這些深入人心的3D打印應(yīng)用，大多屬于FDM技術(shù)(Fused Deposition Modeling)，其實(shí)，另一個(gè)更早的元祖級(jí)商業(yè)化的技術(shù)，就是利用“光固化”的原理。

早在1980年代，總部位于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(shù)，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(zhì)加熱之后會(huì)硬化，有些物質(zhì)遇冷會(huì)硬化，以此類推，有些物質(zhì)見了光會(huì)發(fā)生硬化，這個(gè)現(xiàn)象稱作“光固化”。

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)。

圖一 圖片來源：wiki

光敏樹脂，可用在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，例如當(dāng)作光阻劑，也可用在印刷業(yè)，例如印刷門牌及標(biāo)志。與各位最貼身的應(yīng)用，或許是當(dāng)牙醫(yī)為你補(bǔ)牙的時(shí)候，先用光敏樹脂當(dāng)成填充物，然后用UV光照射充填物將其硬化，完成補(bǔ)牙的動(dòng)作。

近幾年，“3D打印”不時(shí)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(jī)送上太空，好應(yīng)付航天員的不時(shí)之需。

這些深植人心的3D打印應(yīng)用，大多屬于FDM技術(shù)(FusedDeposition Modeling)，(請參閱北美智權(quán)報(bào)89期文章“由專利來看3D打印的技術(shù)(一)”)?？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打印里元祖級(jí)的商業(yè)化技術(shù)之一。

其實(shí)，另一個(gè)更早的元祖級(jí)商業(yè)化的技術(shù)，就是利用前面所述“光固化”的原理(請參閱北美智權(quán)報(bào)95期文章“由專利來看3D打印的技術(shù)(五)”)，因?yàn)闆]有那么平易近人，加上材料是液體，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(shí)不清楚它的存在。

將“光固化”原理，運(yùn)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。

3D Systems公司至今是3D打印界的龍頭之一，當(dāng)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文件格式。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。

圖二 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，雷射光)，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(gè)剖面層堆積并且黏合在一起，組成想要的成品。

圖四 林士強(qiáng)/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(tái)的上下與能量光源的配合由計(jì)算機(jī)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(shí)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(yàn)，會(huì)發(fā)覺肥皂溶液迅速而有規(guī)則的向外擴(kuò)張。這種有規(guī)律的擴(kuò)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(shí)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(gè)薄膜“5”，接著用吹肥皂泡泡的方法，將薄膜“5”一路往上吹，因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔?，薄?ldquo;5”不會(huì)破，而且厚度均勻，直達(dá)“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(shè)備內(nèi)部的光敏樹脂，準(zhǔn)備下一階段“剖面制作”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”的另一層剖面(Fig 28g) 。

4、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(zhǔn)備下一循環(huán)的剖面制作。

這整個(gè)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(shí)進(jìn)行，節(jié)省時(shí)間，但是整體結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，維護(hù)起來恐怕困難度很高。這個(gè)蠻有理想性的概念至今仍未出現(xiàn)在3D Systems公司的產(chǎn)品列表之中。

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(gè)方法看起來是提高生產(chǎn)速度的方法。

圖十 圖片來源：USPTO

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

2、工作臺(tái)面“28”下降，因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔?，光敏樹脂并不?huì)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(zhǔn)備完成，在經(jīng)過能量光源形成下一個(gè)剖面(步驟5-6)。

這個(gè)構(gòu)想看起來不錯(cuò)，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(gè)是非常直截了當(dāng)?shù)臉?gòu)想，出現(xiàn)在3D Systems公司的產(chǎn)品上。

在日常生活中，如果想把奶油均勻涂上土司，你會(huì)怎么做?

拿把刮刀將奶油推平?3D Systems公司將這個(gè)想法，運(yùn)用到處理光敏樹脂的涂層，如十一、圖十二。在機(jī)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(dāng)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(tái)。

圖十三 圖片來源：USPTO

1、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(gè)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(jìn)一步說明，圖十四中“37”、“38”，負(fù)責(zé)將光敏樹脂涂敷到輸送帶上，輸送帶再將它運(yùn)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“SolidImaging”，“SolidImaging”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”(FilmTransfer 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(fù)責(zé)把光敏樹脂涂敷到工作臺(tái)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，是大量生產(chǎn)的速度慢，除非有革命性的改進(jìn)，否則難與傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)相抗衡。3D打印吸引人，因?yàn)樗且豁?xiàng)獨(dú)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，門坎降低了不少。因此大家趨之若鶩。

萬物皆可打印，印個(gè)自己的塑像當(dāng)然不在話下，為殘障人士量身訂做助行器當(dāng)然更棒。對(duì)人類更有意義的是-如果有適當(dāng)?shù)牟牧?，食物、甚至器官，都可以量身訂做?/p>

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(qiáng)各剖面層間的結(jié)合力、抗變型、耐溫、強(qiáng)度等來吸引顧客，就像是購買計(jì)算機(jī)打印機(jī)一樣，除了選擇設(shè)備，其實(shí)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(qiáng)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。