光固化(SLA),不能算是新鮮事。有些物質(zhì)加熱之后會硬化,有些物質(zhì)遇冷會硬化,以此類推,有些物質(zhì)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(zhì)制成的材料,稱作“光敏樹脂”(Photopolymer),它是由聚合物單體與預(yù)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(yīng),完成固化(如圖一)。
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光敏樹脂,可用在半導(dǎo)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(yīng)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(yīng)付航天員的不時之需。這些深植人心的3D打印應(yīng)用,大多屬于FDM技術(shù)(Fused Deposition Modeling)??梢园阉胂蟪深愃圃诘案馍嫌媚逃蛿D出花紋的手法,只不過精密度高些。“FDM”屬于3D打印里始祖級的商業(yè)化技術(shù)之一。
其實,另一個更早的始祖級商業(yè)化的技術(shù),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(chǔ)技術(shù),現(xiàn)今,仍執(zhí)該技術(shù)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(shù)3D打印設(shè)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(shè)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(gòu)想,將制程分割,各工站同時進行,節(jié)省時間,但是整體結(jié)構(gòu)相當復(fù)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(gòu)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?gòu)想,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(shè)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(fù)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(shù),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(shù),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?,食物、甚至器官,都可以量身訂做?/div>
所以,材料才是關(guān)鍵,3D打印的設(shè)備商,現(xiàn)在都在默默開發(fā)不同性能的材料,光固化技術(shù)需要性能更佳的材料,例如,加強各剖面層間的結(jié)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(shè)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(shù)的領(lǐng)導(dǎo)廠商在這部分著力研發(fā),3D Systems公司光固化技術(shù)大約10%專利申請與材料有關(guān)(圖十八),不管是加強結(jié)合力、抗變型性、或是增加耐溫性都希望材料配合著設(shè)備,能牢牢綁住客戶。
作者: 林士強
現(xiàn)任: 北美智權(quán) 教育訓(xùn)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(xué)機械研究所碩士
專長: 機械、供應(yīng)鏈管理、項目管理
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