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详解光固化式“3D打印”的奥秘

2015年02月19日 12:20    创事记 微博 作者: 北美智权报   

  文/林士强 北美智权教育训练处资深研发创新顾问

  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),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。

  光固化,不能算是新鲜事。

  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”。

  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(如图一)。

  图一  图片来源:wiki

  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。

  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(中国大陆),NASA还想要把3D打印机送上太空,好应付航天员的不时之需。

  这些深植人心的3D打印应用,大多属于FDM技术(FusedDeposition Modeling),(请参阅北美智权报89期文章“由专利来看3D打印的技术(一)”)。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,就是利用前面所述“光固化”的原理(请参阅北美智权报95期文章“由专利来看3D打印的技术(五)”),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。

  将“光固化”原理,运用到3D打印,并且将它商品化的代表人物,是图二里的 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。

  图二  图片来源:3d systems 网站

  “光固化”技术3D打印设备的概念,如图四所示,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。

  图四  林士强/绘制

  这种概念具体化的成品如图五、图六所示,其中“26”代表能量光源,“30”表示成品,而绿色的部分是“光敏树脂”。工作台的上下与能量光源的配合由计算机控制。这一层层的剖面厚度,视精密度需求,约在0.05-0.10mm左右。

  图五 图片来源:USPTO

  图六、 图片来源:USPTO

  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 Systems公司研究得到以下的成果,如图七所示。

  图七  图片来源:USPTO

  1、绿色代表的是光敏树脂,在“V”形开口底端先沾一下,形成一个薄膜“5”,接着用吹肥皂泡泡的方法,将薄膜“5”一路往上吹,因为表面张力的作用,薄膜“5”不会破,而且厚度均匀,直达“V”形开口顶端(Fig.28a-e)。

  2、黄色代表的是清洗溶剂,在薄膜“5”一路往上吹的过程中,清洗设备内部的光敏树脂,准备下一阶段“剖面制作”的工作(Fig.28c-d)。

  3、厚度均匀的薄膜“5”接受“103”的能量光源照射,完成工件“41”的另一层剖面(Fig 28g) 。

  4、黄色代表的清洗溶剂再次出现,将工件表面的非剖面部分的光敏树脂清洗干净(Fig 28h-i),准备下一循环的剖面制作。

  这整个过程看起来冗长,加工的速度不容易提升,所以有图八及图九的构 想,将制程分割,各工站同时进行,节省时间,但是整体结构相当复杂,维护起来恐怕困难度很高。这个蛮有理想性的概念至今仍未出现在3D Systems公司的产品列表之中。

  图八  图片来源:USPTO

  图九  图片来源:USPTO

  另外一种创意也出现在3D Systems产品研发之中,让我们一起来看看图十。

  这个方法看起来是提高生产速度的方法。

  图十  图片来源:USPTO

  1、绿色代表的是光敏树脂,经喷头喷洒到工作台面“28”,形成一个薄膜“166”(步骤1-2),

  2、工作台面“28”下降,因为表面张力的作用,光敏树脂并不会覆盖上来,(步骤3)。

  3、喷头喷洒光敏树脂到这空缺的部分(步骤4)

  4、另一层待加工的光敏树脂准备完成,在经过能量光源形成下一个剖面(步骤5-6)。

  这个构想看起来不错,但是至今也并没有出现在3D Systems公司的产品目录中。

  下一个是非常直截了当的构想,出现在3D Systems公司的产品上。

  在日常生活中,如果想把奶油均匀涂上土司,你会怎么做?

  拿把刮刀将奶油推平?3D Systems公司将这个想法,运用到处理光敏树脂的涂层,如十一、图十二。在机器上增加了“刮刀,26”(Blade),作用就是把剖面上的光敏树脂涂层弄得平整均匀,并增加生产速度。方法是每当新的剖面上光敏树脂后,在能量光源使用前,用刮刀将剖面刮平一次。

  图十一  图片来源:USPTO

  图十二  图片来源:USPTO

  现在这把刮刀在3D Systems公司的设备上算是选配的配备,顾客可以随自己的需求,选择用或不用。

  成品一定得用浸泡法泡在湿答答的光敏树脂里吗?答案是不一定。

  以下的方法是3D Systems公司近期比较专注开发的方式,不将成品浸在光敏树脂里,而改用将一层一层的光敏树脂送到成品上。它不像之前使用吹肥皂泡原理那么复杂,而是如图十三所示,将树脂利用“供料头”涂到输送带上,再送到工作台。

  图十三  图片来源:USPTO

  1、绿色代表的是光敏树脂,经过供料头“49”涂到输送带“11”上,形成一个薄膜。

  2、薄膜随着输送带送到工件所在的位置。

  以上的概念,再用图十四、十五进一步说明,图十四中“37”、“38”,负责将光敏树脂涂敷到输送带上,输送带再将它运送至产品“28”之下,开始制作另一层的剖面,剖面制作的过程中,能量光源的位置,则如图十五中所示。

  图十四  图片来源:USPTO

  图十五  图片来源:USPTO

  3D Systems公司称这种过程是“SolidImaging”,“SolidImaging”的技术,是否已经商品化了?笔者也觉得很好奇。3D Systems的目录中,有一种被归类为“FTI”(FilmTransfer Imaging)的产品,目前的产品体积不大,如图十六、十七所示,使用类似“Solid Imaging”概念,其中“Cartridge”及“Scraper”负责把光敏树脂涂敷到工作台面,制作产品。

  图十六、  图片来源:3D Systems网站

  图十七  图片来源:3D Systems网站

  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。

  图十八  图片来源:USPTO

  光固化技术的领导厂商在这部分着力研发,3D Systems公司光固化技术大约10%专利申请与材料有关(图十八),不管是加强结合力、抗变型性、或是增加耐温性都希望材料配合着设备,能牢牢绑住客户。

  作者:

  林士强

  现任:

  北美智权 教育训练处资深研发创新顾问

  经历:

  法商台湾康旭 研发工程处 项目经理

  台湾"中科院"飞弹制造中心 项目工程师

  圣荷西州立大学机械研究所硕士

  专长: 机械、供应链管理、项目管理

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文章关键词: 3D打印 光固化

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