深入剖析3D Systems光固化（SLA）3D打印技術

光固化(SLA)，不能算是新鮮事。有些物質加熱之后會硬化，有些物質遇冷會硬化，以此類推，有些物質見了光會發(fā)生硬化，這個現(xiàn)象稱作“光固化(SLA)”。


光固化物質制成的材料，稱作“光敏樹脂”（Photopolymer），它是由聚合物單體與預聚體組成，一般為液態(tài)，加有光引發(fā)劑（光敏劑），經(jīng)過一定波長的UV光（例如，250-300 nM波長）照射后,，引起聚合反應，完成固化（如圖一）。

圖片來源：wiki

光敏樹脂，可用在半導體產(chǎn)業(yè)，例如當作光阻劑，也可用在印刷業(yè)，例如印刷門牌及標志。與各位最貼身的應用，或許是當牙醫(yī)為你補牙的時候，先用光敏樹脂當成填充物，然后用UV光照射充填物將其硬化，完成補牙的動作。


近幾年，“3D打印”不定期的占據(jù)新聞版面，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，大多屬于FDM技術（Fused Deposition Modeling）�？梢园阉�想象成類似在蛋糕上用奶油擠出花紋的手法，只不過精密度高些�！癋DM”屬于3D打印里始祖級的商業(yè)化技術之一。


其實，另一個更早的始祖級商業(yè)化的技術，就是利用前面所述“光固化”的原理，因為沒有那么平易近人，加上材料是液體，溼答答的，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，并且將它商品化的代表人物，是圖二里的


Chuck Hull先生。他在1980年代，成立了總部位于美國南卡羅來納州的3D Systems公司（圖三） 。3D Systems公司至今是3D打印界的龍頭之一，當初該公司制定的“stl”格式，仍然是現(xiàn)今3D打印界廣泛使用的模型檔格式。光固化式的3D打印，是3D Systems公司的基礎技術，現(xiàn)今，仍執(zhí)該技術的牛耳，地位無人能及。

圖片來源：3d systems 網(wǎng)站

圖三

圖片來源：3d systems 網(wǎng)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，激光），并利用光敏樹脂受光硬化的特性，產(chǎn)生物體的剖面層；3D打印便是想辦法將每一個剖面層堆積并且黏合在一起，組成想要的成品。


圖四、

林士強／繪制

這種概念具體化的成品如圖五、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”。工作臺的上下與能量光源的配合由計算機控制。這一層層的剖面厚度，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，其實快速制造一大堆厚度均勻的剖面，又要讓他們黏 在一起談何容易。3D Systems 公司花了不少工夫做這方面的研究。

如果有將肥皂溶液滴在平靜水面上或是吹肥皂泡泡的經(jīng)驗，會發(fā)覺肥皂溶液迅速而有規(guī)則的向外擴張。這種有規(guī)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

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，因為表面張力的作用， 薄膜“5”不會破，而且厚度均勻，直達“V”形開口頂端（Fig.28a-e）。

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(nèi)部的光敏樹脂，準備下一階段“剖面制作”的工作（Fig.28c-d）。

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

黃色代表的清洗溶劑再次出現(xiàn)，將工件表面的非剖面部分的光敏樹脂清洗干凈（Fig 28h-i），準備下一循環(huán)的剖面制作。

這整個過程看起來冗長，加工的速度不容易提升，所以有圖八及圖九的構想，將制程分割，各工站同時進行，節(jié)省時間，但是整體結構相當復雜，維護起來恐怕困難度很高。這個蠻有理想性的概念至今仍未出現(xiàn)在3D Systems公司的產(chǎn)品清單之中。

圖八

圖片來源：USPTO

圖九

圖片來源：USPTO

另外一種創(chuàng)意也出現(xiàn)在3D Systems產(chǎn)品研發(fā)之中，讓我們一起來看看圖十。

這個方法看起來是提高生產(chǎn)速度的方法。

圖十

圖片來源：USPTO

綠色代表的是光敏樹脂，經(jīng)噴頭噴灑到工作臺面“28”，形成一個薄膜“166”（步驟1-2），

工作臺面“28”下降，因為表面張力的作用，光敏樹脂并不會覆蓋上來，（步驟3）。

噴頭噴灑光敏樹脂到這空缺的部分（步驟4）

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

這個構想看起來不錯，但是至今也并沒有出現(xiàn)在3D Systems公司的產(chǎn)品目錄中。

下一個是非常直截了當?shù)臉嬒�，出現(xiàn)在3D Systems公司的產(chǎn)品上。

各位的生活經(jīng)驗里，如果想把奶油均勻涂上土司，你會怎么做？拿把刮刀將奶油推平？3D Systems公司將這個想法，運用到處理光敏樹脂的涂層，如十一、圖十二。在機器上增加了“刮刀，26”（Blade），作用就是把剖面上的光敏樹脂涂層弄得平整均勻，并增加生產(chǎn)速度。方法是每當新的剖面上光敏樹脂后，在能量光源使用前，用刮刀將剖面刮平一次。

圖十一

圖片來源：USPTO

圖十二

圖片來源：USPTO

現(xiàn)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里嗎？答案是不一定。

以下的方法是3D Systems公司近期比較專注開發(fā)的方式，不將成品浸在光敏樹脂里，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么復雜，而是如圖十三所示，將樹脂利用“供料頭”涂到輸送帶上，再送到工作臺。

圖十三

圖片來源：USPTO

綠色代表的是光敏樹脂，經(jīng)過供料頭“49”涂到輸送帶“11”上，形成一個薄膜

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”，負責將光敏樹脂涂敷到輸送帶上，輸送帶再將它運送至產(chǎn)品“28”之下，開始制作另一層的剖面，剖面制作的過程中，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“Solid Imaging”，“Solid Imaging”的技術，是否已經(jīng)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“FTI”（Film Transfer Imaging）的產(chǎn)品，目前的產(chǎn)品體積不大，如圖十六、十七所示，使用類似“Solid Imaging”概念，其中“Cartridge”及“Scraper”負責把光敏樹脂涂敷到工作臺面，制作產(chǎn)品。

圖十六、

圖片來源：3D Systems網(wǎng)站

圖十七

圖片來源：3D Systems網(wǎng)站

3D打印的致命傷，是量產(chǎn)的速度慢，除非有革命性的改進，否則難與傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)相抗衡。3D打印吸引人，因為它是一項獨特的成形技術，讓“定制化”變簡單，使得原本必須依賴精湛手藝或是傳統(tǒng)大量制造方法才能得到的成果，門檻降低了不少。因此大家趨之若鶩。

萬物皆可打印，印個自己的塑像當然不在話下，為殘障人士量身訂做助行器當然更棒。對人類更有意義的是－如果有適當?shù)牟牧希�食物、甚至器官，都可以量身訂做�?br />
所以，材料才是關鍵，3D打印的設備商，現(xiàn)在都在默默開發(fā)不同性能的材料，光固化技術需要性能更佳的材料，例如，加強各剖面層間的結合力、抗變型、耐溫、強度等來吸引顧客，就象是購買計算機打印機一樣，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(fā)，3D Systems公司光固化技術大約10%專利申請與材料有關（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。



作者：        林士強

現(xiàn)任：        北美智權 教育訓練處 資深研發(fā)創(chuàng)新顧問

經(jīng)歷：        法商臺灣康旭 研發(fā)工程處 項目經(jīng)理、中科院（臺灣）飛彈制造中心 項目工程師、圣荷西州立大學機械研究所碩士

專長： 機械、供應鏈管理、項目管理