深入剖析3D Systems光固化（SLA）3D打印技術(shù)

光固化(SLA)，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(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(guò)一定波長(zhǎng)的UV光（例如，250-300 nM波長(zhǎng)）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(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”不定期的占據(jù)新聞版面，有人打印了車子（美國(guó)），有人打印房子（中國(guó)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)（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(guò)精密度高些。“FDM”屬于3D打印里始祖級(jí)的商業(yè)化技術(shù)之一。


其實(shí)，另一個(gè)更早的始祖級(jí)商業(yè)化的技術(shù)，就是利用前面所述“光固化”的原理，因?yàn)闆]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(guò)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(guó)南卡羅來(lái)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(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(wú)人能及。

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圖三

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“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(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

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圖六、

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以上的過(guò)程，看起來(lái)簡(jiǎn)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

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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淖饔茫?薄膜“5”不會(huì)破，而且厚度均勻，直達(dá)“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(guò)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）。

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(zhǔn)備下一循環(huán)的剖面制作。

這整個(gè)過(guò)程看起來(lái)冗長(zhǎng)，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(lái)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)品清單之中。

圖八

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圖九

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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(lái)看看圖十。

這個(gè)方法看起來(lái)是提高生產(chǎn)速度的方法。

圖十

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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），

工作臺(tái)面“28”下降，因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔茫�光敏樹脂并不�?huì)覆蓋上來(lái)，（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(zhǔn)備完成，在經(jīng)過(guò)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(lái)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。

各位的生活經(jīng)驗(yàn)里，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

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圖十二

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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

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綠色代表的是光敏樹脂，經(jīng)過(guò)供料頭“49”涂到輸送帶“11”上，形成一個(gè)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(jìn)一步說(shuō)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(guò)程中，能量光源的位置，則如圖十五中所示。

圖十四

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圖十五

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3D Systems公司稱這種過(guò)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(fù)責(zé)把光敏樹脂涂敷到工作臺(tái)面，制作產(chǎn)品。

圖十六、

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圖十七

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3D打印的致命傷，是量產(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�是一�?xiàng)獨(dú)特的成形技術(shù)，讓“定制化”變簡(jiǎn)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(wàn)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)牟牧希�食物、甚至器官，都可以量身訂做�?br />
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(lái)吸引顧客，就象是購(gòu)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

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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(qǐng)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。



作者：        林士強(qiáng)

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(tái)灣康旭 研發(fā)工程處 項(xiàng)目經(jīng)理、中科院（臺(tái)灣）飛彈制造中心 項(xiàng)目工程師、圣荷西州立大學(xué)機(jī)械研究所碩士

專長(zhǎng)： 機(jī)械、供應(yīng)鏈管理、項(xiàng)目管理