详解光固化式“3D打印”的奥秘

      近几年，“3D打印”不时占据新闻版面，有人打印了车子(美国)，有人打印房子(中国内地)，NASA还想要把3D打印机送上太空，好应付航天员的不时之需。

      这些深入人心的3D打印应用，大多属于FDM技术(Fused Deposition Modeling)，可以把它想象成类似在蛋糕上用奶油挤出花纹的手法，只不过精密度高些。“FDM”属于3D打印里元祖级的商业化技术之一。

      其实，另一个更早的元祖级商业化的技术，就是利用“光固化”的原理。

      早在1980年代，总部位于美国南卡罗来纳州的3D Systems公司，就采用光固化式的3D打印技术，至今仍是3 D打印界的龙头之一。

      有些物质加热之后会硬化，有些物质遇冷会硬化，以此类推，有些物质见了光会发生硬化，这个现象称作“光固化”。因为没有那么平易近人，加上材料是液体，湿答答的，总是比较不容易处理。所以，除了因工作需要而使用过的人，一般人其实不清楚它的存在。

      光固化物质制成的材料，称作“光敏树脂”(Photopolymer)，它是由聚合物单体与预聚体组成，一般为液态，加有光引发剂 (光敏剂)，经过一定波长的UV光(例如，250-300 nM波长)照射后，，引起聚合反应，完成固化。

      光敏树脂，可用在半导体产业，例如当作光阻剂，也可用在印刷业，例如印刷门牌及标志。与各位最贴身的应用，或许是当牙医为你补牙的时候，先用光敏树脂当成填充物，然后用UV光照射充填物将其硬化，完成补牙的动作。

      将“光固化”原理，运用到3D打印，并且将它商品化的代表人物，是 Chuck Hull先生。他在1980年代，成立了总部位于美国南卡罗来纳州的3D Systems公司。

      3D Systems公司至今是3D打印界的龙头之一，当初该公司制定的“stl”格式，仍然是现今3D打印界广泛使用的模型文件格式。光固化式的3D打印，是3D Systems公司的基础技术，现今，仍执该技术的牛耳，地位无人能及。

      “光固化”技术3D打印设备的概念，使用能量光源(例如，雷射光)，并利用光敏树脂受光硬化的特性，产生物体的剖面层；3D打印便是想办法将每一个剖面层堆积并且黏合在一起，组成想要的成品。这种概念具体化的成品一层层的剖面厚度，视精密度需求，约在0.05－0.10mm左右。

      以上的过程，看起来简单，其实快速制造一大堆厚度均匀的剖面，又要让他们黏在一起谈何容易。3D Systems公司花了不少工夫做这方面的研究。

      如果有将肥皂溶液滴在平静水面上或是吹肥皂泡泡的经验，会发觉肥皂溶液迅速而有规则的向外扩张。这种有规律的扩张，能够形成薄而均一的肥皂溶层，如果将肥皂溶液换成光敏树脂，就是3D打印时想要得到的均匀且薄的工作层。

      3D打印的致命伤，是大量生产的速度慢，除非有革命性的改进，否则难与传统工业生产相抗衡。3D打印吸引人，因为它是一项独特的成形技术，让“定制化”变简单，使得原本必须依赖精湛手艺或是传统大量制造方法才能得到的成果，门坎降低了不少。因此大家趋之若鹜。

      万物皆可打印，印个自己的塑像当然不在话下，为残障人士量身订做助行器当然更棒。对人类更有意义的是－如果有适当的材料，食物、甚至器官，都可以量身订做。

      所以，材料才是关键，3D打印的设备商，现在都在默默开发不同性能的材料，光固化技术需要性能更佳的材料，例如，加强各剖面层间的结合力、抗变型、耐温、强度等来吸引顾客，就像是购买计算机打印机一样，除了选择设备，其实更重要的是选择耗材。