוד 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 "סטרטסיס" 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 זה מעל זה 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, פחמן וכו'. בשיטה זו ניתן לקבל חלקים מוכנים לשימוש מיידי והיא משמשת כשיטת ייצור מקובלת במקומות רבים. כיוון 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 על-סגול, מתחת למכל ישנה מערכת לייזר ומראות שמשרטטת את הצורה על כל השכבה המודפסת, שהופכת לקשיחה, וכך שכבה אחר שכבה עד לסיום ההדפסה.

חברת  פיתחה בשנת 2005 תהליך הדפסה באמצעות גיליונות נייר משרדי רגילים, דבק ולהב המורכב מטונגסטן קרביד  לחיתוך הצורה.

חברת סטרטסיס עברה בשנת 2012 מיזוג עם חברת  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 Stratasys את יצרנית המערכות השולחניות להדפסה בתלת-ממד  בכ-400 מיליון דולר. חברת סטרטסיס מייצרת מדפסות המיועדות בעיקרן לשוק המקצועי והיא לוקחת חלק מרכזי ברבים מהפרויקטים החדשניים. לחברה אין פעילות בשוק הקטן של מדפסות תלת-ממד לשוק הביתי, ש- נחשבת לאחד הגורמים החלוציים והמובילים בו. באוגוסט 2016 חשפה החברה דגם הדגמה של מדפסת תעשייתית בטכנולוגיית Infinite Build, המבוססת על הדפסה אנכית, ואשר מסוגלת להדפיס רכיבים ללא מגבלת גודל. המדפסת פותחה בשיתוף בואינג האמריקנית ויצרנית הרכב פורד.

חברת ננו דיימנשן הישראלית, העוסקת בפיתוח וייצור מדפסות תלת־ממד לתעשיית האלקטרוניקה.

חברת EOS היא 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.

בשנת 2014 הוקמה חברת creality הסינית, שמתמחה במדפסות תלת מימד בשיטות FDM ושרף.

בשנים האחרונות נכנסו לתחום גם חברות ענק כמו HP, דאסו סיסטמס וג'נרל אלקטריק.

מדפסות תלת-ממד ביולוגיות 

בשנת 2009 יצרה חברת  את 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. מאז הודפסו איברים נוספים, כגון אוזן אנושית.

בשנת 2019 פיתחו באוניברסיטת תל אביב שיטה להדפסה תלת-ממדית של לב האדם העשוי מרקמת תאים שנלקחו מגוף החולה עצמו.

בשנת 2021 צוות חוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליח להדפיס בתלת-ממד גידול קטלני המדמה את התנהגות התאים הסרטניים בסביבתם הטבעית, במטרה לאפשר לפתח נגדו טיפולים ותרופות.

ראו גם 
 הדפסת בניין
 הדפסת איברים

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

קישורים חיצוניים 

 
 
 
 
 בן קמינסקי, הדפסת תלת־ממד: תדפיס לי משרוקית, Epoch Times, 13 במרץ 2013
 
 גל רז, מבוא לתוכנות תלת־ממד למתחילים - עדכון, תכנון והדפסה בתלת־ממד, 8 באוגוסט 2019

הערות שוליים

התקני פלט
דפוס
תכנון בעזרת מחשב
הדפסה תלת-ממדית
ייצור
תלת מימד
טכנולוגיה: היבטים משפטיים ואתיים