מדפסת תלת-ממד – לא מה שחשבתם, לא מה שידעתם

זיו שדה, סו-פאד

איך הפכו מדפסות התלת-ממד ממדפסות דגמים למדפסות מוצרים של ממש, ומה ניתן להפיק מהן בעלויות זעירות לעומת העלויות של הייצור “האמיתי”. קשה להאמין!

בשליש האחרון של המאה ה-20 החלו הניסיונות הראשונים לפתח מכונה, אשר תייצר מוצר שלם בתהליך אוטומטי, רציף ומהיר אחד, ללא כל צורך בעיבודים משלימים ובהשקעה קטנה-יחסית.  באותם ימים פרחו מכונות ה-CNC והרובוטים, באמצעותם ייצרו אלפי מפעלים בעולם מוצרים שלמים בתאי ייצור או בקווי ייצור. במכונת ה-CNC ניתן היה לייצר, בצורה אוטומטית וללא מגע יד אדם, מוצר שלם ממתכת. מה שחסר היה לאנשי הפיתוח זו מכונה, שבאמצעותה ניתן יהיה לייצר בצורה פשוטה וקלה דגם לא יקר של מוצר המתכת הסופי, כדי שניתן יהיה לבחון אותו לפני השקעת הכספים הכבדה, הכרוכה בייצור האוטומטי הרציף, וכך לאתר מראש כשלים, לתקנם ולהימנע מיצירת מוצר פגום. לכל המפתחים היה ברור ונהיר, שהדגם אמור להיות מיוצר מפלסטיק, כי החומר הפלסטי באותן שנים של שלהי המאה ה-20 הפך לחומר נשלט על-ידי האדם, כזה שניתן להעניק לו תכונות ולהסיר ממנו תכונות – להפוך אותו לרך וצפיד או לקשיח ובלתי ניתן לפירוק, להעניק לו חוזק של פלדה או גמישות של גומי ועוד תכונות לרוב.

לידתה של המדפסת התלת-ממדית
כל הניסיונות והרעיונות שהעלו החברות כדי לפתח את המכונה העלומה לייצור מוצרים ודגמים נמוכי-עלויות התנפצו אל פני המציאות הטכנולוגית, עד אותו יום בו נולדה מדפסת הלייזר ומישהו הביט בטונר, הנלכד סביב השדות האלקטרומגנטים דמויי האותיות – והאסימון נפל: אם שכבה מיקרונית של אבקת טונר נלכדת על נייר בזכות תותח אלקטרונים, המייצר שדות אלקטרומגנטיים בנייר, אולי אפשר לחזור על ההדפסה פעם אחר פעם, שכבה צורנית על גבי שכבה צורנית, וליצור מוצר עבה וגבוה יותר, כלומר תלת-ממדי?  התשובה הייתה חיובית, כמובן, ומכאן ועד “להדפסת” דגם מחומר פלסטי בשכבות צורניות הדרך כבר הייתה קצרה. הטכניקות הראשונות להדפסה תלת-ממדית נועדו ל”דיגום מהיר” (RAPID PROTOTYPING) של מוצרים, כלומר ליצירת דגמים ואבי-טיפוס פונקציונליים בודדים של מוצרים חדשים, למטרות ניסוי ובדיקה, זאת כדי לאפשר לאיש הפיתוח להחזיק מוצר דומה לזה שייוצר בעתיד, לבחון כיצד הוא מתפקד, לראות אם יש בו שגיאות, לבדוק את מידותיו ואת הארגונומיות שלו וכן הלאה. השלב הבא, שהפך את ההדפסה התלת-ממדית לתעשייתית, התחולל לפני כ-15 שנה, כאשר נוצרה האפשרות להעביר למדפסת הדגמים (כך קראו לה אז) קובץ CAD תלת-ממדי, שהוטמע במחשב המדפסת, כשתוכנת המדפסת חילקה את התמונה אוטומטית למאות או אלפי שכבות אופקיות של חומר פלסטי, וכך הומרו הנתונים התלת-ממדיים לנתוני שכבות דו-ממדיות. המדפסת קראה כל “פרוסה” כתמונה דו-ממדית וכיוונה את התנועות של אמצעי הייצור (מערכת לייזר, תותח אלקטרונים וכו’) כדי ליישם או “להדפיס” את השכבות הצורניות זו על גבי זו עד לקבלת מוצר רב-שכבתי שלם.

מהדפסת דגם
להדפסת מוצר
מפנה משמעותי נוסף בקווי המוצר של המדפסות התלת-ממדיות התחולל לפני כעשור, כאשר במחלקת הפיתוח של אחת מיצרניות המטוסים בארה”ב נזקקו לפריט זעיר, אחד ויחיד, להשלמת ניסוי במכלול כלשהו. הצעת המחיר שקיבלו מקבלן-המשנה שלהם לעיבוד שבבי של המוצר ממתכת עמדה על 2,500 דולר. זמן ההספקה: שלושה ימים.  מהנדס הפיתוח, הממונה על הפרויקט, כמעט חתם על ההזמנה, כשלפתע נפלו עיניו על מדפסת הדגמים שעמדה בפינת החדר. הוא “שידר” לה את קובץ ה-CAD של החלק, הזין מחסנית עם אחד מסוגי החומרים הפלסטיים, שנראה לו מתאים בשל חוזקו וגמישותו, ותוך מחצית השעה הוא קיבל את המוצר שביקש, בדיוק במידות ובנתונים הדרושים. החלק עבר בדיקות איכות קפדניות וזכה לציון גבוה של התאמה למשימה. הוא הותקן במכלול המטוס והמכלול תפקד כאילו שולב בו רכיב משובב לכל דבר. כך ניתן האות להפיכתן של “מדפסות הדגמים” ל”מדפסות מוצרים”, ולמרות שבעברית אנחנו עדיין קוראים לתהליך “הדפסה תלת-ממדית”, באנגלית משתמשים במונחים 3-D MANUFACTURING או ADDITIVE MANUFACTURING – מונח המתאר איך המוצר קם ונוצר כתוצאה מהוספת שכבה על גבי שכבה.

מגוון רחב של חומרים
החומרים הפלסטיים הראשונים, בהם השתמשו להדפסת המוצרים, היו פוטופולימרים – פולימרים רגישים לאור, שחשיפתם לאור או לקרינת UV גורמת להתמצקותם. הם הוזנו למדפסות כחומרים נוזליים. מאוחר יותר התפתחו טכנולוגיות המבוססות על סיב תרמופלסטי, אשר מוזן למשטח הבנייה על ידי מיני-אקסטרודר. בשיטה זו ייצרו את הדגמים על בסיס חומרים תרמופלסטיים מוכרים, כמו ABS.  השלב הבא היה הרחבת מגוון החומרים התרמופלסטיים והוספת חומרים כגון PLA, המשמש במדפסות השולחניות, וכן PEI (פוליאתר-אימיד, ULTEM), PA (ניילון), PC (פוליקרבונט) ועוד, שבהם ניתן להשתמש במדפסות ה-FDM התעשייתיות. חומרים אלה מאפשרים להתמודד עם משימות מכניות שונות – יש ביניהם חומרים עמידים למעוות בטמפרטורות העולות על 200 מעלות צלסיוס, חומרים עמידים לתהליכים כימיים, חומרים העומדים בתקני רפואה, מזון או תעופה, חומרים בעלי יכולת בידוד אלקטרוסטטי, חומרים המחוזקים במלאנים ועוד.  כאשר מדובר בהדפסת דגמים ניסיוניים, להתפתחות זו חשיבות רבה, כי היא מאפשרת לייצר דגמים ניסיוניים מהחומר האמיתי, ממנו ייוצר המוצר הסופי, והודות לכך ניתן לבדוק בצורה אמינה כיצד יפעל המוצר הסופי בתנאים מציאותיים של לחץ, טמפרטורה, מאמץ, שחיקה, חשיפה לקרינת UV וכו’. כאשר מדובר בהדפסת מוצרים סופיים, מגוון החומרים הרחב מאפשר להתאים את הדגמים ליישומים רבים, כולל יישומים המחייבים תפקוד בסביבה קשה. אולם ההדפסה התלת-ממדית החלה לחרוג גם מעבר לחומרים הפלסטיים, אל מוצרים סופיים ממתכות (פלדה, טיטניום, זהב, כסף, אלומיניום וסגסוגות אצילות לסוגיהן), מחומרים קרמיים (סיליקה, זכוכית וקוורץ ועוד) ואפילו מחומרים כמו עץ גרוס, שעווה ונייר, או שילובים שונים שלהם.

מגוון רחב של מוצרים
בשנים האחרונות משמשת המדפסת התלת-ממדית כמכונה לייצור מוצרים סופיים מגוונים והשוק העולמי של המדפסות עבר מ”גלגול” של עשרות מיליוני דולרים בשנה למחזורים של מיליארדים. הטכנולוגיה מתאימה הן למוצרים בעלי מבנה מורכב במיוחד, כגון תעלות אוויר וזיוודים לרכב ולתעופה, והן למוצרים, אשר נדרשים בכמויות קטנות, כולל אמצעי עזר לייצור והרכבה, כגון מקבעים (JIGS) ומתקנים (FIXTURES), או אמצעים למדידה ולבקרת איכות. למעשה, טכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית מתאימה לייצור כל מוצר, שלא כדאי כלכלית לייצר אותו בייצור סדרתי, כגון חלקי חילוף ייחודיים למכוניות יוקרה, אשר צפויים להימכר בעולם במספרים קטנים, או מוצרים דנטליים ואורתופדיים בהתאמה אישית. להלן מספר דוגמאות:

תבניות להזרקה:
בשיטת ההדפסה התלת-ממדית אפשר להדפיס תבנית הזרקה, שניתן יהיה לרתום אותה למכונת הזרקה אמיתית וכך להזריק סדרה קצרה של מוצרים כדי לבחון את עמידותם בתנאי התפקוד שלהם ואת התנהגות החומר בתבנית. הדפסת תבנית ההזרקה מהירה וזולה יותר מייצור של תבנית הזרקה אמיתית, לכן היא מכבידה פחות על העלויות של פיתוח המוצר. לחילופין ניתן להזריק בתבנית המודפסת סדרה קצרה של מוצרים, הנדרשים בכמות קטנה. לדוגמה – כשמפתחים מוצר לרכב, יש לבחון את החלקים בסביבה של טמפרטורה גבוהה ובשילוב עם חלקים מכניים נעים. לשם כך ניתן לתכנן את הגרסאות הניסיוניות של תבנית ההזרקה תוך ימים בודדים ולהדפיס אותן תוך פחות מ-24 שעות כדי להעריך את המוצר, זאת במקום שמונה שבועות, הנדרשים בדרך כלל כדי לייצר תבנית מתכת תוך שימוש בתהליך CNC קונבנציונלי. תבנית קונבנציונלית עולה כ-40,000 יורו, התבנית המודפסת עולה פחות מ-1,000 יורו.

רפואה:
ילדה בת ארבע מסֶדָר ספרינגס, מישיגן, ארה”ב, נולדה ללא אצבעות בכף ידה הימנית. כף היד התותבת שהותקנה לה כשהייתה צעירה יותר כבר לא התאימה לה, וכדי לבצע פעולות בסיסיות היא נזקקה לכף יד תותבת חדשה, שהוריה התקשו לממן. תלמידי מגמת הרובוטיקה בבית הספר התיכון בעיירה העניקו לילדה יד תותבת רובוטית, שהודפסה על ידי הורה הקשור לבית הספר. התלמידים, שהרכיבו את כף היד התותבת, הקפידו להתאים אותה למידות היד של הילדה ולהבטיח את נוחותה ואת הפונקציונליות שלה. כף היד הרובוטית היא כמו כפפה מ-ABS, אותה מחליקים על פרק כף היד של הילדה, והיא כוללת אמצעי, אשר מופעל על ידי היד ומגיב לתנועותיה. האצבעות המודפסות מחוברות לכפפה באמצעות תיילים וברגים וניתן לשנות את מידותיה לפי הצורך. אין בה מנועים או סוללות, שהיו מוסיפים למשקל ומחייבים תחזוקה. הילדה זכתה בכף יד רגילה בזכות פשטותה של המדפסת התלת-ממדית. אגב, עמותת “חיפה תלת-ממד” בראשות ד”ר חזי שוטלנד לקחה על עצמם להדפיס בהתנדבות תותבות לכל דורש.

תעופה וחלל:
אם “בואינג” מייצרת 200 מטוסים מדגם מסוים והיא נזקקת עבורם ל-2,000 רכיבים חריגים, 200 מכל אחד, מדפסות תלת-ממדיות להדפסת מוצרי מתכת או פלסטיק הן פתרון זול, יעיל ואיכותי לייצור המוצרים הללו.

כמה דברים על שיטות להדפסה תלת-ממדית של מוצרי מתכת
חברה גרמנית מציעה מדפסות לסנטור ישיר בלייזר, המבוססות על חימום ודחיסה של אבקות מתכת, כגון פלדה וקובלט, בתוך תא ממולא בגז אינרטי. לאחר ששכבה אחת סונטרה, המצע עליו נבנה המוצר יורד לכיוון המפלס העליון של מחסנית האבקה וגליל אוטומטי מוסיף שכבה מדודה חדשה של אבקה חופשית, אשר תיצור לאחר הסנטור את השכבה הבאה של המוצר, וכך חוזר חלילה עד להשלמת המוצר. בתהליך זה ניתן לערבב אבקות מחומרים שונים ולקבל חומר בעל קושי גבוה, העומד בטמפרטורות גבוהות. תהליך הסנטור הישיר בלייזר מתאים לייצור מוצרים קטנים ולא מורכבים במיוחד. טכנולוגיה נוספת היא התכה על ידי קרן אלקטרונים, שבה מדפיסים מוצרים, שכבה אחרי שכבה, על ידי התכת אבקות מתכת (למשל נתכי טיטניום) בעזרת קרן אלקטרונים תחת ואקום בעוצמה גבוהה. בניגוד לקרני הלייזר, אשר משפיעות רק על שכבות בנות אטומים בודדים בפני השטח של גרגר האבקה, קרן האלקטרונים חודרת עד עומקו, לכן החלקים המיוצרים בטכניקה זו צפופים לגמרי, ללא חללים או נקבוביות, וחזקים מאוד. ועוד טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית במתכת היא סנטור מיקרוני בלייזר. תהליך זה מציע פתרון לייצור רכיבי מתכת זעירים, שקשה לייצר אותם בתהליכים קונבנציונליים, כגון מכשירים לניתוחים בלתי פולשניים, תכשיטים ורכיבים זעירים לשעונים, רכב ומטוסים. ניתן לייצר בעזרתו גם מכלולים עם רכיבים נעים והוא נותן מענה לדרישות לשילוב פונקציות במוצרים ולמזעור. ניתן לעבד במערכת זו מולבידנום, טונגסטן, פלב”ם, נחושת וכסף ובעתיד תותאם המערכת גם לעיבוד טיטניום ואלומיניום.  שיטות נוספות של הדפסה תלת-ממדית במתכת הן: (1) סנטור סלקטיבי בלייזר (SLS); (2) (FUSED DEPOSITION MODELING) – דגמים בשיקוע של היתך.

כמה מילים נוספות על הדפסה תלת-ממדית עם חומרים פלסטיים
חברת STRATASYS היא אחת החברות הראשונות והגדולות בעולם לייצור מדפסות תלת-ממדיות והיא מחדשת ומפתחת סדרות רבות של מדפסות תלת-ממד הן לצורכי דיגום והן לצורכי ייצור. לפני מספר שנים מיזגה בתוכה החברה האמריקנית את OBJET הישראלית, שזכתה להצלחה בינלאומית בתחום הדפסות התלת-ממד בזכות עצמה.  החברה פיתחה בין היתר טכניקת הדפסה אשר נקראת POLYJET ומזכירה הדפסת דיו: מזרֵקים מתיזים שכבה עדינה מאוד של פוטופולימר נוזלי על גבי מגש בנייה, ומנורות UV גורמות להתמצקות (הקשיה) של השכבה. לאחר מכן המזרקים מרחפים שוב מעל המגש ובונים שכבה חדשה, וחוזר חלילה. בגמר התהליך המוצר יציב ומוכן לשינוע. במקביל להתזת חומר המבנה, המדפסת מזריקה גם חומר תומך דמוי ג’ל, אשר מופרד בקלות מן החלק בגמר התהליך, בצורה ידנית או על-ידי הזרקת מים. גם החומר התומך מוזרק על ידי מספר ראשי הזרקה. ייחודה של השיטה בכך, שניתן להזריק חומרים שונים במהלך הדפסה אחת, בין אם כדי לייצר מוצר דו-רכיבי או כדי לייצר חומר גלם מרוכב, המשלב שני חומרים, וכך לקבל תכונות מוגדרות. החברה מעמידה לרשות המשתמשים למעלה ממאה חומרים ושילובי חומרים, כולל אלסטומרים ופולימרים קשיחים-למחצה, אטומים ושקופים.  טכניקת POLYJET מאפשרת לייצר מוצרים מדויקים, אשר קולטים ואוגרים צבע בקלות. ניתן גם לשבב אותם ולצפות אותם בכרום. בתהליך זה מודפסות שכבות בעובי של 16 מיקרון, ולרזולוציית הדפסה גבוהה זו מספר השלכות חשובות: הודות לאיכות הגבוהה של פני השטח אין צורך בעיבוד משלים לקבלת פני שטח חלקים; ניתן להדפיס פרטים בגודל מינימלי של עשיריות המ”מ, בין אם מדובר בקדח, בדופן עצמאית או בטקסטורות; דיוק ההדפסה בין הקובץ למוצר נע בין מאיות המ”מ עד שתי עשירות המ”מ במקרה המחמיר ובחלקים גדולים. למרות שהמכונות עובדות כיום בשיטה השכבתית המוכרת, התעשייה כבר שוקדת על פיתוח מכונות תלת-ממדיות באמת, שיתיזו חומר גם מצידי המוצר, וכך ישפרו את יכולות הבנייה.

הדפסת תלת-ממד בכל מקום
התקדמות הידע והטכנולוגיה וירידת המחירים של המדפסות התלת-ממדיות ושל חומרי הגלם להדפסה תלת-ממדית עודדו ארגונים רבים להיכנס לתחום זה. אין ספק, שבעתיד יחדרו המדפסות גם לבתינו וכל אדם יוכל לייצר לעצמו בביתו מגוון רחב של מוצרים לטעמו. נכון להיום יש כבר קבצים באינטרנט, שניתן להוריד כדי לייצר מוצרים שונים, אבל רוב הבתים עדיין לא מצוידים בכלים לבנייה עצמית של מודלים בתלת-ממד. בימים אלו מתרחשת מהפכת הנגשה נוספת, במסגרתה ייכנסו פתרונות התוכנה לפלטפורמות נפוצות. למשל, חברת AUTODESK שילבה את פלטפורמת ההדפסה בתלת-ממד SPARK במערכת ההפעלה “חלונות 10”, כך שמשתמשי “חלונות” ברחבי העולם יכולים ליהנות מחוויית הדפסה בתלת-ממד; דוגמה נוספת היא אפליקציה לטלפון החכם, אשר סורקת אובייקטים באמצעות מצלמת הטלפון והופכת אותם למודלים תל-ממדיים מוכנים להדפסה בכל מדפסת תלת-ממד. קיימות דוגמאות נוספות ואין ספק שחדירת הטכנולוגיה לתוך בתינו רק תלך ותעמיק.
כמובן, מקומן של המדפסות התעשייתיות יישמר בזכות הפער הטכנולוגי ביניהן לבין המדפסות השולחניות ו/או הביתיות, הבא לידי ביטוי בחופש הגאומטרי, במגוון חומרי הגלם, באיכות התוצרים ובמהירות ההדפסה שהן מאפשרות.

לסיכום
מה שהחל כשאיפתם של אנשי פיתוח ומו”פ לקבל דגם של מוצר, העשוי מחומר סולידי, לצורך בחינה טרם ייצורו הסופי, הופך בעצם ימים אלה לתעשייה משומנת של ייצור מוצרים סופיים בטכנולוגיית ההדפסה בתלת-ממד. היום מייצרים בהדפסה תלת-ממדית מוצרים סופיים צבעוניים, הכוללים גם חלקים אשר נעים זה בתוך זה (בורג ותברגתו, גלגלי שיניים), מחומרי גלם מגוונים.  אלפי אנשים בעולם מקיימים חיים סדירים ושלווים עם גפיים, ברכיים ומפרקי גוף מורכבים, כמו לסתות ואגני ירכיים, שהותאמו במדויק לגופם ויוצרו בהדפסה תלת-ממדית. בעולם כולו כבר יושבים צוותי מחקר על תכנון של חלקי גוף פנימיים ומורכבים כתחליף לאיברים פגומים.
אין יום שאיננו שומעים בו על מוצר חדש שהודפס: להקת רוק המנגנת על כלים שהודפסו, אבא שהדפיס לילדיו צעצוע פרי המצאתו, מכונית שהורכבה כולה מחלקים מודפסים, בעל שהדפיס לאישתו החולה מתקן המקל עליה את השכיבה ו..אקדח מודפס, שמישהו ניסה להכניס לכנסת ישראל כדי לבחון את ערנות אנשי הביטחון – ונתפס… ואנחנו רק בהתחלה.

המחבר הוא סמנכ”ל שיווק ומכירות בחברת “סו-פאד”, אשר משווקת ומטמיעה מדפסות תלת-ממד לייצור מוצרי פלסטיק ומתכת במגזר התעשייתי ובמגזרי השירותים לתעשייה.

בתמונה הפותחת: מל”ט מודפס עם הינע סילוני – הראשון בעולם
באדיבות AURORA FLIGHT SCIENCES