כולנו השתעשענו לא פעם בשאלה איך היו חיינו נראים אילו יכולנו להפוך מחשבה למציאות וליצור בהינד אצבע כל חפץ או מוצר שנרצה. אף שהרעיון הזה הוא עדיין פנטזיה, אפשר בימינו לייצר בלחיצת כפתור כמעט כל חפץ שנפשנו חושקת בו. צעצועים, בגדים, נעליים, שתלים רפואיים, מאכלים ואפילו בתים הם רק דוגמאות ספורות למוצרים שאפשר לייצר באמצעות הטכנולוגיה שהניו יורק טיימס כינה "גדולה יותר מהאינטרנט וחשובה לא פחות מהמצאת מנוע הקיטור" – הלוא היא טכנולוגית ההדפסה התלת-ממדית.
הרצאתה של ליסה הרוני מTED
קצת היסטוריה
טכנולוגית ההדפסה התלת-ממדית נולדה בשנת 1984 עם פיתוח מדפסת התלת ממד הראשונה בידי צ'רלס (צ'אק) הול. שנתיים מאוחר יותר פותח תהליך ההדפסה הראשון, סטריאוליתוגרפיה, שבאמצעותו התאפשר להדפיס ולייצר דגמים תלת-ממדיים. בעשרות השנים הבאות פותחו תהליכי הדפסה חדשים ונוצרו מדפסות חדשות ויעילות יותר במטרה לאפשר לנו לייצר כמעט כל דבר.
אף שהטכנולוגיה הזו קיימת כבר שלושה עשורים, רק בשנים האחרונות היא הפכה נגישה וזולה מספיק לשימוש גם בחברות קטנות, ואפילו לשימוש אישי, דבר שהגביר באופן טבעי את ההתעניינות בה. כיום השימוש במדפסות תלת-ממד מתרחב ומוצרים ויישומים חדשים מופיעים באופן יומיומי.
הדפסה תלת-ממדית?
כמעט לכולנו יש ליד המחשב מדפסת שמתעוררת לחיים כשאנחנו מצווים עליה להדפיס לנו עבודה, תמונה או מסמך. המדפסות הללו פועלות בתצורה דו-ממדית של שכבת צבע דקה מאוד שעוברת לדף הנייר באמצעות התזת דיו או לייזר.
ההדפסה התלת-ממדית מתבססת על עיקרון דומה מאוד, של הדפסת שכבות דקות. אולם בשונה מהדפסת צבע דו-ממדית, השכבות מודפסות זו על גבי זו ומורכבות מחומרים מגוונים כמו פולימרים (פלסטיק), חומרים קרמיים כמו זכוכית, אבקת מתכת ואפילו מוצרי מזון כמו סוכר ושוקולד.
השלב הראשון בהדפסה מתחיל בתכנון תלת-ממדי של הדגם הרצוי באמצעות מגוון רב של תוכנות תלת-ממד. אחרי שהסתיים תכנון המבנה של הדגם הרצוי, התוכנה "פורסת" אותו לשכבות דקות שהמדפסת יודעת "לקרוא" ולהדפיס.
בתהליכי ייצור מסורתיים כמו עיבוד שבבי, המוצר המוגמר מתקבל אחרי שמסירים את החומר מגוש חומר גדול יותר בתהליכי עיבוד כמו כרסום, שיוף, חריטה וקדיחה. לעומת זאת, בהדפסה תלת-ממדית תהליך הייצור מבוסס על הוספה רציפה של שכבות חומר זו על גבי זו.
תהליך ההדפסה התלת-ממדית, לפיכך, הוא תהליך של הוספה לעומת תהליכי הייצור המסורתיים שמבוססים על הפחתה, עושים שימוש במכשור יקר וסובלים ממגבלה בייצור גיאומטריות מורכבות של חלקים מורכבים ומאובדן רב של חומר (לעתים עד כדי 90 אחוז מכמות החומר המקורי). בהדפסה התלת-ממדית, לעומת זאת, לא צריך מכשור רב, אפשר לייצר חלקים בעלי גיאומטריה מסובכת בקלות יחסית, בעלויות תפעול נמוכות ובמשך ייצור קצר.
תהליכי הדפסה תלת-ממדית
כפי שציינתי, בעשרות השנים האחרונות פותחו תהליכי הדפסה מגוונים שנועדו לאפשר לנו להשתמש במגוון רחב יותר של חומרים, לשפר את רמת הדיוק, לייעל את תהליך הייצור וכמובן להפחית את עלותו. כל התהליכים האלה, כאמור, מתבססים על עקרון ההוספה.
סטריאוליתוגרפיה: תהליך הסטריאוליתוגרפיה (סטריאו=מרחב, ליתוגרפיה=כתיבה, הדפסה), שהמציא כאמור הול, הוא התהליך המסחרי הראשון ששימש להדפסת תלת-ממדית. בתהליך הזה ממצקים תמיסה נוזלית באמצעות קרן לייזר. התמיסה מתמצקת מכיוון שהיא מכילה פולימרים שנקשרים זה לזה בחשיפה לאור באורך גל מסוים, כך שרק האזור שנחשף לקרן הלייזר מתמצק. הפולימרים האלה משתייכים לקבוצה שנקראת פוטו-פולימרים (פוטו=אור) ונעשה בהם שימוש רב גם בדבקים. האיור הבא ממחיש את התהליך.
הדפסת דגם תלת-ממדי באמצעות סטריאוליתוגרפיה
בשלב הראשון הבמה שעליה מודפס המוצר ממוקמת כך שרק שכבה דקה של תמיסה מכסה אותה. בשלב השני קרן הלייזר סורקת את הבמה וממצקת את הפולימר על גביה. לאחר מכן הבמה יורדת מעט, מכסים את הפולימר המוצק בשכבה דקה של התמיסה ושוב סורקים עם הלייזר וחוזר חלילה עד לקבלת המוצר הסופי. התהליך הזה נחשב מדויק ביותר, אך בסופו יש צורך בתהליכי גימור נוספים של ניקוי, צביעה ואיחוי של השכבות שהודפסו.
Digital light processing (DLP): תהליך ההדפסה בשיטה הזו מבוסס על עקרון פעולה זהה לסטריאוליתוגרפיה, אולם במקום לייזר סורק נעשה בו שימוש במקרן שמאיר על המשטח כולו ויוצר את השכבה בבת אחת. התהליך הזה מדויק מאוד ודורש פחות חומר מסטריאוליתוגרפיה, ולכן הוא משתלם יותר כלכלית. אך גם הוא דורש אחרי סיום ההדפסה תהליכי גימור נוספים.
הדפסה באמצעות התכה בלייזר: בתהליך הזה הדפסת השכבות נעשית באמצעות התכה ואיחוי של חומר אבקתי על ידי לייזר. תחילה מכסים את הבמה בשכבה דקה של אבקה. לייזר חזק סורק את הבמה ומתיך את האבקה במקומות שקבעה לו התוכנה. לאחר מכן הבמה יורדת מעט, מפזרים שכבה דקה נוספת של אבקה מעל השכבה הקיימת ושוב סורקים וכך הלאה, עד ליצירת המוצר הסופי. בשונה מתהליכים אחרים, בשיטה הזאת אפשר להדפיס מתכות באמצעות שימוש באבקות מתכת, כפי שאפשר לראות בסרטון הבא.
הדפסה באמצעות התכה בחום: בתהליך הזה מדפיסים פלסטיק מסוגים שונים של פולימרים תרמופלסטיים (תרמו=חום, פלסטי=גמיש, ניתן לעיצוב) שרגישים מאוד לשינויים קטנים בטמפרטורה.
בתחילת התהליך מכניסים למדפסת חוטי פלסטיק, שמותכים בה ונשארים על המשטח. במגע עם הבמה הקרה הפלסטיק מתמצק מיד ונוצרת שכבה. לאחר מכן מודפסת שכבה נוספת שנקשרת לשכבה הקיימת, עד לקבלת המוצר הסופי. התהליך הזה אטי יחסית ולפעמים החיבור בין השכבות איננו טוב. אם החיבור איננו חזק, מאחים את השכבות באמצעות אצטון. בשיטה הזו משתמשים בדרך כלל בפולימרים תרמופלסטיים כמו חומצה פולילקטית (PLA) או אקרילוניטריל בוטאדיאן סטירן (ABS).
הדפסה באמצעות התכת פלסטיק בחום | תרשים: Zurek, ויקיפדיה
הדפסה באמצעות התזת טיפות: התהליך הזה פועל על אותו עקרון של מדפסות הדיו הביתיות המוכרות לכולנו. באמצעות תהליך ההתזה אפשר להדפיס בשתי שיטות שונות:
א. התזת חומר מחבר שמדביק חלקיקי אבקה. בשיטה הזו מתיזים טיפות זעירות של החומר המחבר על גבי שכבת אבקה דקה של החומר הרצוי. אחרי שהאבקה מתקשה במקומות שבהם פוזרו הטיפות מפזרים שכבת אבקה נוספת על גביה ותהליך ההתזה חוזר על עצמו עד לקבלת המוצר הסופי.
היתרון של השיטה הזו הוא שהיא מאפשרת להדפיס מגוון של חומרים, כמו חומרים קרמיים, פלסטיק ואפילו שוקולד וסוכר. בנוסף אפשר לצבוע את הטיפות ולהקנות למוצר הסופי מגוון של צבעים. עם זאת, הדגמים שמיוצרים בשיטה זו אינם חזקים במיוחד ולכן נחוצה פעולת עיבוד נוספת לחיזוקם.
ב. התזת חומר שמתמצק לאחר הקרנה באור על-סגול. בשיטה הזו מתיזים על המשטח טיפות קטנות שמכילות פוטופולימרים. כשחושפים אותן לאור על-סגול (אולטרה-סגול) הטיפות מתמצקות כתוצאה מריאקציית צילוב שבה שרשראות הפולימר נקשרות זו לזו.
עתיד ההדפסה התלת-ממדית
אין ספק שטכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית עומדת להשפיע מאוד על עתידנו כבר בשנים הקרובות. רק דמיינו לעצמכם שלכל אחד מאיתנו תהיה מדפסת תלת-ממד שתוכל להדפיס כמעט הכל. נוכל לייצר בביתנו כמעט כל כלי שנרצה, ובמקום לסחור במוצרים נקנה ונמכור קבצי דגמים של מוצרים.
אחד מכיווני המחקר המרתקים ביותר הוא הדפסה תלת-ממדית של איברים באמצעות הדפסת שכבות של תאים. נכון להיום התהליך הזה נמצא עדיין בפיתוח ויידרשו כנראה עוד כמה שנים של מחקר ופיתוח להשלמתו, אולם זו רק דוגמה אחת למהפכה הטכנולוגית האדירה שמצפה לנו בשנים הבאות.
רן טבעוני
דוקטורנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך במענה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
