這些深入人心的3D打印應用，大多屬於(yu) FDM技術(Fused Deposition Modeling)，其實，另一個(ge) 更早的元祖級商業(ye) 化的技術，就是利用“光固化”的原理。

早在1980年代，總部位於(yu) 美國南卡羅來納州的3D Systems公司，就采用光固化式的3D打印技術，至今仍是3 D打印界的龍頭之一。

光固化，不能算是新鮮事。

有些物質加熱之後會(hui) 硬化，有些物質遇冷會(hui) 硬化，以此類推，有些物質見了光會(hui) 發生硬化，這個(ge) 現象稱作“光固化”。

光固化物質製成的材料，稱作“光敏樹脂”(Photopolymer)，它是由聚合物單體(ti) 與(yu) 預聚體(ti) 組成，一般為(wei) 液態，加有光引發劑 (光敏劑)，經過一定波長的UV光(例如，250-300 nM波長)照射後，引起聚合反應，完成固化(如圖一)。

圖一 圖片來源：wiki

光敏樹脂，可用在半導體(ti) 產(chan) 業(ye) ，例如當作光阻劑，也可用在印刷業(ye) ，例如印刷門牌及標誌。與(yu) 各位最貼身的應用，或許是當牙醫為(wei) 你補牙的時候，先用光敏樹脂當成填充物，然後用UV光照射充填物將其硬化，完成補牙的動作。

近幾年，“3D打印”不時占據新聞版麵，有人打印了車子(美國)，有人打印房子(中國大陸)，NASA還想要把3D打印機送上太空，好應付航天員的不時之需。

這些深植人心的3D打印應用，大多屬於(yu) FDM技術(FusedDeposition Modeling)，(請參閱北美智權報89期文章“由專(zhuan) 利來看3D打印的技術(一)”)。可以把它想象成類似在蛋糕上用奶油擠出花紋的手法，隻不過精密度高些。“FDM”屬於(yu) 3D打印裏元祖級的商業(ye) 化技術之一。

其實，另一個(ge) 更早的元祖級商業(ye) 化的技術，就是利用前麵所述“光固化”的原理(請參閱北美智權報95期文章“由專(zhuan) 利來看3D打印的技術(五)”)，因為(wei) 沒有那麽(me) 平易近人，加上材料是液體(ti) ，濕答答的，總是比較不容易處理。所以，除了因工作需要而使用過的人，一般人其實不清楚它的存在。

將“光固化”原理，運用到3D打印，並且將它商品化的代表人物，是圖二裏的 Chuck Hull先生。他在1980年代，成立了總部位於(yu) 美國南卡羅來納州的3D Systems公司。

3D Systems公司至今是3D打印界的龍頭之一，當初該公司製定的“stl”格式，仍然是現今3D打印界廣泛使用的模型文件格式。光固化式的3D打印，是3D Systems公司的基礎技術，現今，仍執該技術的牛耳，地位無人能及。

圖二 圖片來源：3d systems 網站

“光固化”技術3D打印設備的概念，如圖四所示，使用能量光源(例如，雷射光)，並利用光敏樹脂受光硬化的特

性，產(chan) 生物體(ti) 的剖麵層;3D打印便是想辦法將每一個(ge) 剖麵層堆積並且黏合在一起，組成想要的成品。

圖四 林士強/繪製

這種概念具體(ti) 化的成品如圖五、圖六所示，其中“26”代表能量光源，“30”表示成品，而綠色的部分是“光敏樹脂”。工作台的上下與(yu) 能量光源的配合由計算機控製。這一層層的剖麵厚度，視精密度需求，約在0.05-0.10mm左右。

圖五 圖片來源：USPTO

圖六、 圖片來源：USPTO

以上的過程，看起來簡單，其實快速製造一大堆厚度均勻的剖麵，又要讓他們(men) 黏在一起談何容易。3D Systems公司花了不少工夫做這方麵的研究。

如果有將肥皂溶液滴在平靜水麵上或是吹肥皂泡泡的經驗，會(hui) 發覺肥皂溶液迅速而有規則的向外擴張。這種有規律的擴張，能夠形成薄而均一的肥皂溶層，如果將肥皂溶液換成光敏樹脂，就是3D打印時想要得到的均勻且薄的工作層。

3D Systems公司研究得到以下的成果，如圖七所示。

圖七 圖片來源：USPTO

1、綠色代表的是光敏樹脂，在“V”形開口底端先沾一下，形成一個(ge) 薄膜“5”，接著用吹肥皂泡泡的方法，將薄膜“5”一路往上吹，因為(wei) 表麵張力的作用，薄膜“5”不會(hui) 破，而且厚度均勻，直達“V”形開口頂端(Fig.28a-e)。

2、黃色代表的是清洗溶劑，在薄膜“5”一路往上吹的過程中，清洗設備內(nei) 部的光敏樹脂，準備下一階段“剖麵製作”的工作(Fig.28c-d)。

3、厚度均勻的薄膜“5”接受“103”的能量光源照射，完成工件“41”的另一層剖麵(Fig 28g) 。

4、黃色代表的清洗溶劑再次出現，將工件表麵的非剖麵部分的光敏樹脂清洗幹淨(Fig 28h-i)，準備下一循環的剖麵製作。

這整個(ge) 過程看起來冗長，加工的速度不容易提升，所以有圖八及圖九的構 想，將製程分割，各工站同時進行，節省時間，但是整體(ti) 結構相當複雜，維護起來恐怕困難度很高。這個(ge) 蠻有理想性的概念至今仍未出現在3D Systems公司的產(chan) 品列表之中。

圖八 圖片來源：USPTO

圖九 圖片來源：USPTO

另外一種創意也出現在3D Systems產(chan) 品研發之中，讓我們(men) 一起來看看圖十。

這個(ge) 方法看起來是提高生產(chan) 速度的方法。

圖十 圖片來源：USPTO

1、綠色代表的是光敏樹脂，經噴頭噴灑到工作台麵“28”，形成一個(ge) 薄膜“166”(步驟1-2)，

2、工作台麵“28”下降，因為(wei) 表麵張力的作用，光敏樹脂並不會(hui) 覆蓋上來，(步驟3)。

3、噴頭噴灑光敏樹脂到這空缺的部分(步驟4)

4、另一層待加工的光敏樹脂準備完成，在經過能量光源形成下一個(ge) 剖麵(步驟5-6)。

這個(ge) 構想看起來不錯，但是至今也並沒有出現在3D Systems公司的產(chan) 品目錄中。

下一個(ge) 是非常直截了當的構想，出現在3D Systems公司的產(chan) 品上。

在日常生活中，如果想把奶油均勻塗上土司，你會(hui) 怎麽(me) 做?

拿把刮刀將奶油推平?3D Systems公司將這個(ge) 想法，運用到處理光敏樹脂的塗層，如十一、圖十二。在機器上增加了“刮刀，26”(Blade)，作用就是把剖麵上的光敏樹脂塗層弄得平整均勻，並增加生產(chan) 速度。方法是每當新的剖麵上光敏樹脂後，在能量光源使用前，用刮刀將剖麵刮平一次。

圖十一 圖片來源：USPTO

圖十二 圖片來源：USPTO

現在這把刮刀在3D Systems公司的設備上算是選配的配備，顧客可以隨自己的需求，選擇用或不用。

成品一定得用浸泡法泡在濕答答的光敏樹脂裏嗎?答案是不一定。

以下的方法是3D Systems公司近期比較專(zhuan) 注開發的方式，不將成品浸在光敏樹脂裏，而改用將一層一層的光敏樹脂送到成品上。它不像之前使用吹肥皂泡原理那麽(me) 複雜，而是如圖十三所示，將樹脂利用“供料頭”塗到輸送帶上，再送到工作台。

圖十三 圖片來源：USPTO

1、綠色代表的是光敏樹脂，經過供料頭“49”塗到輸送帶“11”上，形成一個(ge) 薄膜。

2、薄膜隨著輸送帶送到工件所在的位置。

以上的概念，再用圖十四、十五進一步說明，圖十四中“37”、“38”，負責將光敏樹脂塗敷到輸送帶上，輸送帶再將它運送至產(chan) 品“28”之下，開始製作另一層的剖麵，剖麵製作的過程中，能量光源的位置，則如圖十五中所示。

圖十四 圖片來源：USPTO

圖十五 圖片來源：USPTO

3D Systems公司稱這種過程是“SolidImaging”，“SolidImaging”的技術，是否已經商品化了?筆者也覺得很好奇。3D Systems的目錄中，有一種被歸類為(wei) “FTI”(FilmTransfer Imaging)的產(chan) 品，目前的產(chan) 品體(ti) 積不大，如圖十六、十七所示，使用類似“Solid Imaging”概念，其中“Cartridge”及“Scraper”負責把光敏樹脂塗敷到工作台麵，製作產(chan) 品。

圖十六、 圖片來源：3D Systems網站

圖十七 圖片來源：3D Systems網站

3D打印的致命傷(shang) ，是大量生產(chan) 的速度慢，除非有革命性的改進，否則難與(yu) 傳(chuan) 統工業(ye) 生產(chan) 相抗衡。3D打印吸引人，因為(wei) 它是一項獨特的成形技術，讓“定製化”變簡單，使得原本必須依賴精湛手藝或是傳(chuan) 統大量製造方法才能得到的成果，門坎降低了不少。因此大家趨之若鶩。

萬(wan) 物皆可打印，印個(ge) 自己的塑像當然不在話下，為(wei) 殘障人士量身訂做助行器當然更棒。對人類更有意義(yi) 的是-如果有適當的材料，食物、甚至器官，都可以量身訂做。

所以，材料才是關(guan) 鍵，3D打印的設備商，現在都在默默開發不同性能的材料，光固化技術需要性能更佳的材料，例如，加強各剖麵層間的結合力、抗變型、耐溫、強度等來吸引顧客，就像是購買(mai) 計算機打印機一樣，除了選擇設備，其實更重要的是選擇耗材。

圖十八 圖片來源：USPTO

光固化技術的領導廠商在這部分著力研發，3D Systems公司光固化技術大約10%專(zhuan) 利申請與(yu) 材料有關(guan) (圖十八)，不管是加強結合力、抗變型性、或是增加耐溫性都希望材料配合著設備，能牢牢綁住客戶。