创想智造3D打印手板模型加工

标题: 详解光固化式“3D打印”的奥秘 [打印本页]

作者: iCAx开思网 时间: 2015-3-1 15:23
标题: 详解光固化式“3D打印”的奥秘
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　　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

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　　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

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　　“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

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　　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

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　　图六、图片来源：USPTO

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　　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

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　　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

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　　图九  图片来源：USPTO

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　　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

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　　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

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　　图十二  图片来源：USPTO

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　　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

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　　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

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　　图十五  图片来源：USPTO

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　　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

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　　图十七  图片来源：3D Systems网站

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　　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

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　　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。

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