3D列印一直有一個很大的挑戰，就是列印速度太慢，以致於到了現在市場滲透率還是很有限。但是3D列印這幾年來受到各國政府高度關注，因此也引發了各國的產官學研投入研發與生產。列印速度這個問題在最近有大步的前進，尤其是光固化技術。在今(2015)年的3月16日，根據北卡羅萊大學教堂山分校的網站上公開報導，該校化學系教授 Joseph M. DeSimone，與其他同事合作開發出一種全新的 3D 列印技術，稱為”連續液面生產” ( CLIP ; Continuous Liquid Interface Production )技術，這項技術不僅登上了科學雜誌(Science Magazine)的封面，而且也在美國知名的節目(TED)上大膽的秀出製程。CLIP製造產品的速度比傳統 3D 列印方法快 25-100 倍，理論上有提高到 1,000 倍的潛力，並且能夠製造出目前無法實現的形狀。

在3D列印七項製程中，有一項製程稱為光固化 ( VP ; Vat Photopolymerization )技術或稱立體微影設備(SLA ; Stereo Lithography Apparatus ) 技術，這項技術是3D列印最早使用的技術，由3D Systems公司的創辦人之一，Charles Hull博士，在1984年所發明的，並以此申請了專利，在1986年成立了3D Systems。早期是以雷射做為固化的光源，現在也有廠商使用LED為光源，加上德州儀器的數位微鏡面裝置( DMD ; Digital Micromirror Device)，也就是所謂的數位光源處理技術( DLP; Digital Light Processing)。CLIP這項技術是以數位光源處理技術為基礎的光固化技術。以底部的投射光束照射裝在半透明缸裡的光固化樹脂使其固化，再由建構平台把這些固化的部分慢慢地拉出裝有樹脂的半透明槽。傳統的VP製程每製造一層都需要再剝除固化樹脂和半成品列印面間的連接點，剝除所需的時間較長而且容易使製程失敗。使用CLIP的話，其半透明的槽底能夠將氧氣送進樹脂中，形成一個樹脂不會固化的鈍化區域(Dead Zone)，並能以加進的氧氣量來調整區域範圍，如圖1所示。

 

資料來源：Carbon3D (2015/03) ; IEK ITIS計畫整理(2015/08)

圖1　 CLIP原理示意圖

使用CLIP技術所列印出的產品具備了許多的優點，例如表面粗糙度優化、列印速度超快、機械強度的一致性等。

（一）表面粗糙度優化

傳統 3D 列印需要把 3D 模型切成很多層，類似於千層派的觀念，這個原理就決定了粗糙度的大小。而連續液面生產模式在底部投影的光圖像可以做到連續變化，因此其列印後的表面粗糙度，與現有的3D列印技術相比，進步很多。以電子顯微鏡放大130倍的情況下，還看不出每一層堆疊起來所產生的條紋。
 
（二）列印速度快25~100倍

這項新技術最驚人的地方在於它提高3D列印製程的速度，Carbon 3D宣稱他們的新技術速度與傳統製程比起來至少快了25至100倍，如圖2所示。這項測試的資料是由第三方根據市面上其他製程的設備，針對同樣的產品完成列印的時間比較。以最接近的設備(Polyjet)，完成時間是3小時(180分鐘)，而CLIP的完成時間為6.5分鐘，兩者相較之下，相差28倍。如果與SLA的11.5小時(690分鐘)相比的話，相差106倍。不論是用在產品原型的製造或者是在公仔的生產的話，都大幅的縮減時間。而時間就是金錢，也等於大幅的是降低成本。

資料來源：3dprint.com(2015/03); IEK ITIS計畫整理(2015/08)

註：SLS(Selective Laser Sintering)選擇性雷射燒結

圖2 CLIP列印速度與傳統3D列印機比較

全球 3D 設計、工程及娛樂軟體領導廠商歐特克公司(Autodesk, Inc.)在2015年4月9日宣布，將自Spark Investment Fund提撥1,000萬美元投資Carbon3D。歐特克總裁暨執行長Carl Bass表示：「我們成立Spark Investment Fund來推動3D列印產業的進展，而Carbon3D具備的創新能力正是改變現有產品製造方式所需要的關鍵。CLIP技術的優異速度，能使3D列印更接近真實的製造，3D列印將不再只像是現階段用來製作原型與一次性用途產品而已。

根據3dprintingindustry.com的報導，2015年6月，福特宣布與矽谷3D列印公司「Carbon3D」合作計畫，快速打造高品質車輛零組件。福特公司使用Carbon3D列印機為其Ford Focus Electric製造彈性墊圈，這個墊圈主要用於其車身內部，以保護布線免受損壞甚至被車廂裡的金屬板切斷。福特還將這些墊圈與其它3D列印機列印出來的同樣產品進行了比較，列印出來的零組件特性更加接近於在實際車輛中使用的材料。此外，福特汽車還使用Carbon3D列印機為他們的Transit Connect列印了減震保險桿零組件，大大加快了工程師每次更迭設計的速度。

另外，2015年8月20日，Google創投宣佈投資Carbon3D 1億美元。主導 Google Ventures 投資 Carbon3D 的投資者 Andy Wheeler 提到，CLIP 技術俱備潛力帶領 3D 列印脫離原型測試的狀況，其中一個原因是列印速度，另一個則是其支援更廣泛的列印材料，可以列印出遙控、桌椅扶手等傳統 3D 列印機不能列印的物品。

像CLIP這樣具前瞻且擁有製造優勢的3D列印技術對於目前產業將有許多的影響，包括可能會引發其他廠商相繼投入這樣的技術，在許多廠商投入後，也有可能會提升該類型技術在3D列印的市占率，甚至一舉提升3D列印整體產業的成長率。

（一）帶動相關廠商投入

1.澳洲Gizmo 3D

在Carbon3D公司宣告了超高速的光固化技術一周之後，澳洲的 Gizmo 3D 也發表了相同的技術。Gizmo 3D使用的技術也是以DLP為基礎，但採用由上往下投影，列印平台由樹脂液面逐漸沉入樹脂料槽中「由上而下」的設計。列印時光線就投影在樹脂液體的表面，與空氣直接接觸，同樣可達成快速固化樹脂的目的。由於列印時物件為漸漸沒入液體中，若物體斷面的截面積較大，每當模型下降時便需要更多時間等待樹脂流動以重新恢復表面水平，列印速度相對變慢。因此目前的建議是列印薄殼件以避免這個問題，如果需要實心的成品，需要在列印完成後再找其他的填充劑填入。

2.韓國Carima

根據3dprint.com的報導，在2015年9月舉行的歐洲模具展上，韓國Carima公司正式發佈了自己的快速高精度3D列印技術C-CAT，號稱比現有的一些DLP 3D印表機快100倍。Carima公司成立於1983年，其最初的業務是生產光學設備。該公司稱他們在2009年就首次開發出了基於自己獨特光學技術的工業級3D印表機Master。Carima公司宣稱，使用其C-CAT技術，他們能夠達到1公分/分鐘的列印速度，同時保持高精確度。在其上一款產品”DP110 DLP 3D”印表機中，能夠以12微米的標準層厚，達到0.3 公分 /小時的列印速度，而相比之下，C-CAT能夠以60公分/小時的列印速度實現5微米的列印層厚，而且表面更加光滑。

3.臺灣廠商相繼投入研發

臺灣也有幾家廠商投入光固化型3D列印設備，例如揚明光學、三益海棠、三緯國際等，其中也有廠商對於超高速這項技術投入研發，相信在不久的將來，也可以看到不錯的成果。國內的研發單位對於這項超高速3D列印技術亦給予正向的肯定，認為這項技術將有望加速3D列印設備走入一般家庭。

（二）光固化製程占有率將繼續提升

3D列印製程技術，如果用在研發產品的原型製造時，縮短生產原型時間就變得相當重要，也唯有如此，才能大幅縮短研發的時程。根據Wohlers報告的統計，2014年3D列印市場約41億美元，在七種3D列印製程技術中，光固化技術的市占率約27%，預計2025年全球3D列印市場將超過200億美元，光固化技術的市占率約25%。一旦超高速3D列印技術開始擴散，2025年光固化技術相關設備與材料市占率有機會超過30%。

（三）促進3D列印設備的普及

另外，目前3D列印之所以尚未打進一般家庭，除了使用上還沒有親民之外，列印速度是消費者一項很重要的考量。假設一個用戶買了一台3D印表機，首先會發現，在操作仍然有難度，並不是按一個按鈕就能印出想要的東西。其次，列印的速度太慢。試想，如果自己印一個玩偶或公仔須要花3個小時以上，甚至更久，恐怕很少人會有這種耐心。現在如果推出一款3D印表機，價格差不多，列印過程5~6分鐘內就可以完成，相信吸引力會大很多。

（本文作者為工研院IEK　ITIS計畫產業分析師）

更新日期：2020-04-08