3D打印技术现在很多人都耳熟能详了，若问及谁是3D打印技术的开山始祖，那当然是非美国的Charles Hull先生莫属了。Charles Hull在1983年发明了SLA (Stereolithography，液态树脂固化或光固化) 3D打印技术，随后于1984年申请美国专利，1986年获得有史以来第一件结合电脑绘图、固态激光与树脂固化技术的3D打印技术之专利证书(US 4,575,330);同一年，他也在加州成立了业界知名的3D Systems公司，大力推动相关的业务。

直至近两年来，拜《经济学人》杂志的一篇权威性报导以及美国政府的高度重视，3D打印产业才得以因时趁势，以主角的姿态，跃上全球财经媒体的版面，发光发热起来了。

SLA 技术问世30 年 3D Systems 持续研发

自从该SLA (Stereolithography)发明问世以来，至今(2013年)已经是整整三十个年头了。已逾古稀之年的Charles Hull 先生回想当时（1983年）的状况，心中仍不禁感慨万千;因为在那个年代，同一时期新上市的产品当中，首推「光碟」(CD)和「便携式摄影机」(Camcorder) 等项目，都能快速地赢得亿万消费者的关注，其声势之浩大，可以用「名闻世界，畅销全球」来形容。在那个电子资讯产业蓄势待发，即将进行跳跃式成长的时代，比较起来，不论是高科技或传统产业的专业人士，会稍微地对其研发的3D打印技术投以些许好奇眼光，甚而驻足闻问者，可以说是少之又少的了。

不过，回顾这一段从发明、创业到坚持理想的漫长过程当中，Charles Hull 先生秉持着高度的耐力和韧性，透过不断地改良改善、研发创新与购并同业公司的手法，一手将3D Systems 公司拉拔成为3D打印产业中的龙头老大。目前该公司市值已经超过50亿美元，拥有400多件专利，员工一千多人，其自豪之情，可以想见。虽然这种经营规模在美国仍只能算是中小企业，可是各界媒体对于该公司的经营策略、技术实力、专利布局与发展前景等指标，都给予极高的评价。

SLA (Stereolithography) 3D打印技术是依据电脑辅助设计与制造(Computer Aid Design/Computer Aided Manufacturing，以下简称CAD/CAM)图档的指令，利用高能光束聚焦于液态光敏树脂表面，使被照射之液态树脂固化而连续不断地进行逐层堆叠动作，最后完成设计物件的快速成型(Rapid Prototyping)工作。

Charles Hull 先生在开发SLA的3D打印设备初期，为了掌握CAD/CAM应用软件的使用，特地招集了研发团队制定出名为「.stl」的传输协议与文件格式，该软件传输协议与文件格式至今仍沿用如常，成为工业标准。

其次，对于建置液态树脂工作槽的部分，其3D Systems 研发团队又克服了许多有关于流体力学与化学反应方面的问题。

然而，最大的挑战是在于高能光束的光源部份，该研发团队除了要定义适当的光源波长以利于液态树脂固化制程以外，更要解决光源耗电量大、冷却系统体积过于庞大，以及成本高昂而导致客户难以接受的情况。

所幸，于90年代初期，固态激光技术适时达成商业化，3D Systems 研发团队乃借着固态激光光源的系统整合，顺利地于1996年推出第一台利用固态激光进行液态树脂固化的3D打印设备，此举不但成功地提升了自己的市场地位，更改变了全球制造业的技术观点。

3D打印之光固化设备专利

接着，笔者要为读者们介绍Charles Hull 先生所取得的专利中，最早的一件发明，即「3D打印之光固化设备」，其专利说明书（US 4,575,330，以下简称330专利）的内容详示如下：

许多已知的液态化学品可在紫外线或其他如电子束，可见光或不可见光等的照射能量激励下转变成为固态聚合塑胶。本发明的主要物件是利用电脑图像结合紫外线固化塑胶与高能光束之光源，同时执行电脑辅助设计(CAD)和电脑辅助制造（CAM）指令等技术以制作三维物件。这项发明称为「光固化」制程，可用于产品开发中，设计阶段的模型和原型雕塑，或作为制造设备、甚至于艺术作品的实现。

实例１： 如前文指出，「光固化」制程包含一种方法和设备，该制程是以程式控制可移动的高能光斑聚焦于液态光敏树酯的表面，使该液体在其表面形成一薄层的实心截面物件，然后该物件和下一个截面紧密结合，依照该物件的图层定义，重覆这一「印刷」与「重叠」的过程直到整个物件形成为止。

运作原理：

图式1. 330专利实施例1（资料来源: USPTO）

如图式1之实施例所示，容器21装满了可被紫外线能量固化的液体22，并且提供一个指定的工作表面23。一可程式控制的紫外线光源26产生一紫外线光斑27于表面23当中。表面23上的光斑27，其位置可由一台电脑或其他程式设计设备28控制。容器21内的升降平台29可由电脑28控制该平台的上下移动位置。

该设备操作时，它将逐步累积薄层如30a、30b、30c而形成三维物件。容器21中可固化液体22的表面维持在一个恒定的水位，而光斑27则依照程式设计的方式在工作表面23上面移动，并以足够的强度将该液体转换为一种固体物质。当液体22形成固体物质时，升降平台29将从最初的表面23以程式设计的方式，经由任何合适的传动器向下移动。

依此方式，最初的固体物质是在表面23下形成，新液体22再流入表面23。部分新液体是通过光斑27的程式运作转换成固体材料，而该新材料则连接到它下面已固化的材料。这一过程一直继续到整个三维物件30完成为止。

然后从容器21移除物件30，该设备可以接着生产下一个物件，或者是可通过改变电脑28中的程式再进行生产新的物件。

固化材料

固化液22必须具备几个重要特性:

(A)它必须能快速地与紫外光源作用而形成实际物件。

(B)它在固化过程中必须具有粘性，以便形成连续附着的图层。

(C)其液态粘滞性必须够低，以便在升降平台移动物件时，新液体材料能快速地流过其表面。

(D)它必须易于吸收紫外线，以便材料形成时会合理地薄。

(E)在液体状态下，它必须是可溶于某些溶剂，而在固体状态下，则不溶于同一溶剂中。

(F)应为无毒、无刺激性的材料。

该固化材料在固体状态还必须具有理想特性。这些特性涉及传统应用的塑胶材料。比如颜色、纹理、强度、电气性能，可燃性和可挠性等参数。此外，该材料的成本也相当重要。

目前实施例中首选的紫外线固化材料（如图式1）为灌封胶化合物363，是一改良的丙烯酸酯，是由美国康乃狄克州，Newington市的Locktite公司所制造，该材料的制作过程在专利US 4,100,141号中有描述，标题为稳定性粘剂和固化成分。

光源：

光源26所产生的光斑27必须足够小，以便形成所需物件的细节部位，亦必须足够强烈，以便使固化液体能够快速地形成实际的物件。同时，它可以依照程式设计而开启、关闭或移动光源26，以及令聚焦光斑27在液体22的表面23上进行移动。

在图式1的系统中提供一方法，液面23会保持在一个恒定的水位以确保物件移动时，可补充该固化材料。因此，光斑27将会聚焦在固定的焦点平面上，从而确使溶液沿工作表面形成一薄层。

本实例中，镭射可能是比弧光灯更好的光源。因为「光固化」制程的速度主要是受限于光源的强度和固化液体的反应速度。

升降平台：

升降平台29是用于支撑正在形成中的物件30，将其向上或向下移动。其要求是利用程式设计方式使其以适当的速度与足够的精度移动，而且它是结构坚固的，足以支持正在形成的物件30之重量。

图式1的升降平台29是连接到一类比绘图器，该绘图器于本实施例中是由HP 3497A资料读取/控制单元内部的数位类比转换器所驱动，并置于电脑28的程式控制之下。

升降平台29可以机械、气动、液压、或电力进行驱动，也可以使用光学或电子回馈来精确地控制其位置。升降平台29通常是用玻璃或铝材制造，但是只有固化塑胶可附着的任意材料才是适用的。

工作槽：

一电脑控制泵可用在液体22的工作表面23维持其恒定的水位。液位检测系统和回馈网路，为众所周知的技艺，可用于驱动流体泵或液体置换设备。或者，光源26可以随着感测水位23移动并自动聚焦于工作表面23。所有的这些选项都可以通过软体与电脑控制系统28一起运作。

在三维物件30形成之后，升降平台29将会上升，物件从平台中移走。通常情况下，该物件会在超音波溶剂中漂洗，如丙酮，以溶解未固化的流体介质。然后该物件30被放置于强烈的紫外线泛光灯下照射，通常是每英寸200瓦的紫外线固化灯，以完成其固化过程。

此外，本发明的实施例可能有复数个容器21，可以通过系统自动选择具有不同类型之固化材料的容器。在这方面，各种材料可能会是不同颜色的塑胶或者是绝缘和导电性的材料以做为电子产品的不同层次之用。

图式2. 330专利实施例２（资料来源: USPTO）

如图式2所示，为另一种「光固化」制程的配置，其中可被紫外线固化的液体22浮游于一高比重且可被紫外线穿透之液体32之上，该液体32与可固化液体22互为不相溶和非润湿特性。例如，乙二醇或重水皆适用于该液态的中介层32。在图式2的系统中，该三维物件30是从液体22里头被拉起，而不是像图式1所示的向下方且进一步伸入液态介质中。

紫外线光源26在图式2中聚焦一光斑27于可固化液体22和不相溶的中间层液体32之间，紫外线通过适当的透明视窗33，如石英之类，在容器21的底部操作。可固化液体22能在不相溶层32之上产生一薄层，不仅是依靠吸附作用而提供此一超薄层厚度的优势。因此，本发明将更加严格地定义成型的区域，图式2系统中的表面形成会比图式1的更平滑。此外，为了容易替换另一种固化材料，小量地使用紫外线可固化液体22是必要的。