作者簡介：
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：
中科院飛彈製造中心 專案工程師
聖荷西州立大學機械研究所碩士專長：
機械、供應鏈管理、專案管理 |
前期文章《由專利來了解3D列印技術（二）– 3DP》已經介紹了3DP技術，另有一個3D列印技術，與3DP技術雷同，但是整個操作的邏輯與3DP恰恰相反，將成形的物質直接噴撒至工作檯面後固化，形成想要的成品，它看起來不像FDM，但與FDM有異曲同工之妙，筆者稱它為「噴膠成形技術」（Solid Ground Curing, SGC），發明人Nissan Cohen，美國專利證號 5,287,435，現今業者大多以PolyJet稱之，本文將簡述其技術內容。
3DP技術源起
噴膠成形技術於1980年代末，原由以色列Cubital Ltd.公司所開發，當時稱做Solid Ground Curing（以下簡稱SGC）技術，是PolyJet 技術的源頭。
Cubital Ltd.公司於1990年申請，並在1994年初取得US5,287,435「專利」。而其專利權期限已經在2011年到期。該SGC技術詳載於US 5,287,435專利說明書，如圖一所示。
圖一、SGC 技術圖示
資料來源：USPTO
1.光罩製作（程序如圖一之紅色實線箭頭所示）
光罩的功用是遮蔽「非剖面位置」，讓「非剖面位置」的光敏樹脂不硬化；而未被遮蔽的「剖面位置」則露出，其光敏樹脂則會感光硬化。
1-1. 剖面光罩（綠色虛線區域）在「A」區製作；
1-2. 光罩移至「B」區，添加光敏樹脂；
1-3. 光罩移至「C」區，成形剖面；
1-4. 光罩退回「A」區，清洗，製作下一個剖面光罩；
1-5. 如此週而復始，直到所有的剖面光罩完成。
2. 成品形成（程序如圖一之紅色虛線箭頭所示）
成品依連續剖面層層相疊成形的原理，結合不定數量的剖面，形成想要的成品。
SGC中，成品從第一個剖面開始，處理的過程如下：
2-1. 光罩移至「C」區，在工作台上（Support Surface）成形第一個剖面；
2-2. 「C」區的液體循環系統將多餘的光敏樹脂去除；
2-3. 成品第一個剖面移至「D」區，添加支持物（例如：蠟）；
2-4. 成品第一個剖面移至「E」區，整平並固化支持物；
2-5. 成品第一個剖面移至「F」區，以機械加工的方法整平並去除多餘剖面（例如：毛邊）；
2-6. 成品第一個剖面退回「C」區，等待下二次光罩移至「C」區，成形第二個剖面，如此週而復始，直到所有的剖面完成。
該專利中也提示了另兩種剖面的製作的方法（如圖二及三所示）。
（圖二）（摘自USPTO 5,287,435）
3. 可程式控制X-Y釋放子系統（程序如圖二）
3-1. 光罩製作在此例子中不再使用；
3-2. 直接用可程式控制X-Y釋放系統，將光敏樹脂依第一剖面噴灑至工作台上；
3-3. 將硬化樹脂光源（例如：UV光源）施用於硬化光敏樹脂；
3-4. 光敏樹脂硬化後，再依2-3至2-6的成品形成順序製作成品。
（圖三）（摘自USPTO 5,287,435）
4. 實體模型產生子系統（程序如圖三）
4-1. 光罩製作在此例子中也同樣不再使用；
4-2. 直接用能量光源(例如:雷射光)，將光敏樹脂依第一剖面成形；
4-3. 工作檯下降，再形成第二剖面；
4-4. 週而復始，直到所有剖面完成。
讀到這裡，各位是否發覺這個專利所述的實施例與立體光工藝技術（Stereolithography，SLA）專利所述的實施例頗為相似，但其中是否有相互侵權的疑慮，應該再仔細研讀該專利中的請求項，以及與涉嫌侵權產品進行詳細比對，因篇幅所限，筆者於此就暫不再作進一步討論。
US 5,287,435專利中對「實體模型產生子系統」的部分，言盡於此，並沒有對此實施例再多作敘述，依照筆者合理地判斷分析，應該是去除了有關「支持物」如何形成的工序，但是保留了「以機械加工的方法整平並去除多餘剖面」的製程。
US 5,287,435專利中對於成品成形的工作原理，是個非常獨到的概念，但也許受制於發明當時工藝水準以及電腦技術的限制，整個系統被切分成太多個工站來分層負責，各工站間的連結及整合複雜度也隨之提高，讓人對於系統能否保持順暢運作會捏一把冷汗。
雖然SGC技術是一個頗具創意的3D列印技術之一，但是受制於其系統設計複雜，因此總揮不去操作費用昂貴的夢魘，導致產品的市場接受度低，銷售極差。因此即使有獨特的創意，有專利保護，但缺少市場支持及成本的考量，仍然會是個失敗的產品。
其實，任何系統的設計，「簡單」應該是最高的原則，「簡單」的設計，也能夠提高系統的可靠度，減少訓練時間與降低操作費用等。因此，筆者認為這類3D列印技術的改進重點，應該是將系統簡化，減少成品的運動，其實就可以提高產品精度，避免成品的二次加工。
Cubital公司於西元2002年結束營業，相關專利由另一家以色列公司Objet Geometries Ltd.（以下簡稱Objet）接收，果不其然，該Objet公司沿用並改良SGC技術，稱其為PolyJet，並申請了專利，來商業化它的發明。Objet公司於西元2012年與3D列印大廠Stratasys Inc.公司合併，而Stratasys Inc.為存續公司，原PolyJet技術以「Objet」系列的的產品銷售。
Objet公司在美國申請的第一個PolyJet技術專利是在西元2001年7月獲證的US 6,259,962號專利，專利到期日是西元2019年5月。那它是如何製造3D產品的呢？
Polyjet的工作原理
與SGC技術相同，將成形的物質直接噴撒至工作檯面後固化，形成想要的成品。但是Objet將整各系統大大的簡化，以提高市場的接受度，如圖四、五、六所示。
（圖四）（摘自USPTO 6,259,965）
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| （圖五）（摘自USPTO 6,259,965） |
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（圖六）（摘自Stratasya官網） |
相較於SGC技術，Polyjet技術同樣使用CAD，並將各元件大大的整合，減少複雜的機構，並且不再使用機械式的剖面整平裝置。其整個系統包括原料噴撒器、控制器、CAD、硬化光源、列印頭、以及噴嘴等裝置。
1. 列印頭/噴嘴
1-1. 使用複數個噴嘴，成矩陣式排列；
1-2. 噴嘴由CAD及控制器控制光敏樹脂（例如：DI7090 Clear Coat of Marabuwerke Gmbh & Co.） 噴灑；
1-3. 噴頭依需求裝設噴嘴，但應至少含有一排噴嘴。
2. CAD/控制器
2-1. CAD系統計算解析度，剖面層數目，噴灑次數…等；
2-2. CAD系統與控制器連結，控制噴嘴開（關），光敏樹脂的噴灑…等；
2-3. CAD系統與控制器連結，能夠對堵塞的噴嘴無法噴到的位置，自動補償。
3.樹脂硬化
3-1. 光敏樹脂由硬化光源硬化；
3-2. 硬化光源（例如：UV光）在光敏樹脂噴灑後，提供樹脂硬化使用。
PolyJet與SGC 技術最大的不同，除了PolyJet整合了元件外，應該就是在於去除多餘剖面的方法了。SGC使用機械式的剖面整平裝置來去除多餘的樹脂（例如：毛邊），而PolyJet則完全用噴頭、CAD及控制器，配合機台上的參考感應器（如圖五所示），達到相同的效果，大大的提升了3D列印機的實用性。
PolyJet 的技術重點應該是設備上的控制及感應裝置，能夠即時調整或補償光敏樹脂的噴灑，否則成品辛苦製造完畢，才發覺尺寸有異，或內部有無法輕易去除的多餘部分，就會叫人頓足搥胸了。
還有，該等設備使用之後的定期保養，是非常重要的事，這樣才能使噴嘴保持暢通。當然，性質更好的光敏樹脂，永遠是這個成形技術的最重要成功關鍵。
4. 專利
US 6.259,962專利，在西元2019年才到期，除非取得授權，現今是完全不可抄襲的。它只有一個獨立請求項，大意是這樣寫的：
1. A method for three-dimensional printing of a three-dimensional model utilizing a printing head having a plurality of nozzles along a longitudinal axis, the method comprising the steps of:
使用複數噴嘴的縱向噴頭，製造3D列印模型的方法包含以下步驟，
positioning the printing head to a first pre-selected position;
selectively dispensing interface material in a first layer from said printing head;
置噴頭於預設位置，選擇性噴灑介面材料至第一剖面層
re-positioning said printing head to compensate for blocked nozzles to a subsequent position, said subsequent position being offset a distance of at least one nozzle along said longitudinal axis from said first pre-selected position and being a vertical distance above said first layer, said vertical distance being equal to the thickness of a subsequent layer of dispensing material;
為補償塞住的噴嘴，「重置噴嘴」至「隨後」位置（一錯位或至少與原位置一噴嘴的間距），垂直高度的差別則為一層的厚度。
repeating said step of selective dispensing in the subsequent layer; and
重複「選擇性噴灑介面材料」至之後剖面層
repeating said steps of re-positioning and selective dispensing in the subsequent layer until the three-dimensional model is completed.
重複「重置噴嘴」及「選擇性噴灑介面材料」至之後剖面層，一直到模型完成。
其中「預設位置」、「選擇性噴灑」、「介面材料」、「重置噴嘴」、「隨後」位置…等，都是所謂的「技術特徵」，能刪除或置換其中一個，使用這項專利就不需要苦等到西元2019年了。（參考北美智權報第 89期 研發人員常見的迴避設計謬思（上）及90期（下））
在筆者看來，PolyJet是一項既有趣又富含創意的技術，希望經由以上的解說，能讓您能對此技術的發展歷程及技術內容，有更進一步地認識。
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