光聚合固化成型技術

一、定義 :

    Vat Photopolymerization（槽式光聚合成形）是一種利用光能使液態光敏樹脂固化成三維物件的加法製造技術。其核心概念是：「以光為能量來源，在液體樹脂槽中選擇性固化材料層，逐層構建3D模型 [1]。」此製程的代表技術包括 [2]：

1.         SLA (Stereolithography)

2.         DLP (Digital Light Processing)

3.         LCD (Masked Stereolithography / MSLA)

Figure 1. 槽式光固化製程示意圖 [3]。

二、原理 :

1.  液態樹脂槽 (Resin Vat)：含有感光樹脂（通常為丙烯酸酯或環氧基樹脂），在特定波長光（UV 或藍光）照射下發生聚合反應。

2.  光源曝光 (Light Source Exposure)：SLA使用紫外雷射逐點掃描固化。DLP / LCD則以投影影像或遮罩光面方式，一次固化整層。

3.  層層固化成形 (Layer-by-Layer Curing)：成形平台在每層固化後上升或下降，讓下一層液態樹脂覆蓋，再次曝光固化，直到整體成形完成。

4.  後固化與清洗 (Post-Processing)：成形件需以酒精清洗去除未固化樹脂，並以UV光進行二次固化以提升機械強度與穩定性。

([4],[5])

三、技術 :

    SLA（立體光固化）為最早發展的光固化成形技術，其利用聚焦之紫外雷射逐點掃描液面，選擇性固化受光區域 [1], [2]。雷射經由掃描鏡系統控制軌跡，依照切片模型逐層曝光，平台在每層固化後進行位移，讓液態樹脂再次覆蓋表面，重複固化直至成形完成。SLA具有極高的解析度（25–50μm）與優異的表面品質，常用於高精密透明原型及鑄造母模製作 [4], [5]。

    DLP（數位光處理）則利用數位微鏡裝置將整層圖像一次性投影至樹脂表面 [6]，大幅提升成形速度。其解析度由投影像素決定（約35–75 μm），因可同時曝光整層，特別適合牙科模型、珠寶與小量生產應用 [2], [4]。

    LCD／MSLA（遮罩式光固化）採用紫外LED陣列作為光源，並以LCD螢幕作為光遮罩控制曝光圖樣 [7]。光線僅穿過遮罩之透明區域進行固化，使得成形速度與DLP相當，而設備成本顯著降低。其解析度取決於LCD像素密度，廣泛應用於桌上型及消費級3D列印機 [2], [4]。

    綜合而言，三者皆基於相同的光聚合原理，但在光源與成像機制上有所差異。SLA以精度見長、DLP兼具速度與穩定性，而LCD／MSLA則以成本效益取勝，三者共同推動了光固化加法製造技術的普及與演進。

四、各項技術詳細說明 :

1.   SLA立體光固化技術 :

A.  形成原理 :

    SLA利用紫外雷射（UV laser）聚焦至液態光敏樹脂表面，藉由雷射逐點掃描的方式選擇性固化受照區域，使該層圖形固化成形。每層固化完成後，成形平台沿Z軸移動（上升或下降取決於機構設計），讓未固化樹脂重新流覆於表面，再次曝光形成下一層，重複此過程直至整體模型完成。

B.  系統組成 :

(1)      UV 雷射模組：一般波長為355–405 nm，功率50–250 mW。

(2)      掃描鏡：控制雷射的XY軌跡以描繪切片圖形。

(3)      升降平台：控制Z軸層高，典型層厚25–100 μm。

(4)      樹脂槽：通常底部為 FEP 透明薄膜或玻璃，確保光穿透。

C.  材料特性 :

    使用的光敏樹脂為丙烯酸酯或環氧基材料，於光照下發生自由基聚合反應。常見類型：

(1)      標準樹脂：低成本、高精度，但脆性大。

(2)      耐熱樹脂：HDT可達120°C。

(3)      彈性樹脂：Shore A 40–80。

(4)      透明樹脂：光學透過率高於90%。

Figure 2. SLA process [8].

2.  DLP數位光處理技術 :

A.  成形原理 :

    用數位微鏡裝置，由成千上萬個微鏡組成，每個鏡子代表影像中的一個像素。當光源照射DMD，鏡面翻轉角度決定是否反射光線通過投影鏡頭至樹脂表面。此技術以整層投影的方式一次固化整層，顯著提升速度。

B.  系統組成 :

(1)      DLP光機：由高亮度UV光源、DMD晶片與投影鏡頭構成。

(2)      樹脂槽與平台機構：與SLA相似。

(3)      影像切片控制系統：將3D模型切片後轉為黑白影像輸出至投影機。

C.  材料與光學特性 :

可使用與SLA相同的樹脂，但由於DLP的光照分佈較均勻，可進一步應用於高反應速率光敏配方，例如：

(1)      高速固化樹脂

(2)      高分辨率微結構樹脂

Figure 3. DLP process [9].

3.   LCD / MSLA遮罩式光固化技術 :

A.  成行原理 :

    LCD（或稱MSLA）使用UV LED陣列作為光源，並以LCD 螢幕作為遮罩。LCD顯示黑白圖像時，僅白色區域允許光通過以固化樹脂。此方式與DLP類似，但光場由LCD像素控制，而非光學投影。每層固化後，平台上升讓新樹脂覆蓋表面，再進行下一層曝光。整層同時固化，速度快、結構簡單。

B.  系統組成 :

(1)      UV LED 光源模組：一般波長 405 nm。

(2)      LCD 面板（光遮罩）：解析度可達4K–12K，像素密度決定XY精度。

(3)      樹脂槽與平台：結構與DLP相似，但成本更低。

C.  材料與使用條件 :

    多數使用標準或水洗型樹脂。高階機型可搭配高黏度或高透明樹脂。由於光場均勻度低於DLP，因此在邊界區域可能產生曝光梯度。

Figure 4. Schematic diagram of LCD-type 3D printer [10].

五、三者技術比較總覽 :

六、材料 :

1.   材料組成與機理 :

    樹脂配方主要由單體、寡聚物／預聚物／結合劑、光啟動劑、添加劑(如紫外吸收劑、著色劑、填料) 組成。

    當光（一般為 UV 或可見藍光）照射至樹脂中時，光啟動劑產生自由基或陽離子，引發單體／寡聚物交聯聚合或鏈成長，使液態樹脂固化為固體。基底化學結構通常為丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、環氧、聚氨酯、聚醚等。

2.   常見材料種類與特性 :

3.   補充說明與注意事項 :

(1)      即便同為「丙烯酸酯／甲基丙烯酸酯」基底，不同品牌或配方的機械性能、收縮率、流動性、固化速率皆可能有大幅差異。

(2)      材料與應用機型（如SLA、DLP、LCD/MSLA）之間常需配對選擇：如高速曝光設備可能需對應高反應速率樹脂。

(3)      樹脂固化後的機械穩定性（如強度、耐熱、黃變）往往低於熱塑性塑膠，故在實用結構件應用時需慎重評估。

(4)      後處理（如暴露UV、清洗、去除支撐）對最終性能影響顯著。

(5)      越來越多研究在探索「多材料樹脂」與「功能性添加劑樹脂」，例如光導、填料強化、可回收樹脂等。

七、SLA著名案例 :

1.   Local Motors – Strati電動車原型 :

(a)       技術與材料：

使用SLA與FDM混合工藝製作透明燈罩、車身裝飾件與流線外殼樣件。SLA部分採用高透光丙烯酸酯樹脂。

(b)      技術亮點：

利用SLA的高表面品質製作外觀件，使車身達到量產級外觀。

(c)       應用產業：

汽車製造、工業設計快速驗證。

2.   Formlabs – Digital Denture System :

(a)       技術與材料：

使用SLA技術與Dental LT Clear resin、Denture Base resin製作個人化義齒與咬合板。

(b)      技術亮點：

高解析度（50 µm）與生醫級光敏材料，實現精準貼合與透明度。

(c)       應用產業：

醫療牙科。

3.   Carbon – Adidas Futurecraft 4D鞋底 :

(a)       技術與材料：

使用Carbon SLA（CLIP）技術，以聚氨酯型光敏樹脂製作具彈性的鞋中底。

(b)      技術亮點：

採用Continuous Liquid Interface Production (CLIP)連續固化工法，無層線、具彈性。

(c)       應用產業：

運動用品、量產級聚合物製造。

八、DLP著名案例

1.   Microfluidic Device by X. Zhang Lab (UC Berkeley) :

(1)      技術與材料：

DLP micro-stereolithography；樹脂：光敏透明 PEGDA。

(2)      技術亮點：

解析度可達 2 µm；首次實現微流體通道與閥門整體成形。

(3)      應用產業：

微機電系統 (MEMS)、生醫晶片。

2.   Luxexcel – 3D Printed Optical Lenses

(1)      技術與材料：

DLP 透明光學樹脂。

(2)      技術亮點：

直接列印光學透鏡與眼鏡鏡片，表面粗糙度 Ra < 0.01 µm。

(3)      應用產業：

光學、醫療與智慧眼鏡。

九、LCD / MSLA 著名案例

1.   Microfluidic Chip Prototyping – UC Davis Tech Foundry [15]

(1)      技術與材料：

桌上型MSLA光固化（405 nm UV LED＋8K LCD遮罩）；透明生醫級PEGDA（聚乙二醇二丙烯酸酯）樹脂。

(2)      技術亮點：

解析度可達75 µm，直接列印內嵌通道與閥體結構。採用Multi-Resin工藝，可於同一模型結合柔性與剛性區域。成本極低，製作週期< 2小時，相比傳統PDMS製程縮短> 80%。

(3)      應用產業：

微流體晶片、生醫感測、化學分析裝置。

2.         Art Miniature & Jewelry Design Series – FacFox Studio (China)

(1)      使用技術與材料：

LCD 光固化（4K Mono LCD 面板）；Ultra Detail Resin （高精細光敏樹脂）。

(2)      技術亮點：

解析度 < 35 µm，可精確呈現微米級紋理與金屬細節。打樣件可直接作為鑄造母模。光學表面品質高，後處理量小。

(3)      應用產業：

藝術雕塑、珠寶設計、工藝品快速打樣。 

參考資料

[1]      ASTM International, “ASTM F2792-12a: Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies,” ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 2012.

[2]      I. Gibson, D. W. Rosen, and B. Stucker, Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing, 2nd ed. New York, NY, USA: Springer, 2015.

[3]      W. Abd-Elaziem, M. Khedr, A. Abd-Elaziem, M. M. Awdallah, A. A. Mousa, H. M. Yehia, W. M. Daoush and M. A. Abd El-Baky, “Particle-Reinforced Polymer Matrix Composites (PMC) Fabricated by 3D Printing,” Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials, vol. 33, no. 12, pp. 3732-3749, Sep. 2023, doi: 10.1007/s10904-023-02819-1.

[4]      S. C. Ligon, R. Liska, J. Stampfl, M. Gurr, and R. Mülhaupt, “Polymers for 3D Printing and Customized Additive Manufacturing,” Chemical Reviews, vol. 117, no. 15, pp. 10212–10290, 2017.

[5]      J. R. Tumbleston et al., “Continuous Liquid Interface Production of 3D Objects,” Science, vol. 347, no. 6228, pp. 1349–1352, 2015.

[6]      C. Sun, N. Fang, D. M. Wu, and X. Zhang, “Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask,” Sensors and Actuators A: Physical, vol. 121, no. 1, pp. 113–120, 2005.

[7]      Y. Y. Cheng, K. Sugioka, and K. Midorikawa, “High-resolution 3D printing using a mask projection stereolithography system,” Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 24, no. 4, 045011, 2014.

[8]      “SLA 3D Printing for Automotive – From Prototyping to Modification,” Unionfab Blog, Aug. 17, 2023. [Online]. Available: https://www.unionfab.com/blog/2023/08/sla-3d-printing-for-automotive

[9]      E. Weaver, E. Mathew, J. Caldwell, …, D. A. Lamprou, “The manufacturing of 3D-printed microfluidic chips to analyse the effect upon particle size during the synthesis of lipid nanoparticles,” [Unspecified journal], Dec. 2022. Figure 1: “Essential components of LCD 3D printing technology”. [Online]. Available: https://www.researchgate.net/figure/Essential-components-of-LCD-3D-printing-technology_fig1_365903577.

[10]   Z. Zhu, “Freeform Optics for Achieving Collimated and Uniform Light Distribution in LCD-Type UV-Curable 3D Printing,” IEEE Photonics Journal, vol. 15, no. 4, pp. 1-7, 2023, DOI: 10.1109/JPHOT.2023.3294478.

[11]   N. Hurst, “Rapid Roadster: 3D Printing & Imaging Cars Workshop,” Make: Magazine, Nov. 14 2014. [Online]. Available: https://www.makezine.com/article/digital-fabrication/3d-printing-workshop/rapid-roadster/

[12]   “Digital Dentures With 3D Printing,” Formlabs Dental, [Online]. Available: https://dental.formlabs.com/indications/digital-dentures/

[13]   J. Qiu et al., “3D Printing of Individualized Microfluidic Chips with DLP-based Printer,” Materials, vol. 16, no. 21, art. 6984, 2023. [Online]. Available: https://www.mdpi.com/1996-1944/16/21/6984.

[14]   “Luxexcel 3D Prints over 5,000 Ophthalmic Lenses in Past Year,” DocWire News, [Online]. Available: https://www.docwirenews.com/post/luxexcel-3d-prints-over-5000-ophthalmic-lenses-in-past-year. [Accessed: Oct. 28, 2025].

I. Ahmed, P. Baumann, R. Dapprich, H. Abu Hashim, M. Molzer and A. Katzer, “Multi-Resin Masked Stereolithography (MSLA) 3D Printing for Rapid Fabrication of Functional Electronic Prototypes,” Sensors, vol. 12, no. 8, art. 652, 2022. [Online]. Available: https://www.mdpi.com/2079-6374/12/8/652