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光固化式3D列印—領導廠商研發了什麼?
林士強/北美智權 教育訓練處 資深研發創新顧問
2015.02.11
近幾年,「3D列印」不定期的佔據新聞版面,有人列印了車子(美國),有人列印房子(中國大陸),NASA還想要把3D列印機送上太空,好應付太空人的不時之需。這些深植人心的3D列印應用,大多屬於FDM技術(Fused Deposition Modeling),其實,另一個更早的元祖級商業化的技術,就是利用「光固化」的原理。早在1980年代,總部位於美國南卡羅來納州的3D Systems公司,就採用光固化式的3D列印技術,至今仍是3 D列印界的龍頭之一。

光固化,不能算是新鮮事。

有些物質加熱之後會硬化,有些物質遇冷會硬化,以此類推,有些物質見了光會發生硬化,這個現象稱作「光固化」。

光固化物質製成的材料,稱作「光敏樹脂」(Photopolymer),它是由聚合物單體與預聚體組成,一般為液態,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,可用在半導體產業,例如當作光阻劑,也可用在印刷業,例如印刷門牌及標誌。與各位最貼身的應用,或許是當牙醫為你補牙的時候,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列印」不定期的佔據新聞版面,有人列印了車子(美國),有人列印房子(中國大陸),NASA還想要把3D列印機送上太空,好應付太空人的不時之需。這些深植人心的3D列印應用,大多屬於FDM技術(Fused Deposition Modeling),(請參閱北美智權報89期文章「由專利來看3D列印的技術(一))。可以把它想像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。「FDM」屬於3D列印裡元祖級的商業化技術之一。

其實,另一個更早的元祖級商業化的技術,就是利用前面所述「光固化」的原理(請參閱北美智權報95期文章「由專利來看3D列印的技術(五)」),因為沒有那麼平易近人,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列印,並且將它商品化的代表人物,是圖二裡的
Chuck Hull先生。他在1980年代,成立了總部位於美國南卡羅來納州的3D Systems公司(圖三) 。3D Systems公司至今是3D列印界的龍頭之一,當初該公司制定的「stl」格式,仍然是現今3D列印界廣泛使用的模型檔格式。光固化式的3D列印,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

圖三

圖片來源:3d systems 網站

「光固化」技術3D列印設備的概念,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,產生物體的剖面層;3D列印便是想辦法將每一個剖面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」。工作檯的上下與能量光源的配合由電腦控制。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,其實快速製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驗,會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列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)。
  2. 黃色代表的是清洗溶劑,在薄膜「5」一路往上吹的過程中,清洗設備內部的光敏樹脂,準備下一階段「剖面製作」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」的另一層剖面(Fig 28g)
  4. 黃色代表的清洗溶劑再次出現,將工件表面的非剖面部分的光敏樹脂清洗乾淨(Fig 28h-i),準備下一循環的剖面製作。

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,將製程分割,各工站同時進行,節省時間,但是整體結構相當複雜,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在3D Systems公司的產品清單之中。

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產品研發之中,讓我們一起來看看圖十。

這個方法看起來是提高生產速度的方法。

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面「28」,形成一個薄膜「166」(步驟1-2),
  2. 工作檯面「28」下降,因為表面張力的作用,光敏樹脂並不會覆蓋上來,(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剖面(步驟5-6)。
    這個構想看起來不錯,但是至今也並沒有出現在3D Systems公司的產品目錄
    中。

下一個是非常直截了當的構想,出現在3D Systems公司的產品上。

各位的生活經驗裡,如果想把奶油均勻塗上土司,你會怎麼做?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),作用就是把剖面上的光敏樹脂塗層弄得平整均勻,並增加生產速度。方法是每當新的剖面上光敏樹脂後,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裡嗎?答案是不一定。

以下的方法是3D Systems公司近期比較專注開發的方式,不將成品浸在光敏樹脂裡,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麼複雜,而是如圖十三所示,將樹脂利用「供料頭」塗到輸送帶上,再送到工作檯。

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品「28」之下,開始製作另一層的剖面,剖面製作的過程中,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「Solid Imaging」,「Solid Imaging」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「FTI」(Film Transfer Imaging)的產品,目前的產品體積不大,如圖十六、十七所示,使用類似「Solid Imaging」概念,其中「Cartridge」及「Scraper」負責把光敏樹脂塗敷到工作檯面,製作產品。

圖十六、

圖片來源:3D Systems網站

圖十七

圖片來源:3D Systems網站

3D列印的致命傷,是量產的速度慢,除非有革命性的改進,否則難與傳統工業生產相抗衡。3D列印吸引人,因為它是一項獨特的成形技術,讓「客製化」變簡單,使得原本必須依賴精湛手藝或是傳統大量製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。

萬物皆可列印,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-如果有適當的材料,食物、甚至器官,都可以量身訂做。

所以,材料才是關鍵,3D列印的設備商,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,加強各剖面層間的結合力、抗變型、耐溫、強度等來吸引顧客,就像是購買電腦印表機一樣,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
現任: 北美智權 教育訓練處 資深研發創新顧問
經歷: 法商台灣康旭 研發工程處 專案經理
中科院飛彈製造中心 專案工程師
聖荷西州立大學機械研究所碩士
專長: 機械、供應鏈管理、專案管理

 


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