3D列印技術的影響力可算是無遠弗屆且炙手可熱，堪稱是21世紀初的顯學，英國《經濟學人》雜誌將之稱為人類史上第三次工業革命。在未來的全球市場上，舉凡食、衣、住、行、育、樂的相關產業，都可以看見它的存在。智權報先前文章《從專利申請看3D列印市場大勢》已有相關市場趨勢與產品報導，為了讓廣大的讀者對3D列印技術有更深入的了解，筆者特地選定了最具代表性的3D列印技術專利，同時也是在市場上已經發揮高度商業價值的基本專利作導讀，解析其技術內容，希望能對相關廠商的研發單位主管與工程師們有所助益。

在眾多3D列印的關鍵技術中，本期首先介紹FDM (Fused Deposition Modeling，熱熔式疊加成型)技術。此技術之發明人是美國的 Scout Crump，該技術的領導廠商為Stratasys Inc.，1989 年創辦於美國明尼蘇達州 Eden Prairie city，Scout Crump 也是該公司的創辦人之一。

Scout Crump 的FDM技術專利名稱為「APPRATUS AND METHOD FOR CREATING THREE-DIMENSIONAL OBJECTS」，其USPTO 專利公告號為 5,121,329；此技術之發明人於1989年提出專利申請，再於1992年獲得專利證書。該專利的保護期已於2009年屆滿(註1)。由此可知，該FDM專利公報所公開之技術內容已經成為公共財產，任何人都可以取其專利公報的技術內容而加以利用、製造及販賣產品，而無慮於其專利保護範圍（請求項）。

總之，閱讀專利公報取得其技術內容的重點在於按圖索驥了解專利說明書的本文部份，現配合其實施例（Embodiment；這是個專利術語，為專利申請人所提出之「技術解決方案」範例）與圖式（Figure；這是另一個專利術語，其實就是「圖示」）詳述如下。

資料來源:USPTO，第5121329號專利公報圖式1

圖式1的內容是將該設備的各個主要技術內容以系統化的方式做說明，其功能是用熱熔性材料46於一基板10上進行多層堆疊程序以完成一三維實體物件40，主要裝置包含有：
一線狀熱熔性材料46導入可移動且可設定溫度的噴佈容器2內加熱，使該材料形成流體狀態，經由噴嘴4輸出至固定於近距離下的基板10，利用噴嘴4相對於基板10沿平面座標上X,Y和Z軸方向上移動，依照預設之厚度規格進行多層次的固化層積作業而完成一三維實體物件40；

技術重點：3D噴塗層積的精密控制。

如圖式1 所示，壓縮空氣是從空氣壓縮機 60產生並貯存在空氣槽62內，通過空氣管線58輸送至氣缸56，空氣管線58 並附有3 通電磁閥64、壓力計68和調壓閥 66。熱熔性材料46 所需的冷卻空氣則另由空氣管線150延伸至噴嘴4。

技術重點：冷卻與快速固化。

資料來源:USPTO，第5121329號專利公報圖式2

圖式2的內容是敘述利用電腦輔助設計(CAD)軟體36將一三維物件40的設計圖剖切成多層圖層的資料42，該圖像為複數個程式段所定義，依照預定的程式段序列產生程式信號輸出至控制器44，再由控制器44輸出信號給X20、 Y24和Z32等三軸驅動馬達以進行列印動作。

同時，發明人於專利說明書裡表示可用於如此列印的材料，包括蜜蠟，鑄造蠟，可加工式工業用蠟、石蠟、熱塑性樹脂、金屬和合金。適用的金屬包括銀、黃金、鉑、鎳，適用的合金包括鋁、銅、金、 鉛、 鎂、 鋼、 鈦、 鉛錫合金，錳青銅等。甚至一般玻璃和康寧玻璃，也可使用。

此外，該專利說明書更表示在完成3D列印工作後，工程人員必須小心進行切除動作以分割實體物件40與網狀基座108的連結部分，並且避免使該實體物件40受損。發明人對此一程序提出三種實施方法做為參考方案，其一是採用銅質網狀基座，接上低壓電流源，使其加熱後自動分離；其二是採用磁化網狀基座108與含鐵材料完成列印工作，再利用磁場斥力分離該實體物件40；其三是採用水溶性蠟質網狀基座108，若浸於水中亦可輕易完成分離動作。

資料來源:USPTO，第5121329號專利公報圖式3

圖式3的內容是敘述如何將線狀熱熔性材料46導入噴佈容器2內加熱，使該材料形成流體狀態，經由噴嘴4輸出至基板10。主要裝置包含有：
一往復式活塞54聯結於驅動桿52，該活塞54是由氣缸56的壓縮空氣所驅動。再由驅動桿 52 連結到樞軸連桿70與棘輪頭 72 驅動具有一個或多個棘輪齒 74而推動線狀熱熔性材料46進入容器2。驅動桿52是由通孔式托架板78支撐，一回復式彈簧76作用於活塞 54的底部以完成往復式運動。

技術重點：如何控制進料的順暢，不斷線，噴嘴不堵塞。

一密封環 83安裝於加熱頭 84的頂部，一電源線82連接到電阻式加熱器80，該電阻式加熱器80可將熱熔性材料46加熱至預定的溫度，熱電偶 88則附著於加熱頭 84做為感測溫度信號之用，該溫度控制器86最好的設定值是約高於材料的熔點 1℃，使該材料成為流體形式。在噴嘴4旁另有一輔助式加熱器100與第二個熱電偶102，加熱葉片92使線狀熱熔性材料46成為流體形式之後，向下流入通孔94，經過球形止回閥96的開關動作決定材料46是否通過噴嘴出口98。

技術重點：噴嘴的開關控制與孔徑大小，流速與流量配合材料性質的精密控制。

資料來源:USPTO，第5121329號專利公報圖式4

配合圖式4的內容，發明人於專利說明書表示該設備的列印厚度可薄至0.0001英吋，並且可向任意方向上進行列印。（一般來說，除非其為申請當時業者的通識，這要有實驗數據來支持其所言為實，否則就有無法據以實施而使專利無效的風險。）

資料來源:USPTO，第5121329號專利公報圖式5

圖式5的內容是敘述另一個版本的設備概念。線狀熱熔性材料110由供料轉盤114拉出，通過導向襯套111延伸至容器入口116，經過材料容器118，噴嘴122，噴佈頭112，直達噴嘴出口126，加熱器128內含電阻式加熱器130包圍著噴嘴122。馬達142用於驅動皮帶或鍊條144以帶動滾輪134與136，彈簧140作用於壓板138，配合滾輪的動作把線狀熱熔性材料110帶入系統內。其加熱與列印工作原理與前述圖式3之實施例類似。

資料來源:USPTO，第5121329號專利公報圖式6

圖式6的內容是敘述該噴佈頭可安裝二種不同成分或不同顏色的材料110a與110b同時進行列印。（對於複合材料，不同顏色的材料混合，與支撐件的同時列印，該專利說明書都有所表示。）

 
資料來源:USPTO，第5121329號專利公報圖式7 & 8

圖式7的內容是有關一多重輸出噴佈頭162的工作原理，其縱剖面如圖式8所示。將二種不同的材料172與174導入噴佈頭162，加熱器178可將材料熔為液態，由電磁閥或氣動閥164控制活塞166以決定噴嘴出口170的開關動作，此一設計可增加列印寬度以便於列印大型物件。
（對於多噴頭的設計，該專利說明書也有所表示。）

資料來源:USPTO，第5121329號專利公報圖式9

配合圖式9的內容，發明人主張該設備的列印厚度變化可任意設定，並可在任意平面上進行列印。

  
資料來源:USPTO，第5121329號專利公報圖式10 & 12

圖式10與12的內容是敘述該噴佈頭可在自由空間中列印任意形狀之物體，並表示其為實施的可能方法之一。

資料來源:USPTO，第5121329號專利公報圖式11

圖式11的內容是敘述一個噴嘴用的多孔擋片112，可適用於載入多種線狀熱熔性材料經過通孔127進行列印工作，此為多種材料混合噴頭的另一種可行之設計。

綜合以上的內容，可知FDM技術的主要技術內容是依照電腦圖像軟體程式的指令，以加熱器熔化線狀之熱塑性材料，使該材料從加熱頭內經噴嘴均勻擠出而逐層堆積成三維實體造型。前述噴頭的設計（不斷料、不阻塞），材料的選擇（強度強、好剝離、好處理等），3D噴塗積層的精度與速度，以及軟體控制等，都是本技術的重點。

此外，FDM 是業界公認技術門檻最低，最容易入門，成本最低廉且應用領域也最廣泛的選擇，舉凡快速成型、公仔玩具、食品列印到生物科技領域等，皆是該技術廣受重視的地方。

下一期，我們將接續介紹3D列印技術中的第二種關鍵技術，SLA(Stereolithography)的詳細內容，敬請期待。

附註

1. 在1995年以前，美國專利的專利權期間是從專利的公告日起算，十七年屆滿。但是在1995年美國國會通過烏拉圭回合協議法(Uruguay Round Agreements Act，簡稱RUAA)之後，美國專利的專利權期間改為自專利之申請日或優先權日起算二十年。後又因為美國聯邦巡迴上訴法院(Court of Appeals for the Federal Circuit；CAFC)在 2010 年於Wyeth案確認了因為可歸責於USPTO在審查專利申請案時所產生的延遲（超過3.5年的審查時限），而依據美國專利法第 154 條(b)有權享有調整「專利權期限」。在此判決中，CAFC 認為 USPTO 對於美國專利法第 154 條(b)的原解釋不當。USPTO 在接獲判決後，立即重新修正專利權期限調整的計算方式，而補足專利權人其可歸責於USPTO的審查延遲時間。因此，理論上，一個美國專利的專利權期間，應該至少有17年之久。　－　陳宜誠律師

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