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 :

項目

SLA

DLP

LCD/MSLA

光源

UV雷射

UV投影機 (DMD)

UV LED 陣列

成像方式

點掃描

整層投影

LCD 遮罩曝光

精度

25–50 μm

35–75 μm

35–50 μm

成形速度

慢

快

快

設備成本

高

中

低

使用對象

工業級高精密原型

牙科、微結構件

消費級模型與設計樣品

光學控制

高準度掃描鏡系統

DMD 數位微鏡陣列

LCD 像素陣列

樹脂適用性

專用高精度樹脂

高反應速樹脂

標準與水洗樹脂

 

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 :

材料種類

化學基底

主要特性

適用情境

標準樹脂 (Standard resin)

丙烯酸酯/甲基丙烯酸酯

成本較低、加工簡單、適合原型製作,但機械強度與耐熱性較有限

適合一般原型、視覺模型、非結構件

耐衝擊/高韌性樹脂 (Tough / Impact-resistant)

丙烯酸酯基/聚氨酯改性

提升抗裂、抗衝擊性能,較標準樹脂更耐用

適用於功能原型、可承受負載的零件

彈性/橡膠型樹脂 (Flexible / Elastomeric)

聚氨酯/聚醚/矽膠改性樹脂

柔性、大變形能力、接近橡膠特性

適用於墊片、彈性接頭、可摺疊構件

高溫/耐熱樹脂 (High-temperature)

環氧/丙烯酸酯改性、芳香族樹脂

可耐高溫環境、維持形狀穩定、熱變形少

適用於模具、耐熱部件、工業應用

透明/光學樹脂 (Transparent / Optical)

丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、低色散改性

高透光率、低黃變、適合光學用途

適用於透鏡、燈罩、展示件

可鑄造/蠟型樹脂 (Castable)

高清晰丙烯酸酯+易燃燒填料

可作為鑄造母模、燒掉成型

適用於珠寶、精密鑄造、模具母型

生醫/牙科級樹脂 (Biocompatible / Dental)

生醫認證丙烯酸酯/甲基丙烯酸酯

滿足生物相容性、少殘留毒性、可經滅菌

適用於牙科模型、義齒、醫療器械原型

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。

圖一、Strati電動車原型 [11]。

 

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。

圖二、Premium Teeth Resin [12]. A nano-ceramic filled long-term biocompatible denture teeth material with enhanced aesthetics, mechanical properties, and validated longevity for optimal clinical performance.

 

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。

圖三、Adidas FUTURECRAFT 4D

 

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。

圖四、以 DLP 光固化列印機製作之 2D 與 3D 微流體晶片示範:
(a, b)
直接列印的二維微流體晶片,比例尺為 5 mm;
(c)
直接列印的三維微流體晶片,具有三維螺旋通道結構,比例尺為 10 mm;
(d, e)
採用開放式通道設計並以透明膠帶封裝的微流體晶片,比例尺為 5 mm;
(f)
採用開放式通道設計並以透明膠帶封裝的微混合器,比例尺為 5 mm,右側局部放大圖顯示通道結構細節,比例尺為 400 μm。[13].

 

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。

圖五、3D Printed Optical Lenses [14]

 

 

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