近代3D 列印技術自1980年代開始發展，陸陸續續至少有已商品化的技術如下：

1. 熱熔式疊加成型技術（S. Scott Crump，Fused Deposition Modeling，簡稱FDM，US Patent 5,121,329）
2. 3DP技術（Emanuel M. Sachs，US Patent 5,204,055 及Jim F Bredt & Tim Anderson，US Patent 5,092,441，Three-Dimensional Printing，簡稱3DP） 
3. 立體光工藝技術（Charles W Hull，Stereolithography，簡稱SLA，US Patent 4,575,330）
4. 選擇性雷射燒結技術（Carl R. Deckard，Selective Laser Sintering，簡稱SLS，US Patent 4,863,538）
5. 噴膠成形技術（Nissan Cohen，US Patent 5287435 及Hanan Gothait，US Patent 6,259,962，簡稱Polyjet）

前期文章《由專利來看3D列印的技術（一）》已經介紹了FDM技術，在上述這些3D列印技術中，筆者認為，其中最符合普羅大眾對3D列印認知的技術，莫過於 3DP，因為它就是從類似噴墨式印表機的噴墨頭下，將成品一層一層的「列印」出來，而且「3D列印」（3D Printing）這個名詞，也是從這個技術的發源地美國麻省理工學院（以下簡稱MIT），活靈活現的流傳出來，成為大眾描寫這類相關技術的最佳代言人。

3DP技術到底是什麼呢？

MIT以Emanuel M Sachs為首的研究人員，於西元1989年底申請並在1993年4月取得 US 5,204,055號專利（以下簡稱 ‘055專利），其中詳細敘述了其研發的3DP技術。

1. 3DP之機構設計

• 結構（如圖一）
• 有邊牆的容器裝載粉末。
• 線性馬達帶動粉末施放頭及黏劑施放頭往覆移動（如紅色箭頭所示）。

圖一、3DP機構示意圖：

出處：.USPTO， ‘055專利

• 運作（如圖二）
• 完成一層列印，工作台面下降。
• 鋪上粉末再用刮刀整平粉末。
• 等待下一次噴灑黏膠。

圖二、3DP運作示意圖：

出處：USPTO， `055專利

2. 3DP之工作原理（如圖三）

• 於工作平台平鋪一定厚度的第一層粉末。
• 將黏劑依第一層剖面形狀噴灑於粉末，使剖面形狀粉末黏著。
• 於工作平台平鋪一定厚度的第二層粉末。
• 將黏劑依第一層剖面形狀噴灑於粉末，使剖面形狀粉末黏著。
• 反覆同樣動作一直到所有剖面都完成並相互黏著。
• 成品完成。
• 將未經黏劑黏合的粉末去除，取出成品。
• 成品可以視需求再進行後處理（例如：加熱硬化）。

圖三、3DP工作原理示意圖：

圖：林士強繪製

3. 噴頭  

• 噴頭使用專利申請當時既有的商售產品（技術）。
• 連續噴射式（Continuous Jet Stream Print Head）
  噴嘴多，速度快，適合大型產品。
• 非連續式（Drop on Demand Stream Print Head）
  噴嘴少，速度較慢，適合小型產品。
• 噴頭的使用並沒有限制連續式或非連續式，通常依需求決定，甚至兩者混合使用也有機會發生。
• 若使用多噴頭，可以配合成品應用，選用一種以上的黏膠。

       
4. 粉末：乾式粉末可使用振動器或超音波調整緊實度，如圖四所示。

• 粉末的功用是作為成品的主體。
• 粉末可為陶瓷（例如：礬土，氧化鋯），金屬，塑膠等。
• 粉末可以視需要採用高密度或低密度鋪設。
• 粉末可以視顆粒大小選用乾式或濕式（大顆粒宜用乾式，小顆粒使用濕式）。
• 無論乾或濕式，在噴灑黏膠前都要除濕。

圖四、如何調整粉末緊實度

出處：USPTO， ‘055專利

5. 黏劑

• 黏劑的功用是將粉末膠合。
• 黏劑中含高比例的黏膠，但視黏度需低到足夠通過噴頭。
• 附著至粉末時可快速反應。
• 某些黏劑甚至需要導電。
• 黏膠須具備足夠結合力，使產品完成後可立刻使用。
• 產品須作後處理（例如：加熱）增加強度時，黏膠是否會因此去除，取
• 決於黏膠的選用。
• 黏劑可以透過非直接的方式預熱（例如：以紅外線加熱黏劑週圍空間）以達到更好的黏合效果。
• 黏劑也可以透過化學反應增強黏合效果（例如：改變黏劑的酸鹼度）。
• 黏膠也可以顆粒的狀態夾帶在液體中使用（參考“Ink-Jet Printing”, J. Heinzle and C.H. Hertz, Advances In Electronics and Electron Physics, Vol. 65）。
• 同一成品中可以視需求使用一種以上的黏膠。

5-1 有機黏膠-
例如聚合樹脂使用於陶瓷粉末。而有機黏膠可以是水溶性（例如：Cellulosic binders）或溶於揮發性溶劑中（例如：丁醛樹脂）。

5-2 非有機黏膠-
此類黏膠通常為矽酸鹽類（Silicate ），另有例如正矽酸乙酯（tetraethylorthosilicate）也在選項之列，這類黏膠最後會併入產品之中，經後處理（例如：加熱固化）也可以保留下來。

技術重點：配合產品應用，選擇合適的黏膠及噴頭。

6. 控制

• 運用傳統CAD（Computer Aided Design）技術。
• 成品經由數未3-D模型轉換為2-D剖面最後成為 1-D的線段數據。
• 由電腦讀取，確認線段數據，控制噴頭是否施放黏劑，並控制馬達的移動以及粉末的施放。

7. 應用

• ‘055專利中特別提到的應用例，是用於脫蠟鑄造（或稱精密鑄造），可以省略「陽模」的步驟，而直接製作「殼模」（陰模）。
• 當然， ‘055專利發明的用途絕不僅於此，而且正等待業界不斷的發掘。

筆者認為Sachs與他的同僚依據黏膠黏合物體的原理創造出一個非常獨特的發明，這個技術的重點應該不是機械元件（例如步進馬達或滑軌）以及噴頭的設計，因為那些都是利用當時工業界現成產品的排列組合，因此如何選用適當的元件及排列組合才是重點所在。舉例來說，把連續噴射式的設計加上使用多個噴嘴，就能達到又快又好的功效嗎？如果考慮到噴嘴堵塞時所需的清理及重工，以及因此所增加的噴嘴堵塞或缺料的機率，則在選用噴頭設計時，就不可將「噴嘴越多越好」當作第一優先。

3DP 的噴嘴問題

本技術另一個重點是粉末及黏膠的使用。該發明中雖然揭露了一些黏膠及粉末的選項，但是如何讓噴頭長時間順利噴灑，除了參考廠商提供的操作手冊外，「嘗試錯誤」（Trial and Error）式的微調整而成為獨家的「know-how」，筆者認為也是有必要的。另外，操作人員嚴守工作紀律（例如：定期清理，保養設備），筆者認為在這種尚未完全普遍、操作性能尚未穩定的技術中，益形重要。

業界追求更好的產品的慾望是無止境的，更何況一個新技術，必定有不少改進的空間。Sachs先生等取得了 ‘055專利，就因此一帆風順，萬無一失了嗎？答案當然不是。果不其然，該3DP發明因為噴嘴容易堵塞，使得機器在工作時，需時常停機清理噴嘴，有嚴重可靠度的問題。而所使用的粉末，則有安全及健康維護上的疑慮，因此並不適合在辦公室環境使用。

針對於此，同樣是MIT的研究人員（Jim Bredt及Tim Anderson）研究了對前述3DP技術的改進方案，於西元1996年9月申請，並在1999年5月取得 US 5,902,441號專利（以下簡稱‘441專利），其中詳細敘述他們如何改進了3DP技術。

Bredt及Andersone的改進，主要是在材料上（粉末及溶劑），Bredt和Anderson改變材料的配置及使用無毒的原料，因此可以在專利中大聲宣告，他們改善了噴頭阻塞以及安全上的顧慮，使新發明較適合在辦公室環境中使用。他們的 ‘441專利，就是用來保護他們如何改進3DP技術所用之材料方法，其內容這樣的：

1. 粉末

• 粉末是混合物，粉末中則混合了：
• 膠粘劑（Adhesive），具高可溶性，溶後黏度低，還具有低吸濕性及高結合力。
• 填充劑（Filler），幾乎不溶於激發液，具低吸濕性，還具有快速濕潤及高結合力。
• 填充劑是做為成品的結構。
• 列印輔助劑（Printing Aid），通常使用卵磷脂（Lecithin），用以防止列印層變形。
• 纖維（Fibrous Component） 視需求添加，可溶性比膠粘劑低，用於增加成品強度，並增加成品尺寸穩定性。

2. 激發液（Activating Fluid）

• 激發液包含一種溶劑，作用是使粉末中的黏膠產生功能，並有保濕的功用。
• 激發液包含保濕劑（Humectant）保持噴頭濕潤，避免噴嘴阻塞。
• 激發液包含流速增益劑（Flowrate Enhancer），作用是增加流動性，增加流速，目的是使更多激發液經噴頭射出，增加生產速度。
• 激發液含染料（Dye），作用是可以讓操作人員容易監控製程及產品可著色。

技術重點：其使用粉末及激發液產生固化物的方法，是這整個專利的重點，而找出粉末及激發液的最佳配置，則是3D成品是否成功的關鍵。

‘441專利說明書中揭露了其中一項配方，如表一所示：

表一、Bredt及Andersone的專利配方：

出處：USPTO， ‘441專利）

Jim Bredt 及Tim Anderson將其改善3DP技術缺點的「材料方法」，以專利來保護，他人並不能隨便沿用，但是業界追求更好的製程及產品的慾望不變，筆者認為必定還會有人在表一之外，能研究出許多不同的配方，至於這些配方是應該以專利的形式保護，或是當作營業秘密（trade secret，也就是know-how）來處理呢？ 筆者認為，答案就屬於見仁見智，要看各自的需求與商業競爭考量而定。

Emanuel M. Sachs的3DP技術，其 ‘055專利已經於2010年到期，所以3DP相關的機構，控制方法及材料處理已經成為公共財產，業界可以依專利中本文的實施例內容，作為己用。但是別忘記它噴頭容易阻塞的缺點。而Jim Bredt 及Tim Anderson的發明，改善了以上的缺點，但是他們所用的材料方法，仍然在`441專利保護中，要到西元2016年才可為大眾免費享用。

筆者認為，即使3DP的基礎專利已經或即將到期，如前期文章《由專利來看3D列印的技術（一）》所述，業界仍然不能只寄望沿用既有的技術，因為那些都是20多年前的技術，至今只能用於相對低階的產品，市場競爭力不足，商業價值不高。台灣業界若要生產比較高階（高精度、高強度）的產品，仍然必須在研發上努力進行創新與加倍的努力。

例如，研發了能改善3DP技術缺點的材料配方，而取得 ‘441專利的Jim及Tim兩位發明人，是否就此停止了研發的腳步呢？ 答案當然不是，他們曾成立了一家Z Corporation公司，來商品化他們3DP的專利，在西元2012年該公司被另一家3D列印大廠（3D Systems公司）併購前，他們陸續又有發表22個專利，每個專利都代表在這3DP技術上的精進及創見。

這22個專利之中，有超過一半（22件中的13件）用來保護Z-Corporation設計的機器結構及配置（例如：機器組件配置，機器週邊設備），有志研發3DP設備的廠商，對這十幾個專利廻避設計，或許已經開始了。通常這類機構的廻避，是台灣廠商的專長，況且已有之前的到期專利可作後盾。而其餘的9個專利則與其使用之材料有關（例如：材料的配方及製程），可見該公司對材料配方選擇用「專利」而非「營業秘密」保護，認為其較為有利。筆者認為這應該與耗材銷售是現今3D列印設備供應商之重要營收來源脫離不了關係，筆者也要提醒各位，耗材配方當然也是台灣廠商進入3D列印設備市場的研發重點。

總之，各位研發人員，若想要在3DP專利廻避上有所突破，詳細搜尋與閱讀與其相關的專利是免不了的功課，並應避免發生如前期文章《研發人員常見的迴避設計謬思 (上)》與《研發人員常見的迴避設計謬思 (下)》所述的常見迴避設計謬思。在尋找技術解決方案的過程中，若遇有專利威脅，研發人員不但要進行迴避設計，還要去努力尋找先前技術，用來阻卻現有專利的威脅，只有不斷的創新，加上持續的努力與再發明，在這個競爭激烈的市場上才有活路。若真的無法可施，別人的專利壁壘確實牢不可破，研發人員也應實話實說，建議公司在市場上尋找其他商機，或建議設法取得專利授權，來尋求可行的解決之道。

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