臺灣化學教育

製作3D光雕印章

呂雲瑞

 

國立市立高雄女子中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  影片觀賞

本實驗影片由臺灣多媒體創意教學協會協助拍攝，教育部高中化學學科中心提供。

影片網址：3D光雕，https://www.youtube.com/watch?v=u0zdTAFkhdo, YouTube.

n  簡介

印章是中華文化的代表之一。舉凡結婚生子、簽辦信用卡、領取信件……等等日常生活中的事務，印章總是扮演著不可或缺的角色。印章材料的演進史中，陶瓷曾為印章最古老的 材料，後來後漸發展為金屬、植物、獸骨、石塊等材質，乃至現代的塑料、橡膠。

不過因為印鑑章的辨識不甚容易，且易於仿冒，近年來有愈來愈多廢除印鑑證明之聲浪 產生，本研究試著由光誘導性質連結到印章之製作，由自製簡易升降平台，改良光聚合製程，並結合時下流行之平板電腦及APP以製作「親筆簽名」的效果印章，便可應用於藏書章、或是落款等功能。透過光聚合技術的光敏樹脂材料也是現在3D列印技術中最夯的超級明星，可提供快速和高品質的列印。

n  藥品與器材

1.        己二醇二丙烯酸酯（1,6-hexanediol diacrylate）

2.        苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲基)氧化磷（Phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide）

3.        蘇丹紅一號（Sudan I）

4.        丙酮（acetone）

5.        乙醇（ethanol）

6.        蒸餾水

7.        實驗用固定夾

8.        玻璃培養皿

9.        筆記型電腦或平板電腦（設計圖案或字型）

10.    DLP投影機(BENQ)

11.    平面鏡

12.    水平儀

n  實驗步驟

一、光誘導聚合反應溶液配製

1.        取98 mL的己二醇二丙烯酸酯（作為聚合物單體），2 g的苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲基)氧化磷（當作光引發劑photo-initiator），再加入0.006 g的蘇丹紅一號（作為光吸收劑photo-absorber）。

2.        將上述三種藥品依序倒入100 mL有蓋的樣品瓶中，密封後放入磁攪拌子攪拌數天（大約三天左右），直到混合均勻、完全溶解。此時樣品外壁需用鋁箔紙包裹住，放置於陰暗處，避免光線照射，產生不必要的反應。

二、改良式印章製作機

1.        自行組裝製作機台：以承載實驗器具作為印章製作機的本體，機台內的螺旋桿，可以控制機台維持水平；本實驗的放大鏡以左方木匣固定，如此可以控制上下位置以調節像距（焦距）；此外，原先平面鏡的位置，改以天頂鏡取代，當作反射投影機光源的媒介。圖一和圖二分別為機台實際照片及其透視架構圖。

圖一：製作機台的實際照片

圖二：製作機台的透視與架構圖

2.        3D光雕印章完整機台裝置如圖三所示。

圖三：平面鏡（左中方紅圈處）、投影機（中上方）、平板電腦裝置（白色處）、製作印章圖案（左中方藍色亮圈處）

 

 

三、利用電腦設計聚合物的成品圖案

1.        使用上市的Android APP，做出親筆簽名的印章樣式，以Picasso App為例，讀者可在觸控螢幕中預設的圖片或照片上書寫簽名，之後儲存到記憶卡中備用。畫筆的粗細可以自行調整，必須注意，若是陽刻要以白筆作畫；若是陰刻，則以黑筆作畫。Picasso App的書寫螢幕截圖，如圖四所示。

圖四：觸控螢幕上書寫簽名圖

2.        印章的樣式設計完之後，以Kingsoft Office文件編輯程式(免費自由軟體)為例，製作投影片：執行程式，開啟本實驗預先設計之簡報檔，在第三張投影片的黑屏剪下，插入設計的印章樣式，再貼上覆蓋。相關操作如圖五所示：

 

圖五：圖章的電腦設計

四、投影設計圖案在培養皿中

1.        放置於一個玻璃培養皿在木匣底部，把筆記型電腦（或平板電腦）連接至機台上的DLP投影機，並以水平儀確認機台水平，利用折射鏡使投影機光線可以垂直向下投射，相關擺設如圖六所示：

圖六：自製簡單投射機台

2.        打開投影機，投影圖案在培養皿中，調整投影機焦距，如圖七所示。

圖七：培養皿中的對焦區

五、製作印章底座

1.        採用漸進塗佈法：以塑膠滴管吸取些許配製好的混合溶液，均勻塗抹於培養皿中，使其薄薄地沾上一層。之後的混合液添加不能一次加太多，只能稍微淹過聚合完成的部分。圖八為添加溶液過程。

圖八：添加混合液在對焦區內

2.        開始播映投影片，投影片會自行播放動畫，期間有白色圖案出現時為高分子聚合的時間（10 秒），這段時間請勿晃動或吸取殘留溶液；當黑屏出現時，快速滴加溶液，塗抹於堆疊完成的固體之上（時間約5~10秒左右，可自行調控所需時間），如圖九所示。

圖九：投影片在平板電腦播放流程

3.        重複曝光二十次，以製作印章底座。圖十和圖十一分別為光聚合反應和底座完成圖。

圖十：光聚合的反應（此時投影片為白色圖案）

圖十一：底座完成（重複曝光二十次後）

六、製作圖案印章

1.        黑屏會重複20遍，刻紋投影亦會重複20遍，直到成品完成前，請確認沒有移動培養皿或是液面傾斜的狀況。圖十二為刻紋曝光示意圖。

圖十二：自行設計刻紋投影曝光圖（左）和黑屏（右）。

2.        投影片播放結束後，回收多餘溶液至樣品瓶中，將乙醇倒入培養皿中至八分滿，以浸泡成品，再以去離子水清洗一遍，蔭乾後就可使用，此成品即為印章刻紋(正面)。

3.        印章刻紋的平滑面（背面）可以用黏著劑，貼至自己想要作為印章的物品。

n  原理與概念

此光聚合反應的單體為己二醇二丙烯酸酯，屬於不飽和的酯類，分子兩端各有一個雙鍵，為聚合反應的關鍵位置，其化學結構式如圖十三所示：

圖十三：己二醇二丙烯酸酯的2D結構式

光引發劑為苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲基)氧化磷，本實驗需要波長介於380~400nm 的UV光來切斷光引發劑苯基雙苯基雙(2,4,6-三甲基苯甲基)氧化磷的磷–氧鍵，形成自由基，引發反應的發生，其反應如式[1]所示：

    [1]

光解產生的自由基再對雙鍵位置進行攻擊，雙鍵打開後，進行聚合傳播（propagation），當反應物耗盡，再與另一股長鏈自由基結合，最後終結反應（termination）。本反應利用DLP 投影機做為紫外光的的光源，是直接反射，紫外光的耗損較少，含量恰足以使高分子反應。

若照光聚合的時間拉得太久，導致聚合物吸收太多來自光源的熱能，使其產生氣泡並膨脹，讓實驗品的生成無法達成預期的形狀或圖案。經測試十秒鐘為最佳聚合時間，圖十四為聚合時間過長產生熱膨脹而造成失敗。

圖十四：熱膨脹造成聚合反應的失敗

n  安全注意及廢棄物處理

l  本實驗使用蘇丹紅1號，蘇丹紅為食品染色劑，本實驗作為紫外光吸收劑，對化學、熱穩定性好，可吸收過多強烈紫外光，有效保護反應物發生不必要的枝節反應；國際癌症研究機構（IARC）歸類蘇丹一號為第三類可致癌物質，是具有潜在致癌危险的物質，不可服用，請依實驗室廢棄物規定，統一回收處理。

n  參考資料

1.        徐武軍著，民國101年。高分子材料導論（2版）。五南出版社。

2.        鄭學晶著，民國101年。天然高分子材料（簡體），化學工業出版社。

3.        徐堅、瞿金帄、等主編，民國97年。高分子材料與工程（簡體），科學出版社。

4.        聶俊著，民國98年。光聚合技術與應用（簡體），化學工業出版社。

5.        吳世康著，民國92年。高分子光化學導論—基礎和應用（簡體），科學出版社。

6.        聚合物之一般性質與分類。教育部學習加油站，http://content.edu.tw/senior/chemistry/tp_sc/content1/number4/3/15-1.htm。

7.        Photopolymer, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Photopolymer.

8.        Sudan I, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Sudan_I.

9.        Howon Lee and Nicholas X. Fang. 2012. Micro 3D Printing Using a Digital Projector and its Application in the Study of Soft Materials Mechanics, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3565856/.