מהי הדפסת תלת ממדית וכיצד היא פועלת

מאת: פאר פרינט

כולנו זוכרים את הסיפורים על המהפכה התעשייתית שהתחוללה החל מאמצע המאה השמונה עשרה ועד מחצית המאה התשע עשרה  ואיך היא שינתה את החיים באמצעות חידושים טכנולוגיים, כלכליים, אקולוגיים וחברתיים, אבל היא רק היתה יריית הפתיחה למהפכות שבאו אחריה. לאורך השנים אנו עדים למהפכות קטנות וגדולות, להמצאות ששינו את העולם והניעו את האנושות קדימה.

עבור ילידי המאה ה – 21 טכנולוגיה, רובוטיקה ובינה מלאכותית זאת מציאות קיימת והם לא יודעים שכמה עשרות בודדות של שנים מוקדם יותר לא היה צבע ב –   ,TVטלפון היה עם חוגה וכבל מאריך והדפסה בשלושה ממדים היתה שמורה לסרטי מדע בדיוני.

אנחנו חיים הלכה למעשה בתוך מהפכה תעשייתית רביעית, בכל יום יש המצאה מדהימה ושימושית חדשה, או טכנולוגיה ייחודית ומרהיבה שמשנה את המציאות כפי שמוכרת לנו. "אין דבר כזה שאין דבר כזה" ומונחים כגון סייברפאנק וסינגולריות טכנולוגית כבר לא נחשבים לפנטזיה. אחד מהסממנים וההוכחה לכך שאנו נמצאים בליבה של מהפכה טכנולוגית היא קיומה של מדפסת D3, זו שפעם נחשבה למשאלת לב היום פועלת הלכה למעשה.

מהי הדפסה בשלושה ממדים?

מדובר על מכשיר דפוס המייצר עצמים ותוספים בשלושה ממדים, באמצעות הנחת חומרים שכבה אחר שכבה, בהתאם למודל הדיגיטלי התלת ממדי של האובייקט שנמצא בקובץ דיגיטלי.  הכוונה היא שבמדפסת יכולה להפוך קובץ דיגיטלי המכיל נתונים תלת ממדיים – בין אם CAD דהיינו תוכנות תב"מ, (תכנון בעזרת מחשב) או נתונים מסורק תלת ממד או כל תוכנית ייצור אחרת (CAM) והופך אותם לאובייקט פיזי בהתאם לצורך ולדרישה.

בדרך זו ניתן תיאורטית וכפי שניתן לראות גם מעשית, לייצר כל דבר ומכל חומר. הטכנולוגיה מספקת זמני ייצור מהירים, איכות משופרת, עיצוב מוחשי וחופש התאמה כמעט ללא מגבלה, בהתאם לחומרים הנבחרים. מוצרים מורכבים יכולים להיות מודפסים בקלות ובעלויות נמוכות יותר מתהליכי ייצור "מסורתיים".

טכנולוגיית D3 אינה דבר חדש במיוחד, מדפסת התלת ממד הראשונה, שהשתמשה בטכניקת הסטריאוליטוגרפיה הומצאה כבר באמצע שנות השמונים של המאה ה – 20, גם אז היה מדובר על טכנולוגיה המאפשרת יצירה של מודלים באמצעות נתונים דיגיטליים, שבאמצעותם ניתן ליצור אובייקט מוחשי. המדפסת והטכנולוגיה נוצרה על ידי צ'רלס וו. האל וחברת 3D Systems אשר אחזו בפטנט על הטכנולוגיה עד לפקיעתו בשנת 2006 אז נכנסו לענף חברות נוספות שנתנו בוסט משמעותי לתחום.  

כיצד פועלת הדפסת תלת מימד?

אמנם הטכנולוגיה אחידה אך שיטות ההדפסה מגוונות ותלויות בעיקר במודל, בחומרי הגלם, אופן השימוש וכמובן בתקציב. כאמור ניתן להדפיס כבר כמעט כל דבר ומכל חומר, פלסטי, אורגני, מתכתי ועוד.

התוצרים מדהימים וניתן להדפיס כמעט כל דבר שקיים בדמיון וברצון, החל מכלי מטבח ובית, רהיטים ואקססוריז, משחקים קטנים ומתקני משחק לחצר, אפשר להדפיס כלי רכב מכל הסוגים אפשר לייצר בלחיצת כפתור גם בתים. אבל לא רק מודלים דוממים או אביזרים אפשר להדפיס, הטכנולוגיה לא פסחה על העולם הקלינרי וכיום מדפיסים מזון, מסטייק ועד קינוח ולא ירחק היום שנדפיס ארוחות שלמות בטעם הרצוי ועם שמירה על קלוריות.

עם התפתחות הטכנולוגיה היה זה טבעי שמהר מאוד המדע ועולם הרפואה ירתמו אותה לטובתם ולטובת כולנו. זה התחיל בהדפסה לעולם רפואת השיניים עם ייצור שתלים וכתרים, אבל לא עצר כאן ובמקביל החלו לנסות לבצע הדפסת רקמות ואפילו איברים. לא ירחק היום עד שהטכנולוגיה תאפשר לייצר איברים חדשים באמצעות מדפסות ביולוגיות.

שיטות הדפסת D3 הקיימות כיום:

הדפסת חומרים פלסטיים ופולימרים:

• השיטה הנפוצה והידועה ביותר של הדפסת חומרים פולימריים תרמופלסטיים היא ה – FDM Fused Deposition Modelling)). השיטה פועלת על בסיס של התכה ומיזוג לצורך מידול. חומר מומס, המגיע בצורה של חוטים, מוזרק מראש ההזרקה שבמדפסת ומדפיס באופן סלקטיבי בהתאם לנתיב שהועבר מהקובץ הדיגיטלי. הטכנולוגיה הושקה בתחילת שנות ה – 90 של המאה הקודמת ע"י חברת סטרטסיס, יצרנית מדפסות תלת ממד בעלת חזון להנגשת מדפסות D3 בכל בית.
• שיטה נוספת היא הדפסת חומר פלסטי בטכנולוגית SLS Sintering Laser Sintering)) יצירה של אובייקטים באמצעות סנטור אבקה מיוחדת ע"י לייזר. הכוונה בסנטור הוא שבאמצעות חימום ודחיסה ניתן להפוך גוף המורכב מגרגירי אבקה לחומר הנדסי מוצק בתהליך של שכבה אחר שכבה, האבקה מחוממת מראש ולייזר מסנטר את האבקה בהתאם למודל הרצוי.
• שיטת ההדפסה המסחרית הותיקה ביותר של חומרי שרף, קרויה סטריאוליטוגרפיה (Stereolithography) או בקיצור .SLA טכנולוגיה הקיימת כבר כמה עשורים שמהותה מיצוק של פוטופולימר, חומר בסיס נוזלי אקרילי, באמצעות חשיפה לקרן לייזר או קרני UV, שכבה אחר שכבה בהתאם למידות המודל שהוזנו מהמחשב.
• שיטת ה – PolyJet היא שיטת הדפסה נוספת הנעזרת באור סגול על מנת למצק נוזל פוטו-פולימרי, ראשי הדפסה מזריקים את הנוזל והאור המיוחד המוקרן ממצק באופן מידי את האובייקט בהתאם לדרישות המודל.
• שיטת הדפסה פחות מקובלת היא ה – CLIP או DLS: טכנולוגיה הפועלת באמצעות הקרנה רציפה של תמונות UV, ע"י מקרן אור דיגיטלי, כאשר קרני UV חודרות דרך חלון שקוף מתחת לאמבט שרף נוזלי במטרה למצק את החומר בהתאם למודל הרצוי.

הדפסת מתכות:

בנוסף להדפסת חומרים גמישים ניתן גם לבצע הדפסה של חומרים מתכתיים באמצעות סנטור לייזר מתכתי ישיר. טכנולוגיית ה – DMLS פועלת באמצעות סנטור חלקיקי אבקת מתכת עדינים עד התכה. התהליך דומה לתהליך SLS  של סנטר הלייזר הסלקטיבי הפועל על חומרי פלסטיק וההבדל היחיד הוא בטמפרטורת הסנטור, שמן הסתם בהדפסה מתכתית גבוהה משמעותית, מעל 1510 מעלות צלזיוס. שיטה נוספת היא התכת לייזר סלקטיבית, SLM (Selective Laser Melting) הפועלת עם אבקת מתכת המותכת באמצעות קרן לייזר, שיטה זו יקרה משמעותית מהשאר מאחר שנדרש ציוד מותאם לרבות תא מיוחד המרוקן מחמצן עם צינור המזרים גז אינרטי המבודד את תגובת הלייזר, אך ההשקעה בסופו של דבר יוצרת תוצרים מרהיבים וחזקים במיוחד.

הדפסה ביולוגית

אולי זה ישמע מוזר אבל מדפסת תלת ממד ביולוגית דומה מאוד לשיטת הדפסה D3 רגילה. ההבדל הוא בחומר הגלם, במקום להדפיס חומרי גלם פלסטיים מדפיסים באמצעות חומרי גלם ביולוגיים המכילים רקמה חיה.

המדפסת הביולוגית עובדת עם מגוון חומרים אורגניים במרקמים שונים לרבות נוזל, אבקה, ג'ל ועוד בהתאם לצורך. החומר עובר ממחסנית חומר הגלם אל מחט ההדפסה הייחודי המייצר מודל בהתאם לפרמטרים שהוזנו מהמחשב.  באמצעות מדפסות ביולוגיות ניתן לייצר איברים או תאים בריאים ולהשתילם בגוף המטופל, מאחר שחומר הגלם הראשוני, דהיינו התאים, נלקחו מגופו, הגוף לא דוחה את השתל וההחלמה אמורה להיות מהירה. הטכנולוגיה מאפשרת שימושים רבים ויצירת קדמה משמעותית בכל עולם הרפואה הכירורגית, האסתטית ואפילו רפואה מצילת חיים.

ללא ספק מהפכת הדפוס כבר כאן וסביר להניח שבמפעלי הדפוס המסורתיים ישתלבו בענף ואף יובילו אותו לשיאים חדשים.