談到3D列印技術的相關內容，相信讀者們大都是耳熟能詳，但是若問及誰是該產業技術的開山始祖，那當然是非美國的Charles Hull 先生莫屬了。Charles Hull 在1983年發明了SLA (Stereolithography，「液態樹脂固化」或「光固化」) 3D列印技術，隨後於1984年申請美國專利，1986年獲得有史以來第一件結合電腦繪圖、固態雷射與樹脂固化技術的3D列印技術之專利證書(US 4,575,330);同一年，他也在加州成立了業界知名的3D Systems 公司，大力推動相關的業務。直至近兩年來，拜「經濟學人」雜誌的一篇權威性報導以及美國政府的高度重視，3D列印產業才得以因時趁勢，以主角的姿態，躍上全球財經媒體的版面，發光發熱起來了。

SLA 技術問世 30 年  3D Systems 持續研發

自從該SLA (Stereolithography)發明問世以來，至今(2013年)已經是整整三十個年頭了。已逾古稀之年的Charles Hull 先生回想當時（1983年）的狀況，心中仍不禁感慨萬千;因為在那個年代，同一時期新上市的產品當中，首推「光碟片」(CD)和「可攜式攝錄影機」(Camcorder) 等項目，都能快速地贏得了億萬消費者的關注，其聲勢之浩大，可以用「名聞世界，暢銷全球」來形容。在那個電子資訊產業蓄勢待發，即將進行跳躍式成長的時代，比較起來，不論是高科技或傳統產業的專業人士，會稍微地對其研發的3D列印技術投以些許好奇眼光，甚而駐足聞問者，可以說是少之又少的了。        

不過，回顧這一段從發明、創業到堅持理想的漫長過程當中，Charles Hull 先生秉持著高度的耐力和韌性，透過不斷地改良改善、研發創新與購併同業公司的手法，一手將3D Systems 公司拉拔成為3D列印產業中的龍頭老大，目前該公司市值已經超過50億美元，擁有400多件專利，員工一千多人，其自豪之情，可以想見。雖然這種經營規模在美國仍只能算是中小企業，可是各界媒體對於該公司的經營策略、技術實力、專利佈局與發展前景等指標，都給予極高的評價。

SLA (Stereolithography) 3D列印技術是依據電腦輔助設計與製造(Computer Aid Design/Computer Aided Manufacturing，以下簡稱CAD/CAM)圖檔的指令，利用高能光束聚焦於液態光敏樹脂表面，使被照射之液態樹脂固化而連續不斷地進行逐層堆疊動作，最後完成設計物件的快速成型(Rapid Prototyping)工作。Charles Hull 先生在開發SLA的3D列印設備初期，為了掌握CAD/CAM應用軟體的使用，特地招集了研發團隊制定出附檔名為「.stl」的傳輸協定與檔案格式，該軟體傳輸協定與檔案格式至今仍沿用如常，成為工業標準。其次，對於建置液態樹脂工作槽的部分，其3D Systems 研發團隊又克服了許多有關於流體力學與化學反應方面的問題。然而，最大的挑戰是在於高能光束的光源部份，該研發團隊除了要定義適當的光源波長以利於液態樹脂固化製程以外，更要解決光源耗電量大、冷卻系統體積過於龐大，以及成本高昂而導致客戶難以接受的情況。所幸，於90年代初期，固態雷射技術適時達成商業化，3D Systems 研發團隊乃藉著固態雷射光源的系統整合，順利地於1996年推出第一台利用固態雷射進行液態樹脂固化的3D列印設備，此舉不但成功地提升了自己的市場地位，更改變了全球製造業的技術觀點。   

液態樹脂固化之3D列印設備專利

接著，筆者要為讀者們介紹Charles Hull 先生所取得的專利中，最早的一件發明，即「液態樹脂固化之3D列印設備」，其專利說明書（US 4,575,330，以下簡稱330專利）的內容詳示如下：

許多已知的液態化學品可在紫外線或其他如電子束，可見光或不可見光等的照射能量激勵下轉變成為固態聚合塑膠。本發明的主要物件是利用電腦圖像結合紫外線固化塑膠與高能光束之光源，同時執行電腦輔助設計(CAD)和電腦輔助製造（CAM）指令等技術以製作三維物件。這項發明稱為「光固化」製程，可用於產品開發中，設計階段的模型和原型雕塑，或作為製造設備、甚至於藝術作品的實現。

實施例１：

如前文指出，「光固化」製程包含一種方法和設備，該製程是以程式控制可移動的高能光斑聚焦於液態光敏樹酯的表面，使該液體在其表面形成一薄層的實心截面物件，然後該物件和下一個截面緊密結合，依照該物件的圖層定義，重覆這一「印刷」與「重疊」的過程直到整個物件形成為止。

運作原理：

圖式1. 330專利實施例1（資料來源: USPTO）

如圖式1之實施例所示，容器21裝滿了可被紫外線能量固化的液體 22，並且提供一個指定的工作表面 23。一可程式控制的紫外線光源26產生一紫外線光斑27於表面23當中。表面23上的光斑27，其位置可由一台電腦或其他程式設計設備28控制。容器21內的升降平台29可由電腦 28控制該平台的上下移動位置。該設備操作時，它將逐步累積薄層如30a、30b、30c而形成三維物件。

容器21中可固化液體 22的表面維持在一個恒定的水位，而光斑27則依照程式設計的方式在工作表面 23上面移動，並以足夠的強度將該液體轉換為一種固體物質。當液體 22 形成固體物質時，升降平台29將從最初的表面 23以程式設計的方式，經由任何合適的傳動器向下移動。依此方式，最初的固體物質是在表面23下形成，新液體 22 再流入表面23。部分新液體是通過光斑27的程式運作轉換成固體材料，而該新材料則連接到它下面已固化的材料。這一過程一直繼續到整個三維物件30完成為止。然後從容器21移除物件30，該設備可以接著生產下一個物件，或者是可通過改變電腦28中的程式再進行生產新的物件。

固化材料

固化液22必須具備幾個重要特性:(A) 它必須能快速地與紫外光源作用而形成實際物件。(B) 它在固化過程中必須具有粘性，以便形成連續附著的圖層。(C) 其液態粘滯性必須夠低，以便在升降平台移動物件時，新液體材料能快速地流過其表面。(D) 它必須易於吸收紫外線，以便材料形成時會合理地薄。(E) 在液體狀態下，它必須是可溶於某些溶劑，而在固體狀態下，則不溶於同一溶劑中。(F) 應為無毒、無刺激性的材料。

該固化材料在固體狀態還必須具有理想特性。這些特性涉及傳統應用的塑膠材料。比如顏色、紋理、強度、電氣性能，可燃性和可撓性等參數。此外，該材料的成本也相當重要。

目前實施例中首選的紫外線固化材料（如圖式1）為灌封膠化合物363，是一改良的丙烯酸酯，是由美國康乃狄克州，Newington市的Locktite 公司所製造，該材料的製作過程在專利US 4,100,141號中有描述，標題為穩定性粘劑和固化成分。

光源：

光源26所產生的光斑27必須足夠小，以便形成所需物件的細節部位，亦必須足夠強烈，以便使固化液體能夠快速地形成實際的物件。同時，它可以依照程式設計而開啟、關閉或移動光源26，以及令聚焦光斑27在液體22的表面23上進行移動。

在圖式1的系統中提供一方法，液面23會保持在一個恒定的水位以確保物件移動時，可補充該固化材料。因此，光斑27將會聚焦在固定的焦點平面上，從而確使溶液沿工作表面形成一薄層。

本實施例中，鐳射可能是比弧光燈更好的光源。因為「光固化」製程的速度主要是受限於光源的強度和固化液體的反應速度。

升降平台：

升降平台29是用於支撐正在形成中的物件30，將其向上或向下移動。其要求是利用程式設計方式使其以適當的速度與足夠的精度移動，而且它是結構堅固的，足以支持正在形成的物件30之重量。

圖式1的升降平台29是連接到一類比繪圖器，該繪圖器於本實施例中是由HP 3497A 資料讀取/控制單元內部的數位類比轉換器所驅動，並置於電腦28的程式控制之下。

升降平台29可以機械、氣動、液壓、或電力進行驅動，也可以使用光學或電子回饋來精確地控制其位置。升降平台29通常是用玻璃或鋁材製造，但是只有固化塑膠可附著的任意材料才是適用的。

工作槽：

一電腦控制泵可用在液體22的工作表面23維持其恒定的水位。液位檢測系統和回饋網路，為眾所周知的技藝，可用於驅動流體泵或液體置換設備。或者，光源26可以隨著感測水位23移動並自動聚焦於工作表面23。所有的這些選項都可以通過軟體與電腦控制系統28一起運作。

在三維物件30形成之後，升降平台29將會上升，物件從平台中移走。通常情況下，該物件會在超音波溶劑中漂洗，如丙酮，以溶解未固化的流體介質。然後該物件30被放置於強烈的紫外線泛光燈下照射，通常是每英寸200瓦的紫外線固化燈，以完成其固化過程。

此外，本發明的實施例可能有複數個容器21，可以通過系統自動選擇具有不同類型之固化材料的容器。在這方面，各種材料可能會是不同顏色的塑膠或者是絕緣和導電性的材料以做為電子產品的不同層次之用。

實施例２

圖式2. 330專利實施例２（資料來源: USPTO）

如圖式2所示，為另一種「光固化」製程的配置，其中可被紫外線固化的液體22浮游於一高比重且可被紫外線穿透之液體32之上，該液體32與可固化液體 22 互為不相溶和非潤濕特性。例如，乙二醇或重水皆適用於該液態的中介層32。在圖式2的系統中，該三維物件30是從液體22裡頭被拉起，而不是像圖式1所示的向下方且進一步伸入液態介質中。

紫外線光源26在圖式2中聚焦一光斑27於可固化液體22和不相溶的中間層液體32之間，紫外線通過適當的透明視窗33，如石英之類，在容器 21的底部操作。可固化液體 22能在不相溶層32之上產生一薄層，不僅是依靠吸附作用而提供此一超薄層厚度的優勢。因此，本發明將更加嚴格地定義成型的區域，圖式2系統中的表面形成會比圖式1的更平滑。此外，為了容易替換另一種固化材料，小量地使用紫外線可固化液體22是必要的。
專利說明書接下來的實施例、及 3D Systems 的全球行銷網絡及市場策略，將於北美智權報下一期報導，敬請密切期待。

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