היום בו נוכל להדפיס הכל

למה צריך הדפסות תלת-מימד?

שיטות ייצור מסורתיות מתאימות לייצור המוני. למשל, ב"הזרקת פלסטיק" משקיעים פעם אחת בתכנון וייצור של תבנית, ואז משתמשים בה אלפי או אפילו מיליוני פעמים ועלות הייצור של כל יחידה הופכת זניחה. 

הדפסת תלת-מימד היא קודם כל מענה טוב למצב ההפוך - כשרוצים לייצר יחידה אחת או יחידות בודדות, ללא תבנית. לדוגמא: כשרוצים ליצור אב-טיפוס יחיד, או חלק חילוף נדיר, או שתל רפואי שמותאם לאנטומיה של מטופל ספציפי. 

הן מתמודדות בקלות יחסית עם גיאומטריות מורכבות, שכוללות חללים פנימיים, וקשה או בלתי אפשרי ליצור בשיטות מסורתיות, ומהבחינה הזו הן רלוונטיות גם לייצור המוני. הן גם פתרון טוב לייצור במקום מרוחק, שפשוט יותר להביא אליו חומרי גלם מאשר חלקים מוכנים - כולל בחלל.

מעבר לזה שאת הדגמים שמדפיסים בהרבה מקרים אין צורך אפילו לתכנן. אם יש לכם מדפסת תלת-מימד פשוטה, תוכלו למצוא ברשת מבחר עצום של קבצים עם מודלים מוכנים של כלי בית, צעצועים, תכשיטים, חלפים למכשירי חשמל, אביזרים למשרד ולבית, לאופנה ולנוי ועוד ועוד.  

טכנולוגיה חדשה? לא בדיוק

רובנו שמענו לראשונה על הדפסת התלת-מימד רק בעשור הקודם, אבל מדובר בתחום שמתפתח כבר שנים רבות, ושורשיו הרעיוניים הם בני כשמונים שנה. 

את התיאור הראשון של מדפסת תלת-מימד סיפק סופר המדע הבדיוני מארי ליינסטר, בסיפור קצר בשם "Things Pass By" שפורסם בקיץ 1945 במגזין Thrilling Wonder Stories, והוא דומה להפתיע לטכנולוגיות בנות ימינו: "אני מזין פלסטיק לתוך הזרוע הנעה. היא מציירת באוויר לפי השרטוטים... מקצה הזרוע יוצא פלסטיק ומתקשה מייד".

מאז היו במד"ב אזכורים רבים אחרים של מכונות שמייצרות יש-מאין - החל מה"molecular spray" של ריימונד פ. ג'ונס (1950), דרך ה"food synthesizers" במסע בין כוכבים של שנות השישים, שבמאה ה-24 (כלומר בסדרת ההמשך בשנות ה-80') הוחלפו ב-"replicators", ה"Matter Compilers" של ניל סטיבנסון (1995), ועד לגירסת HBO ל"Westworld" בה מדפיסים אנדרואידים משרף אורגני ורקמות ביו-סינתטיות.

וכמו בהרבה תחומים אחרים, המד"ב סיפק השראה לפיתוח של טכנולוגיות אמיתיות, מה שהתחיל לקרות כבר בשנות ה-70'.

כשהמד"ב הופך למציאות

ב-1971 רשם יוהנס פ. גוטוולד בארה"ב פטנט ל"Liquid Metal Recorder", שכלל תיאור מפורט של מדפסת מבוססת מתכת מותכת. תיאור למתקן דומה שמבוסס על פולימרים הציע דייוויד אדוארד יו ג'ונס, בטור המדעי שלו ב-New Scientist ב-1974. 

ב-1983 צ'אק האל, מהנדס אמריקני, אז סגן נשיא בחברת UVP, פיתח שיטה בשם סטריאוליתוגרפיה (SLA בקיצור), בה אור אולטרה-סגול מקשיח שכבות דקות של שרף נוזלי כדי ליצור עצם תלת-מימדי. ב-1986 רשם פטנט על הטכנולוגיה והיה בין מקימי 3D Systems, מהחברות הראשונות שייצרו מדפסות תלת-מימד מסחריות.

ב-1988 סקוט קראמפ, ממייסדי חברת ציוד המדידה IDEA, הציג את ה-FDM (ר"ת של Fused Deposition Modeling), השיטה שמשמשת עד היום במדפסות התלת-מימד הביתיות. בשיטה הזו חומר תרמופלסטי מותך ומוזרם דרך פייה זעירה, שכבה אחר שכבה. בהמשך, קראמפ ואשתו ליסה הקימו את חברת Stratasys שהפכה לחלוצה בענף (ומפעילה כיום מרכז פיתוח בעיר רחובות).

במשך קרוב ל-20 שנה מדפסות התלת-מימד עלו רבבות דולרים (ויותר), והיו רלוונטיות בעיקר למפעלי ענק. זה השתנה ב-2005, עם פרויקט הקוד הפתוח RepRap של אדריאן בויאר, מרצה וחוקר במחלקה להנדסת מכונות באוניברסיטת באת' בבריטניה. הוא הקים קהילה של מפתחים שהציעו קיטים לבניית מדפסות תלת-מימד זולות, ששימשו להדפסת החלקים הדרושים לייצור ביתי של מדפסות מורכבות יותר.

במקביל, החלו לפקוע הפטנטים הוותיקים על טכנולוגיות ההדפסה, היצע הרכיבים גדל, והופיע גל של יצרנים חדשים שהציעו מדפסות זולות יותר. המחירים ירדו בהדרגה לאלפי דולרים ובהמשך למאות דולרים. 

איך זה עובד בעצם?

הדפסת תלת-מימד מתחילה במודל דיגיטלי (כמו קובץ STL או STEP) שנוצר בתוכנת CAD, או נסרק מעצם קיים. כיום ניתן להוריד רבבות כאלה ממאגרי אונליין. את המודל מעבירים ל-Slicer, תוכנה שהופכת אותו למאות או אלפי שכבות דקות ומתרגמת להוראות שהמדפסת יודעת לבצע.

ההוראות כוללות את מסלול התנועה של ראש ההדפסה ומאפיינים כמו העובי של כל שכבה, טמפרטורת העבודה, מהירות ההדפסה, קצב הזרמת חומר הגלם והצפיפות הרצויה.

במדפסות FDM ביתיות חומר הגלם בדרך-כלל מגיע בצורת סליל פילמנט (Filament), חוט של חומר פלסטי שנתחב לתוך ראש ההדפסה שמחמם וממיס אותו, ואז פולט אותו דרך פייה זעירה. זרוע ההדפסה נעה אופקית (בד"כ) ויוצרת פס דק של החומר. לאחר השלמת השכבה הראשונה, היא עולה מעט וחוזרת על התהליך, כדי ליצור שכבה חדשה שנדבקת לקודמת. כך, שכבה אחר שכבה, נוצר הדגם השלם.

לא טכנולוגיה אלא משפחה של טכנולוגיות

FDM היא רק אחת מתוך משפחה גדולה של טכנולוגיות שמשתמשות במגוון חומרי גלם - מפוליאמיד (ניילון) ופולימרים הנדסיים, דרך חומרים שמחוזקים בסיבי פחמן, מתכות שונות, ועד לבטון. ישנן גם מדפסות תלת-מימד ניסיוניות להדפסת מזון ואפילו רקמות ביולוגיות.

טכנולוגיית SLA בת הארבעים, וטכנולוגיות דומות, מתבססות על שרף נוזלי רגיש לאור, שמתקשה לפולימר עמיד בתגובה לאור UV חזק או קרן לייזר. השיטות האלה מתאימות להדפסות מורכבות, עם רמת פירוט גבוהה ומשטחים חלקים, ולכן הן פופולריות בתחומים כמו רפואת שיניים, תכשיטנות, ציוד רפואי, וכן בתעשיות הרכב והתעופה. 

בחלק מהתעשיות משתמשים בטכנולוגייות SLS, שבה לייזר מאחה חלקיקים של אבקה פולימרית, ובשיטות להדפסת מתכת בהן מתיכים באופן מבוקר שכבות של אבקת מתכת.

מדפיסים בתים ומטוסים

בקצה השני של הסקאלה אפשר למצוא מדפסות ענק שחומר הגלם שלהן הוא בטון. אלו מערכות רובוטיות שבשלב ההתפתחות הנוכחי שלהן כבר מבטיחות לקצר דרמטית את לוחות הזמנים ועלויות הבנייה. יש כבר מבנים וגשרים שנבנו באמצעותן בארה"ב ובדובאי, ולאחרונה הן הגיעו גם לישראל.

בתעשיות הרכב והתעופה יש שימוש הולך וגובר במדפסות תלת-מימד שמדפיסות במתכות או חומרים מרוכבים. חלקים שהודפסו בתלת-מימד משולבים כבר במטוסי נוסעים של AirBus ובואינג, בחמקנים F-35 ו-F-22 ובמסוקים של בל; במכוניות של טסלה ו-BMW, ברכבי יוקרה של פורשה ובוגאטי ואפילו בפורמולה 1. 

כאן היתרון הבולט טמון בדיוק ובאפשרות לייצר חלקים קלי-משקל עם חללים פנימיים, שמאפשרים ביצועים טובים יותר ומצמצמים את צריכת הדלק של המטוס או כלי הרכב.

משתלים מותאמים אישית ועד קרנית

הרפואה היא אחד התחומים בהם להדפסות התלת-מימד השפעה מהפכנית.

משתמשים בהן כיום להדפסת מודלים אנטומיים, תותבות, חלקי שיקום דנטלי, שתלים אורתופדיים ורכיבים שונים שמותאמים למבנה הגוף של מטופל מסוים. בניתוחים מסובכים, ניתן ליצור מודל של גוף המטופל על בסיס CT ולהשתמש בו לתכנון הניתוח.

בחזית התחום נמצאים יישומי Bioprinting, הדפסה באמצעות תאים וחומרים ביולוגיים. מדענים כבר הצליחו להדפיס עור, סחוס, עצם, כלי דם וחיקויים לרקמות לב, כבד וכליה. אין עדיין תאריך יעד מוסכם למימוש החזון של הדפסת איבר שלם ומתפקד שמתאים להשתלה, אבל יש מי שטוענים שגם זה רק עניין של זמן.

בישראל, ספציפית, השימוש בשתלים מודפסים הוא תחום שצומח במהירות, וכבר יש דוגמאות רבות להשתלות מוצלחות של עצמות יד, כתף, קרסול, וכמה השתלות ראשונות מסוגן כמו ארובת עין מלאה שרופאי הלל יפה השתילו בילד בן 13, ובית חזה שלם שהושתל במטופלת בבילינסון. בסוף 2025 הושתלה לראשונה במרכז הרפואי רמב"ם קרנית שנוצרה בהדפסה-ביולוגית בטכנולוגיה של חברת Precise Bio ממודיעין.

בדרך לסביבה הביתית

גם הדגמים השולחניים של מדפסות התלת-מימד עשו כברת דרך בשני העשורים האחרונים. השינוי הכי בולט הוא במחירים - בתחילת העשור הקודם הן עלו אלפי דולרים. כיום אפשר לרכוש בישראל מדפסת FDM בסיסית בפחות מ-1,000 ש"ח. הפילמנט, חומר הגלם, בסה"כ לא יקר - החל מ-60 ש"ח לגליל של ק"ג. תוכנות Slicer אפשר להוריד בחינם.

המוצרים האלה דורשים כיום פחות כוונון ידני וכישורים טכניים, וחלקם כוללים שיפורים כמו כיול אוטומטי וחיישנים (למשל, לזיהוי כמות הפילמנט הזמינה או הדפסה שנכשלה), אפשרות להדפסה בכמה צבעים ועוד. 

עדיין, יש פער גדול באיכויות בהשוואה למדפסות התעשייתיות. בדגמים הביתיים יש הרבה יותר מקרים של הדפסה שנכשלת, ושל תוצרים מודפסים שמתגלים כשבירים או בעלי מרקם לא מושלם (ניתן להבחין בקווי השכבות).

הם גם איטיים מאד - משך ההדפסה של דגם פשוט, בגודל כף יד, יכול לקחת שעות. בדגמים גדולים ומורכבים יותר ההדפסה יכולה לארוך ימים. מכיוון שמדובר בטכנולוגיה עם הרבה מרכיבים מכאניים, קצב ההתפתחות הצפוי לא דומה לעולם האלקטרוניקה והמוליכים למחצה - אל תצפו לדגמים מהירים פי עשרה בעוד שנה-שנתיים. 

וכמובן, כדי שניתן יהיה להדפיס "הכל", מדפסות התלת-מימד צריכות להיות מסוגלות להתמודד עם חומרים שונים, לדעת לשלב בתוך הפלסטיק (או המתכת, או הבטון וכו') גם חיווט ואלקטרוניקה, מנועים וסוללות, וכו'. אנחנו עוד לא שם. 

אבל אנחנו מעבר לשלב תצוגת התכלית - טכנולוגיות ההדפסה התלת-מימד ממשיכות להתפתח במהירות, ומגיעות למקומות שאתם לא מעלים בדעתכם. 

ייתכן בהחלט שבזמן שאתם קוראים את השורות האלה כבר נמצאים בסביבה שלכם כמה חפצים שנוצרו באמצעותן ואתם אפילו לא יודעים - זו יכולה להיות מסגרת המשקפיים שלכם, סוליית הנעל, חלקים נסתרים במוצרי אלקטרוניקה, תכשיט או אביזר אופנה בהם אתם או בני ביתכם משתמשים. זה לא רק "העתיד" אלא כבר חלק בלתי נפרד מההווה.