הדפסה תלת-ממדית מאפשרת ייצור עצמים ממגוון חומרים, בצורות ובמבנים שאי אפשר לייצר בשיטות מסורתיות. נסביר כיצד פועלות מדפסות תלת-ממד מסוגים שונים, מה ניתן להדפיס בעזרתן ומהם היתרונות של הדפסת תלת-ממד.

בשיטות ייצור מסורתיות כמו חריטה או כרסום, המוצר מתקבל על יד הסרה של חומר מהעצם הגולמי – כמו שמגלפים פסל קטן מאבן גדולה. לעומת זאת,  מדפסות תלת-ממד מתחילות מאפס [1] ומוסיפות חומר כדי לייצר עצמים תלת ממדיים, בדומה למדפסת הזרקת דיו מסורתית, אך בשלושה ממדים. זוכרים את הימים שהייתה לכם בבית מדפסת A4 ויכולתם להדפיס בה אקורדים לשירים של שלמה ארצי כדי לנגן ליד המדורה? אז היום תוכלו להדפיס דגם קטן של שלמה ארצי! לא שימושי, אבל מגניב בהחלט.

המגבלות האופייניות למכונות ייצור מסורתיות אינן קיימות במדפסות תלת-ממד, מה שמאפשר לנו ליצור עצמים בצורות מגניבות ממש. מכונת עיבוד שבבי בעלת שלושה צירים יכולה לעבד חומר גלם בעזרת שלושת ציריה בלבד, כלומר היא אינה מסוגלת לבצע חיתוכים זוויתיים ומורכבים; מכונה בעלת חמישה צירים יכולה לסובב את החלק תוך כדי העיבוד, וכך לגשת לחומר הגלם ממספר רב של כיוונים, וליצור חלקים מדויקים ואסתטיים ומבנים מורכבים יותר, חריטה אומנותית לדוגמה [3], אך גם מכונה זו לא תוכל לייצר מבנה בעל גאומטריה לא נגישה, כגון כדור כלוא בתוך קובייה, שרשרת או כדור חלול [4]. באמצעות המכונות המסורתיות אנחנו יכולים לעבד את המשטח החיצוני של הכדור, אך לא נוכל להגיע לחלקו הפנימי של הכדור ולהסיר ממנו חומר מבלי לפגוע בקליפת הכדור. הדפסה תלת-ממדית מסירה מגבלה זו ומאפשרת ייצור חללים כלואים. עם זאת, יש להדפסה בתלת-ממד מגבלות שנובעות מהצורך בייצוב ותמיכה: אי אפשר להדפיס חומר באוויר; הגוף המודפס צריך להיות מונח על גבי משטח או גוף אחר. אם כך, כיצד נוכל להדפיס את קליפת הכדור החלול? לצורך זה המדפסת יכולה לייצר לעצמה תמיכה, כלומר להדפיס פיגום אשר על גביו תודפס קליפת הכדור [5]. במקרה כזה לא יהיה הכדור חלול, אלא יכיל תמיכות אשר עליהן תנוח הקליפה. לרוב תהיה צפיפות התמיכות קטנה בהרבה מצפיפות הקליפה – הן יהיו קלות יותר ויכילו פחות חומר. לעיתים אף מיוצרות התמיכות מחומרים מסיסים במים, וניתן להסירן בקלות. יש לציין שקיימות גם שיטות של הדפסה בתלת-ממד שאינן מצריכות תמיכה. 

מרבית מדפסות התלת-ממד הביתיות פועלות בשיטה שנקראת Fused Filament Fabrication – הזרקה של חומר מותך על גבי משטח הדפסה. חומר הגלם להדפסה, ה"דיו", הוא חוט עשוי חומר תרמופלסטי או מתכת, שעוביו כמילימטר. החוט עובר דרך נחיר שמתיך אותו ומיישם את ההתך לפי תוכנית העצם המודפס. טמפרטורת החומר המוזרק היא בין 200 ל-300 מעלות צלזיוס בדרך כלל, ובחלק מהמדפסות מתחמם גם משטח ההדפסה [2]. שיטה זו נפוצה ופשוטה  מאוד, וכיום ניתן לקנות מדפסות מסוג זה במאות בודדות של דולרים.

שיטה נוספת להדפסה בתלת-ממד מתבססת על ג'ל פולימרי שמתקשה כאשר פוגעת בו קרן לייזר [6]: הקרן מכוונת אל תוך אמבט ובו שכבה של ג'ל וגורמת לאזורים מסוימים להתקשות. לאחר מכן מגש של המדפסת מוסיף עוד שכבת ג'ל והקרן מקשה חלקים ממנה, וכן הלאה. שיטה זו מאפשרת ייצור מדויק מאוד, שכן קרני הלייזר ממוקדות ביותר, ואפשר להדפיס באמצעותה חלקים עדינים ומשטחים חלקים ונעימים למגע. שיטה דומה עושה שימוש באבקה של פולימר, קרמיקה או מתכת [7]. קרן הלייזר ממסה את האבקה וגורמת לחלקים ממנה להתקשות, ולאחר מכן נוספת שכבה חדשה של אבקה, וחוזר חלילה [8].

חידושים בתחום ההדפסה התלת-ממדית מאפשרים ייצור של רכיבים מדויקים ובעלי צורות מסובכות לשימושים שונים בתעשייה. בנוסף, הדפסה בתלת-ממד נותנת פתרון מהיר לייצור של פריט בודד או של אצוות קטנות. למשל, מהנדס יכול לתכנן מוצר כלשהו, ועוד באותו היום לראות דגם מודפס של המוצר, כמו שעשינו כשייצרנו את המשקף של ציקלופ מהאקס-מן [9]. בשיטות ייצור מסורתיות, כמו עיבוד שבבי והזרקת פלסטיק, עשוי ייצור ניסיוני כזה לארוך ימים ואף שבועות. הייצור בהדפסה תלת-ממדית הוא פתרון משתלם לייצור של אבי-טיפוס ושל כמויות קטנות, מכיוון שהוא חוסך את העלויות של תכנון וייצור תבנית להזרקת פלסטיק או תכנות של מכונה לעיבוד שבבי.

בשנים האחרונות נעשתה ההדפסה בתלת-ממד נגישה וזולה, וכיום היא מאפשרת ייצור ביתי של רכיבים באמצעות מדפסות שולחניות פשוטות. ראינו דוגמה לכך בתחילת משבר הקורונה, כאשר מתנדבים רבים בארץ עזרו בהדפסת חלקים עבור מסכות לצוותים רפואיים בבתי החולים. מדפסות תלת-ממד שנמצאות במקומות נידחים, כמו פתח תקווה או תחנת החלל הבינלאומית, מאפשרות ייצור של פריטים קטנים במקום עצמו, וחוסכות את הצורך לשגרם מכדור הארץ [12]. בנוסף, אתרים רבים מציעים הורדה חינם של מודלים מוכנים להדפסה, דבר המנגיש את הטכנולוגיה גם לאלה שאינם בעלי ידע בתכנון חלקים. אנו בטוחים שבעתיד המדפסות יהיו זמינות עוד יותר, ויהיו להן שימושים יצירתיים, כמו הדפסת חלקי חילוף לגוף [10, 11].

מקורות והרחבות: 

[1] הסבר על ההבדל בין שיטות הוספת חומר לשיטות הסרת חומר

[2] הסבר על מדפסות FDM

[3] הסבר על מכונות CNC

[4] סרטון המראה הדפסה של כדור בתוך קובייה

[5] סרטון הסבר בנושא הדפסת תמיכות

[6] הסבר על הדפסה בשיטת Stereolithography

[7] סרטון המתאר את הדפסת החליפה של Iron Man

[8] הסבר נוסף על הדפסה בשיטת powder bed fusion

[9] כיצד בנינו את המשקף של ציקלופ, מדע גדול בקטנה