מדפסת תלת-ממד בפעולהמדפסת תלת-ממד מדגם ORDbot Quantumמודלים של ראשי אדם מיניאטוריים שיוצרו במדפסת תלת־ממד
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).
כיום קיים מגוון גדול של מדפסות תלת-ממד - מדפסות תעשייתיות, מדפסות המדפיסות אובייקטיo 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.[1] 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.[2]
מעבר ליישומים המסורתיים של הדפסה תלת-ממדית בתעשיות שונות, קיימים פיתוחים חדשים המאפשרים שימוש בטכנולוגיה זו בדרכים חדשניות. אחד התחומים המתפתחים במהירות הוא הדפסת תלת-ממד של חומרים ביולוגיים ורקמות אנושיות. מדענים ברחבי העולם עובדים על פיתוח מדפסות המסוגלות לייצר איברים להשתלה, דבר שיכול לשנות את פני הרפואה בעתיד. בנוסף, קיימות מדפסות תלת-ממד להדפסת מזון, המאפשרות יצירת מנות מותאמות אישית בעיצוב מיוחד, ומדפסות הבונות מבנים גדולים כמו בתים וגשרים. תחום נוסף שמתקדם הוא הדפסה של מוצרים רב-חומריים המשלבים תכונות שונות, כגון חלקים גמישים ונוקשים במוצר אחד, מה שמרחיב את אפשרויות הייצור והשימושים הפוטנציאליים בטכנולוגיה זו .[3]
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.[4]
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.
תצורות מרכזיות למדפסות תלת-ממד
מדפסות תלת־ממד קלאסיות
במדפסות תלת-ממד קלאסיות (מדפסות תלת-ממד שמבוססות על מערכת צירים קרטזית) ראש ההדפסה זז על צירי X ו-Y בזמן ההדפסה, וכשהוא מסיים להדפיס שכבה משטח ההדפסה יורד בציר Z, וכך הראש יכול להדפיס את השכבה הבאה.
מדפסות תלת־ממד להדפסת איברים
מכונות ההדפסה המיועדות להדפסת רקמות מיוצרות במיוחד לשימוש בחומרים ביולוגיים, זאת בשל המורכבות הן של האלגוריתם והן של החומרים הביולוגיים. מכונת הדפסה בתלת-ממד סטנדרטית עובדת עם חומרים פלסטיים אחדים המודפסים שכבה אחר שכבה כאשר עיקר הפעולה היא בניית המבנה המרחבי. במקרה של הדפסת חומר ביולוגי, החומרים המכילים את השכבה הבודדת צריכים להיות משולבים יחדיו, כמו כן רבים מהחומרים הביולוגיים נמצאים במצב צבירה נוזלי, על כן כאשר מודפסת שכבה מסוימת עלולה להתרחש דיפוזיה וכך המבנה יישבר, או יפעפע לשכבות תחתונות יותר, מה שנמנע בהדפסות סטנדרטיות באמצעות קיבוע של השכבה (לרוב באמצעות חשיפה לאור) שבמקרה זה אינו מתאפשר. במכונת הדפסה ביולוגית לרוב בשל המורכבות, התנועה בציר ה Z תהיה של ראש המזרק ולא של משטח ההזרקה כמו ברוב מדפסות תלת הממד הקלאסיות.
מדפסות תלת־ממד מסוג דלתא הן מדפסות תלת-ממד, אשר מנגנון התנועה שלהן שונה ממנגנון התנועה של מדפסות תלת-ממד המבוססות על מערכת צירים קרטזית. במדפסות הדלתא האובייקט המודפס מונח על משטח ההדפסה ואינו נע במהלך הדפסתו. הראש המדפיס את האובייקט נע באופן מקביל למשטח ההדפסה (דבר הנובע מהגאומטריה של המדפסת). יתרונות מדפסות הדלתא על מדפסות תלת-ממד בעלות מערכות צירים קרטזיות על מדפסות תלת-ממד רגילות:
לעומת מדפסות תלת הממד בעלות מערכות הצירים הקרטזיות, למדפסות הדלתא יש יציבות גבוהה יותר הנובעת מכך שהאובייקט המודפס אינו נע - מגש ההדפסה סטטי.
ראש ההדפסה קל, דבר המאפשר תנועה מהירה יותר ותאוצות גבוהות יותר (מומנט אינרציה נמוך).
יכולת תנועה מהירה ותאוצה גבוהה בכל הכיוונים (גם בכיוון של ציר Z). יכולת זו משפרת את איכות ההדפסה ומאפשרת דילוגים מעל אזורים שכבר הודפסו.
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. חוטי הפלסטיק המשמשים להדפסה תלת-ממדית בטכנולוגיה זו, יהיו עשויים לרוב מ-ABS או מ-PLA (סוג של ביופלסטיק).
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[5]. Z-Corp הייתה גם הראשונה ששילבה ראשי צבע במדפסת והדפיסה 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 סטרטסיס 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 ביוני2013 רכשה Stratasys את יצרנית המערכות השולחניות להדפסה בתלת-ממד MakerBot בכ-400 מיליון דולר.[6] 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-MakerBot נחשבת לאחד הגורמים החלוציים והמובילים בו.[7] 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.[8]
חברת ננו דיימנשן הישראלית, העוסקת בפיתוח וייצור מדפסות תלת-ממד לתעשיית האלקטרוניקה.[9]
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־ממד בשיטות FDM ושרף.
בשנת 2009 יצרה חברת Organovo 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[10] אותו מדפיסים.
בשנת 2011 הציגו החוקרים אנטוני אטהלה, ג'ואן אנריקואז ולוק מסלה כליה אנושית[11] 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.[12]
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.[14][15]
.jpg)
