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详解光固化式“3D打印”的奥秘

        近几年,“3D打印”不时占据新闻版面,有人打印了车子(美国),有人打印房子(中国内地),NASA还想要把3D打印机送上太空,好应付航天员的不时之需。

  这些深入人心的3D打印应用,大多属于FDM技术(Fused Deposition Modeling),其实,另一个更早的元祖级商业化的技术,就是利用“光固化”的原理。

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  早在1980年代,总部位于美国南卡罗来纳州的3D Systems公司,就采用光固化式的3D打印技术,至今仍是3 D打印界的龙头之一。

  光固化,不能算是新鲜事。

  有些物质加热之后会硬化,有些物质遇冷会硬化,以此类推,有些物质见了光会发生硬化,这个现象称作“光固化”。

  光固化物质制成的材料,称作“光敏树脂”(Photopolymer),它是由聚合物单体与预聚体组成,一般为液态,加有光引发剂 (光敏剂),经过一定波长的UV光(例如,250-300 nM波长)照射后,引起聚合反应
光敏树脂,可用在半导体产业,例如当作光阻剂,也可用在印刷业,例如印刷门牌及标志。与各位最贴身的应用,或许是当牙医为你补牙的时候,先用光敏树脂当成填充物,然后用UV光照射充填物将其硬化,完成补牙的动作。

  近几年,“3D打印”不时占据新闻版面,有人打印了车子(美国),有人打印房子(中国大陆),NASA还想要把3D打印机送上太空,好应付航天员的不时之需。

  这些深植人心的3D打印应用,大多属于FDM技术(FusedDeposition Modeling),(请参阅北美智权报89期文章“由专利来看3D打印的技术(一)”)。可以把它想象成类似在蛋糕上用奶油挤出花纹的手法,只不过精密度高些。“FDM”属于3D打印里元祖级的商业化技术之一。

  其实,另一个更早的元祖级商业化的技术,就是利用前面所述“光固化”的原理(请参阅北美智权报95期文章“由专利来看3D打印的技术(五)”),因为没有那么平易近人,加上材料是液体,湿答答的,总是比较不容易处理。所以,除了因工作需要而使用过的人,一般人其实不清楚它的存在。

  将“光固化”原理,运用到3D打印,并且将它商品化的代表人物,是图二里的 Chuck Hull先生。他在1980年代,成立了总部位于美国南卡罗来纳州的3D Systems公司。

  3D Systems公司至今是3D打印界的龙头之一,当初该公司制定的“stl”格式,仍然是现今3D打印界广泛使用的模型文件格式。光固化式的3D打印,是3D Systems公司的基础技术,现今,仍执该技术的牛耳,地位无人能及。
光固化”技术3D打印设备的概念,如图四所示,使用能量光源(例如,雷射光),并利用光敏树脂受光硬化的特

性,产生物体的剖面层;3D打印便是想办法将每一个剖面层堆积并且黏合在一起,组成想要的成品。
看起来简单,其实快速制造一大堆厚度均匀的剖面,又要让他们黏在一起谈何容易。3D Systems公司花了不少工夫做这方面的研究。

  如果有将肥皂溶液滴在平静水面上或是吹肥皂泡泡的经验,会发觉肥皂溶液迅速而有规则的向外扩张。这种有规律的扩张,能够形成薄而均一的肥皂溶层,如果将肥皂溶液换成光敏树脂,就是3D打印时想要得到的均匀且薄的工作层。
3D打印的致命伤,是大量生产的速度慢,除非有革命性的改进,否则难与传统工业生产相抗衡。3D打印吸引人,因为它是一项独特的成形技术,让“定制化”变简单,使得原本必须依赖精湛手艺或是传统大量制造方法才能得到的成果,门坎降低了不少。因此大家趋之若鹜。

  万物皆可打印,印个自己的塑像当然不在话下,为残障人士量身订做助行器当然更棒。对人类更有意义的是-如果有适当的材料,食物、甚至器官,都可以量身订做。

  所以,材料才是关键,3D打印的设备商,现在都在默默开发不同性能的材料,光固化技术需要性能更佳的材料,例如,加强各剖面层间的结合力、抗变型、耐温、强度等来吸引顾客,就像是购买计算机打印机一样,除了选择设备,其实更重要的是选择耗材。
光固化技术的领导厂商在这部分着力研发,3D Systems公司光固化技术大约10%专利申请与材料有关(图十八),不管是加强结合力、抗变型性、或是增加耐温性都希望材料配合着设备,能牢牢绑住客户


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