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
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）
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
圖二
圖三
「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
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
圖六、
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
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）。
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）。
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，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
圖八
圖九
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
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），
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）。
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備完成，在經過能量光源形成下一個剖面（步驟5-6）。
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
圖十二
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
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
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
圖十五
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、
圖十七
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
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
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