3D 成型技術之介紹與應用
Introduction and Application of 3D Manufacturing Technology
隨著 3D 列印技術的日新月異，使得列印物件的精度與結構強度不斷提升，進而有更廣泛的應用。其主要應用領域除了消費產品產業、工業機械領域、汽車產業、航太業、教育產業外，在醫學上亦有實際的應用。本文將詳細介紹 3D 列印發展現況、3D 列印流程、3D 掃描成像技術與原理、多種 3D 列印技術成型方法與原理，以及 3D 列印技術在醫學上的實際應用。
With the rapid development of 3D printing technology, the precision and structural strength of printed objects have been continuously improved, and this technology has had wider applications. In addition to the consumer product industry, industrial machinery field, automobile industry, aerospace industry, and education industry, its main application fields have practical applications in medicine. This article will introduce the development status of 3D printing, 3D printing process, 3D scanning imaging technology and principle, various 3D manufacturing technologies and principles, and the practical application of 3D printing technology in medicine.
一、前言
三維 (3 Dimensions, 3D) 列印技術起源於快速成型技術 (rapid prototyping, RP)，快速成型技術是一種嶄新的原型製造技術。自 2012 年開始， 3D 列印技術漸漸成為新聞媒體及商業報導的熱門議題，並且 2012 年也被許多人認為是 3D 列印元年，但其實 3D 列印技術自 80 年代中期即開始發展起來(1)。隨著成型技術專利相繼出現，許多公司都投入資金於 3D 列印技術領域，因此 3D 列印開始蓬勃發展。
3D 列印原是指美國麻省理工學院所開發出來的一種專利製程的名稱，為積層製造法的泛稱(2)。在 1980 年代開始發展，主要應用在製造工件之模型，但隨著電腦科技的日新月異，使得 3D 列印的精度與結構強度不斷提升，進而有更廣泛的應用。目前 3D 列印的精密度大約可達 100 mm，少數機型之精密度可達 10 mm 以下(2)。
3D 列印與傳統製造方式比較後的優點如下(3-4)：
1. 在結構設計上有較高的自由度：可直接列印複雜的結構，不需考量切削或脫模等問題。
2. 客製化產品的製造時程迅速：客製化產品依其精密度及大小設定會影響其製造時程，目前約數分鐘至數天可完成。
3. 在客製化小量產品上成本較低：可節省模具開發製造成本，並減少材料的浪費。
圖 1(2) 為使用 3D 列印技術製作進行產品開發所涉及的步驟。從步驟中可以得知 3D 列印技術是一種能更快地創建模型及節省大量時間的製造方式，並且可以藉此測試更多模型。
圖 1. 產品開發程序(2)。
由於 3D 列印較傳統製造方式具有諸多優點，其主要應用領域目前已包含消費產品產業、工業機械領域、汽車產業、航太業、教育產業、醫療服務業等，並且 3D 列印技術目前在許多的研究領域中亦扮演著重要的角色。因此，本文將針對 3D 列印流程、 3D 掃描成像、多種 3D 列印技術成型方法與原理，以及 3D 列印技術在醫學上的應用進行詳細的介紹。
二、3D 列印流程
3D 列印屬於快速成形技術的一種，是以數位模型檔案為基礎，最後透過逐層堆疊累積的方式來構造物體的技術。圖 2 是說明如何從一個 3D 模型檔案到印製出一個 3D 物件的過程(5)：(1) 需使用 3D 建模的軟體，將欲印製的物件繪製成 3D 電腦輔助設計 (computer aided design, CAD) 模型檔案。(2) 需將 3D 模型檔案轉換成 3D 列印專用的立體光刻 (STereoLithography, STL) 檔案格式。(3) 使用切層軟體來獲得層切片。(4) 再將檔案傳到 3D 列印機開始列印。 (5) 取得我們想要的 3D 物件。其中所用到的 STL 檔案是由 3D Systems 公司在 1987 年首次開發立體光刻技術時所創建的一種 3D 列印專用的檔案格式，能將原本的曲面或實體模型分解成一層一層斷面形狀的數據(2)。它也被稱為標準曲面細分語言，大多數的 3D 軟體都有轉存成 STL 的功能。
圖 2. 從 3D 模型檔案到印製出一個 3D 物件的過程(5)。
三、3D 掃描成像
除了藉由 3D 建模的軟體可繪製出欲印製的物件之 3D CAD 模型外，透過 3D 掃描後所取得的數據亦可以以逆向工程 (reverse engineerine) 建立 3D CAD 模型(6)。現今 3D 掃描技術以接觸式和非接觸式為兩大主流，目前市面上的3D掃描技術約有數十種。接觸式 3D 掃描技術是使用實際觸碰物體表面的方式 (例如：探針) 計算深度取得數位資料再回傳到電腦建立 3D 模型。在接觸式 3D 掃描儀中，座標測量機 (coordinate measuring machine, CMM) 是典型的機型。其優點是精確度高，缺點是在掃描過程需接觸物體及掃描時間較長。常被應用於工程製造產業，但不適用於高價值物件的重建作業(7)。非接觸式 3D 掃描技術也是我們俗稱的 3D 掃描，其是以光學鏡頭，結合不同光源投射或雷射的變化得到物件反射的訊號進行分析成為數位資訊以建立 3D 模型(6)。非接觸式 3D 掃描技術又可分為主動式和被動式掃描兩種。主動式掃描是將額外的能量投射至物體，以能量的反射來計算 3D 空間資訊。可見光、高能光束、 X 射線與超音波皆可做為其投射能量(7)。被動式掃描是以測量由待測物表面反射周遭投射能量的方法，達到預期的效果，儀器本身不發出任何投射能量，不需特殊規格硬體支援，價格較便宜。可偵測環境中的可見光，亦可應用在其他投射能量 (例如：紅外線) 的環境(7)。
利用 3D 掃描儀可以進行物體模型的 3D 重建，重建的方式是建立物體幾何表面的點雲 (point cloud)，藉由點雲建構出物體的表面形狀，點雲的密度越高，可建構出的模型精確度更高。再者，3D 掃描儀所測量的是距離，獲得的結果具有深度資訊，其結果常稱為距離影像 (ranged image) 或深度影像 (depth image)。此外，掃描儀可分為黑白及彩色兩類，能取得表面色彩的掃描儀可以進行材質印射 (texture mapping)(7)。
四、3D 列印技術成型方法與原理介紹
3D 列印技術從 1980 年代開始發展至今，已有數十種列印技術，新的技術亦持續發展開發中。表 1 列出目前幾種常見的列印技術。
表 1. 3D 列印技術簡介
本文章也針對其中幾種技術成型方法與原理進行介紹如下：
1. 熔融沉積成型技術 (fused deposition modeling, FDM)(2)：目前最被廣泛使用且平價的成型術。其列印材料式製成細絲的樣式，並使用細絲供給器，將材料送至列印噴頭，其列印噴頭可將細絲熔化並擠出 (擠出的材料寬度通常為 0.25 公厘)。其原理是將材料以熱熔的方式一層層的置放在設計的位置上再冷卻成型。使用材質以塑膠為主，包含聚碳酸酯 (polycarbonate, PC)、丙烯腈丁二烯苯乙烯 (acrylonitrile butadiene styrene, ABS)、聚苯碸 (polyphenylsulfone, PPSF)、PC-ABS 共混物和 PC-ISO (international organization for standardization) (PC-ISO 為醫用級 PC)，而聚己內酯 (polycaprolactone, PCL) 及聚乳酸 (polylactic acid, PLA) 是常用於醫療器材的生醫高分子材料。此方法主要優點是機器成本較低、不需要化學後處理及不需要樹脂固化。缺點是與其他列印技術相比精細度及 z 軸上的分辨率較低，結構強度上低於光固化立體成型技術，並且需要經過後處理後列印物件才可呈現光滑的表面。
2. 光固化立體成型技術 (stereolithography, SLA)：利用光聚合特性的高分子液體，經由雷射或紫外線光束一層一層地進行光固化的過程。列印方式是控制雷射或紫外線光束以設定的路徑照射於樹脂儲存槽中，使光固化樹脂聚合成切層後的該層圖層樣式。每一層被固化後，列印平台會降低，使下一層樹脂預備好可以被固化成該層圖層樣式(8)，如圖 3 所示。SLA 中使用的典型聚合物材料是丙烯酸樹脂和環氧樹脂。了解聚合過程中發生的固化反應對於控制最終列印物件的質量非常重要。光束功率、照射路徑移動速度、照光持續時間皆會影響固化時間和列印解析度(9)。在樹脂中的光起始劑 (photoinitiator) 和光吸收劑可以控制聚合深度(10)。SLA 列印技術的主要優點是具有高列印解析度、製造速度快、成品具有較高之機械強度，且其機台結構無噴嘴，可避免噴嘴堵塞的問題(11)。由於有些殘餘的光起始劑和未固化的樹脂具細胞毒性，因此具生物相容性的環保列印材料是目前的開發方向。
圖 3. 典型 SLA 裝置的示意圖。
3. 數位光處理 (digital light processing, DLP)：DLP 列印技術使用數位微型反射鏡元件 (digital micromirror device, DMD)，可以獨立地旋轉到開和關狀態的高達數百萬個鏡子的陣列。通過將二維像素圖案投影到透明板上，可以立即固化完整的樹脂層 (圖 4)(8)。由於列印時間僅取決於每層厚度和所需的照光時間，而不取決於它們在 xy 平面中的尺寸或同時構建的結構數量，不像 SLA 技術是利用雷射從點到線，從線到面，因此構建時間大大減少，提高列印速度(8)。
圖 4. 典型 DLP 裝置的示意圖。
4. 層狀物體製造 (laminated object manufacturing, LOM)：層狀物體製造技術是一種將加法和減法技術相結合以逐層構建零件的過程。在這個過程中，材料呈片狀。 通過壓力和加熱以及使用熱粘合劑塗層將這些層粘合在一起，並以二氧化碳雷射將材料切割成每層的形狀。優點是成本低、無需後處理和支撐結構、在加工過程中沒有變形或相變，以及具有構建大型零件的可能性。缺點是減法技術造成材料浪費、表面清晰度低，並且不易製造複雜的內腔結構(2)。
5. 選擇性雷射燒結 (selective laser sintering)：藉由電腦控制雷射照射的位置，使粉末經雷射照射燒結黏著聚積成塊，以此原理層層印製成型，並藉著除去粉末以獲得最終產品(12)。粉末粒徑大小、雷射功率、掃描間距和掃描速度影響最終的列印精細度。此方法適用的材料範圍廣泛，含無機物、有機高分子及鋼、鈦金屬等，目前聚己內酯 (polycaprolactone, PCL) 和聚酰胺 (polyamide, PA) 是常被使用的材料(8)。優點是其成型過程周邊一直有未燒結的粉末存在，因此不需支撐材就可完成製程，缺點是機台價格昂貴。
6. 選擇性雷射熔化 (selective laser melting, SLM)：SLM 列印技術與 SLS 列印技術類似，但其雷射功率較 SLS 為高，其列印材料以金屬為主。以高能量雷射使金屬粉末加熱至液態，使之與附近的材料融合，可列印高機械強度之物件(13)。
7. 聚合物噴射 (polyJet, PJ)：PJ 列印技術是以噴墨技術製造 3D 物件，其使用光固化材料。噴墨頭在 x 和 y 軸上移動，噴出光固化材料在該層待列印位置，在每層完成後通過紫外光進行固化(8)。其中以凝膠型光固化材料作為支撐材，列印完成後可以水柱噴射除去支撐材料。在該列印過程中，每層層厚度可達 16 mm，因此所生產的物件具有高列印解析度(8)。缺點是列印的物件機械性質較弱。此外，藉由多噴頭的噴墨技術，可以在同一列印物件上構建多種顏色及材質。可列印的材料包括透明材料、不透明材料、高溫材料、類聚丙烯材料、類橡膠材料和生物相容性材料…等。優點是可快速加工和原型製造，並且能快速、高精度地製造高精細度及表面平滑的物件(14)。因此其應用廣泛，在航空、建築、軍工、汽車、消費品、商業品、醫療等領域皆有極高的發展潛力(14)。
8. 立體生物列印 (3D bioprinting)：將活體細胞和水膠狀基質噴塗成立體的組織型態。有許多技術都可應用於產生載有細胞的材料的結構，包含噴墨生物列印 (inkjet bioprinting)、微擠出系統 (microextrusion system)、雷射輔助生物列印 (laser-assisted bioprinting, LABP) 及SLA…等(15)。圖 5(16) 是典型生物列印過程的示意圖。列印後細胞的表現、細胞間的交互作用及細胞存活率是列印成功的關鍵(4)。
圖 5. 典型生物列印過程的示意圖。 應用目標組織及其環境的成像來引導生物列印組織的設計。設計方法包括仿生學和組織自組裝。適用於組織功能和形成的常用材料包含合成或天然聚合物和細胞外基質 (Extracellular matrix, ECM)。細胞來源的選擇可以是同種異體的或自體的細胞。這些選用的成分必須具可列印性，可與生物列印系統結合。此外，3D 列印的組織需要一段時間成熟化，並可進一步進行植入和體外應用(16)。
五、3D 列印技術在醫學上的應用
隨著偵測器電腦斷層掃描儀 (multidetector computed tomography, MDCT) 及核磁共振攝影 (magnetic resonance imaging, MRI) 技術的發展，患者體內的結構藉著這些醫學影像技術，再配合電腦軟體輔助，已能以 3D 立體結構呈現。此 3D 立體結構亦可由電腦軟體處理轉換為 3D 立體列印機可判讀的 STL (surface tessellation language) 檔案進行列印，使得 3D 立體列印技術在近代醫學上有很大的發展(17)。圖 6 是依照使用的複雜性和監管的難易度由低到高所排列之目前 3D 列印技術在醫療上的應用，分別是患者特定的 3D 解剖模型、手術模型幫助術前規劃、手術的輔具、手術導板、醫療植入物，以及組織工程。
圖 6. 依照使用的複雜性和監管的難易度由低到高所排列之目前 3D列印技術在醫療上的應用。
目前 3D 列印在醫學上的實際應用如下(4)：
1. 體外機械輔具的製造：利用 3D 列印技術製造客製化體外機械輔具，幫助患者恢復肢體的控制及行動(18)。優點是可製造少量客製化設計產品。
2. 客製化植體的模具開發：以 3D 列印技術印製患者所需的高分子植體模型，再以此模型翻模製造客製化模具，進而得到所需之客製化金屬或矽膠植體(19- 20)。
3. 手術前的輔助模型：藉由 3D 列印等比例的病患組織模型，可幫助臨床醫師在較複雜或高風險的手術中進行術前的規劃，進而縮短手術的時間及規劃最安全有益的治療步驟(18)。此外， 3D 列印模型亦可提供市售產品的修整與改良(18)。
4. 客製化體內植體的製造：以 3D 列印技術製作長期植入體內的植體，並移植至病患體內。案例:氣管夾具(21)、頭蓋骨植體、人造髖關節、人造骨盆、人造下顎骨植入手術和牙科植入物等(18)。目前亦可使用矽、軟骨細胞和銀納米粒子製造能夠檢測電磁頻率的假耳。此外，含有活細胞的列印植入物亦在發展中(18)。
六、生醫 3D 列印原料與高分子材料
在 3D 列印材料中，光硬化樹脂約占 50%，熱塑性塑膠約占 40%，而生醫用原料至今在市場上的選擇性極少，其材質不能滿足客製化所需的特定強度、彈性及硬度(22)。在 3D 列印技術上，常以熱溶劑或有機溶劑幫助高分子材料成型。其材質通常不具生物相容性及生物可分解性，無法應用於組織工程及生物醫療領域。若選以天然材質，如：膠原蛋白或明膠，則其機械性質不足，需以有毒交聯劑增強其強度。因此發展可供 3D 列印的生醫原料是極重要的議題，而所研發完成的原料亦在 3D 列印市場充滿商機。
高分子材料可區分為生物高分子材料 (biopolymers) 及人造高分子材料。生物高分子材料是由自然界生物代謝或合成的產物(23)，但亦可由生物技術或化學合成聚合，並應用於產業和生物醫學工程的發展。目前常被使用的高分子材料有幾丁聚醣 (chitosan)、幾丁質 (chitin)、膠原蛋白 (collagen)、透明質酸 (hyaluronic acid) 及纖維素物質 (cellulosic materials)等。其中透明質酸是由乙醯基葡萄糖胺 (N-acetyl-d-glucosamine) 及葡萄糖醛酸 (D-glucuronic acid) 組成，具高度的親水性。目前已廣泛地使用在傷口瘉合、關節腔注射治療、軟骨組織工程及眼科疾病治療(24)，並用於支架改質可幫助細胞貼附。
各種人造高分子材料具有不同的性質，醫用高分子材料可分為非降解型和可降解型兩類。非降解型能長期保持穩定，不發生降解或物理磨損，具有較好的機械性能。可降解型高分子材料作為體內植入物，有避免需二次手術取出的優點。非降解型高分子主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、聚甲醛及聚胺基甲酸酯等。可降解型高分子主要包括膠聚乳酸、聚乙醇酸、聚己內酯及羥基乙酸共聚合高分子等(25)。要將 3D 列印技術更廣泛的應用在醫療生醫領域發展商用的新式生醫 3D 列印原料是極為關鍵的要素，新式生醫 3D 列印原料的開發將幫助組織工程發展、加速客製化組織工程支架製造，進而幫助患者器官與組織的修復與植入，提供 3D 列印在再生醫學應用的巨大潛力。
七、結論
3D 列印技術發展至今，已有多種列印技術。不同的列印技術可使用不同的材料作為列印原料，並且可製造出不同性質的列印物件以應用到各個領域。3D 列印的發展並不只限於機台製造技術的提升，可列印材料的開發、3D 掃描成像技術的進步及 3D 列印流程的優化都對其發展扮演著關鍵的角色。在醫療領域上， 3D 列印已被多元的應用，包含臨床醫學、再生醫學或者是生活輔具…等。 3D 列印讓過去不可能達到的技術領域，成為可能。期望本文可以讓大家更多的認識 3D 列印技術的原理及應用，將 3D 列印的技術融入研究發展領域，碰出奇妙的火花。