הדפסה תלת-ממדית DLP בשכבה דקה של חלקים רב-חומריים עם חללים פנימיים סגורים

יצירת הדפסים תלת-ממדיים קלים יותר עם חללים פנימיים סתומים

רבים מהעצמים המעניינים ביותר שמודפסים בתלת-ממד — כמו עצמות מלאכותיות, רובוטים רכים ותעלות נוזלים זעירות — דורשים חללים פנימיים ריקים ומוסתרים. מדפסי שרף נפוצים כיום מתקשים בעיצובים כאלה, מפני ששרף נוזלי נלכד בכיסים הסגורים וקשה להוציאו. מאמר זה מציג שיטה חדשה להדפסה בתלת-ממד באמצעות נוזל רגיש לאור שנקראת "DLP בשכבה דקה", אשר משאירה את החללים הפנימיים באמת חלולים ומקלה גם על שילוב מספר חומרים בחלק יחיד.

מדוע נוזל תקוע הוא בעיה משמעותית

רוב מדפסי השרף לשולחן העבודה ולתעשייה פועלים על ידי הורדת פלטפורמה לתוך אמבט מלא נוזל ואז הקרנת דפוסי אור כדי לקשיח כל שכבה חדשה. סידור קלאסי זה מצוין למשטחים חלקים ולפרטים עדינים, אך יש לו פגם נסתר: כשבעיצוב כלולים חללים פנימיים סגורים, אותם כיסים מתמלאים בשרף נוזלי שאין לו דרך מילוט. השרף התקוע מגדיל את משקל החלק מעבר למתוכנן, עלול לשנות את התנהגותו המכנית ואפילו לדלוף או לזולג עם הזמן. מהנדסים פתרו זאת באמצעות חורי ניקוז או פתחים חלקיים, אך לרוב זה מאלץ פשרות בעיצוב המקורי.

דרך חדשה לשכבת הנוזל

שיטת DLP בשכבה דקה נמנעת מהאמבט לחלוטין. במקום לטבול את החלק הגדל בבריכה עמוקה של שרף, המערכת מרחית שכבה דקה מאוד ומבוקרת של נוזל על גיליון פלסטיק שקוף. פלטפורמה מסתובבת לוחצת אז את החלק לתוך הציפוי הדק בעוד מקרן דיגיטלי מקרין אור אולטרה-סגול מלמטה כדי להקשות רק את האזורים הנדרשים לאותה שכבה. מכיוון שכל שכבה מתחילה בכמות קטנה של שרף על הסרט, נשארת מעט מאוד נוזל בתוך חללים סגורים כאשר השכבה המוצקה נפרדת. מערך מגבונים רכים ובמקרים נדרשים אמבט קצר בממיס עדין מסייעים להסיר טיפות עודפות לפני יצירת השכבה הבאה.

חללים פנימיים נקיים וקושיות ניתנת לכיוון

באמצעות התהליך הזה הצליחו החוקרים להדפיס כדורים וצורות חלולות אחרות שמשקלן הסופי היה כמעט בדיוק מה שהייתם צופים לו אם הפנימיות שלהן באמת ריקות — פחות מאחוז אחד מסה נוספת משרף שארית, לעומת יותר מכפול המשקל האידיאלי בהדפסה באמבט מסורתית. סריקות רנטגן של קוביות ניסוי עם בועות פנימיות הראו שניתן ליצור חללים קטנים בקוטר של שלושה רבעי מילימטר באופן אמין כאשר נוסף שטיפה מהירה בממיס בין השכבות. על ידי סידור בועות סגורות זעירות אלה בתבנית סדירה בתוך קוביות קטנות, הקבוצה יכלה לכוונן את הקשיחות או הקפיציות של כל קובייה פשוט על ידי שינוי גודל הבועה. בחומרים מסוימים השיגו עד שינוי של פי 25 בקשיחות מבלי לשנות את הצורה החיצונית כלל.

שילוב חומרים בהדפס אחד

מכיוון שהמערכת מטפלת רק בשכבות דקות של נוזל בכל פעם, היא גם מפחיתה את התמזגות המבוכה שחלה בדרך כלל כשמדפיסים עוברים בין שרפים שונים. המחברים השתמשו במערכת אספקת שרפים מרובה כדי להדפיס חלקים שמשלבים פלסטיק קשה, חומרים רכים דמויי גומי ושרף תמיכה מיוחד הנמס במים. הם ייצרו מבנה רשת דמוי "עקומת הילברט" שתמך כולו בחומר מתמוסס שנעלם במים רגילים, והשאיר מבנה נקי ועומד בעצמו. הם גם הדגימו דגם של שיניים תותבות עם שיניים קשיחות, חניכיים רכות ותמיכות קורבניות, שכולם הודפסו כיחידה מאוחדת במקום להרכיבם לאחר מכן. בדוגמה נוספת הודפס שרף מוליך כנתיבים מובנים בתוך גוף מבודד ליצירת חיישן קרבה אשר יכול לזהות גוף מתכתי המתקדם עד מרחק של ארבעה סנטימטרים.

לאן זה יכול להוביל בהמשך

גישה של DLP בשכבה דקה מראה שהדפסת שרף בתלת-ממד אינה חייבת להיות מוגבלת על ידי נוזל תקוע או הסרת תמיכות מסורבלת. על ידי ויסות מדוקדק של כמות השרף בכל שכבה וסילוק העודף, שיטה זו מאפשרת לבנות גופים קלי משקל עם חללים מאובזרים, לכוון את הקשיחות מבפנים החוצה ולשזור חומרים פונקציונליים כמו מוליכים ותמיכות רכות בתוך אותו הדפס. עבור לא-מומחים, המסר פשוט: התקנים מודפסים תלת-ממדיים עתידיים — ממושתלי רפואיים ועד רובוטים רכים ואלקטרוניקה משובצת — יכולים להיות קלים יותר, חכמים ומורכבים יותר מבפנים, מבלי לוותר על המשטחים החלקים והמדויקים שהדפסת השרף ידועה בהם.

ציטוט: Sun, B., Diaco, N.S., Chen, X. et al. Thin-film DLP 3D printing of multi-material parts with closed-cell internal voids. npj Adv. Manuf. 3, 15 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-026-00076-x

מילות מפתח: הדפסת תלת-ממד, עיבוד אור דיגיטלי, ציפוי בשכבה דקה, ייצור רב-חומרי, מבנים קלי משקל