光聚合成型3D打印技術概論

光聚合成型類3D打印技術是一種利用光敏樹脂材料在光照下固化成型的3D打印技術的統稱，其主要包括三種技術路線：其一是由美國3D Systems開發并最早實現商業化的光固化成型技術（SLA）；其二是由德國envision TEC公司基于數字光處理（DLP）投影儀技術的基礎上開發DLP 3D打印技術；其三是由以色列Objet公司（2012年與Stratasys合并）開發的聚合物噴射技術（PolyJet）。

但使用的光源不同，在產品性能、應用范圍等方面存在差異。接下來，具體從工作原理、優缺點、典型設備、應用領域以及耗材等幾個方便對三種技術進行詳細論述。

光固化成型技術（SLA）

光固化成型技術（SLA）由Charles Hull于1983年發明，并在1986年獲得申請專利。是最早實現商業化的3D打印技術。SLA又名“立體光固化成型法”或“激光光固化”。1986年，Charles Hull成立3D System公司，大力推動相關業務發展，1988年該公司根據SLA成型技術原理生產出世界上第一臺SLA 3D打印機——SLA 250，并將其商業化，經過多年的發展，3D System公司已成為全球最大的3D打印設備提供商。

SLA技術發明人以及3D System公司創立者Charles Hull

1、SLA的工作原理

SLA主要利用液態光敏樹脂在紫外激光束的照射下快速固化的特性。具體工作原理可以這樣來理解：

第一步：在樹脂槽中盛滿液態光敏樹脂，可以升降工作臺處于液面下一個截面厚的高度，聚焦后的激光束，在計算機的控制下，按照截面輪廓要求，沿液面進行掃描，被掃描的區域樹脂固化，從而得到該截面輪廓的樹脂薄片。

第二步：升降工作臺下降一個層厚距離，液體樹脂再次暴露在光線之下，再次掃描固化，如此重復，直到整個產品成型。

第三步：升降臺升出液體樹脂表面，取出工件，進行相關后期處理。

SLA工作原理示意圖（圖源：3dimperial.com）

在目前應用較多的幾種3D打印技術中，SLA由于具有成型過程自動化程度高、制作原型精度高、表面質量好以及能夠實現比較精細的尺寸成型等特點，使之得到較為廣泛的應用。

SLA技術的優缺點

國內研究SLA的機構和公司眾多，國內有華中科技大學、珠海西通、智壘等，國外有3D Systems、Formlabs等，其中，3D Systems在技術領域起步較早，所生產的機型也代表了該領域最先進的技術。

SLA技術的代表企業：3D Systems

3D Systems是全球領先的3D打印、印刷解決方案提供商，也是3D打印概念的締造者。1986年，SLA技術發明者Charles W. Hull成立成立3D Systems，并致力于將SLA技術商業化。發展至今，公司業務已涵蓋3D打印全產業鏈，包括上游材料，中游設備以及下游應用服務，三塊業務在2014年收入中的占比分別為24.30%、43.35%和32.35%。

3D Systems技術實力強勁，通過自主研發、收購兼并等方式，公司相繼成立了立體光固化成型（SLA）選擇性激光燒結（SLS）、彩色噴射打印（CJP）、多噴頭打印（MJP）等3D打印機的商業化運作。同時，公司的Medical Modeling開創了虛擬手術技術（VSP），其服務達到世界領先水平，幫助了數以千計的患者。

3D Systems的歷史是一部3D打印全產業鏈的并購史

3D Systems的歷史是一部3D打印全產業鏈的并購史，公司從成立至今，圍繞整個3D打印產業鏈相繼并購了數十家企業，特別是隨著近幾年3D打印關注度的提升，公司并購的步伐不斷加快。2011年，公司相繼收購定制化零部件制造商Quickparts和多色噴墨3D打印領域領導者Z Corporation。2013年8月，公司宣布收購英國的CRDM公司，后者專門從事航空航天、賽車運動、醫療設備行業的快速原型和快速模具服務，這一措施幫助公司站穩了英國市場。

同年，公司有相繼收購了專門利用3D打印技術制作甜品的The Sugar Lab公司、3D打印陶瓷技術的領先供應商 Figulo公司以及施樂公司旗下位于威爾遜維爾，俄勒岡的產品設計、工程、化學組。2014年，公司并購達到巔峰，相繼收購了俄克拉荷馬州的姊妹公司American Precision Prototyping和American PrecisionMachining、Medical Modeling公司、美國先進制造產品開發和工程服務商Laser Reproductions、拉美最大的 3D打印服務商Robtec、仿真手術設備巨頭Simbionix公司、比利時的直接金屬3D打印和制造服務供應商Layer Wise公司以及CAD/CAM軟件廠商Cimatron公司。為加強在中國的業務開展，2015年3D Systems收購中國無錫易維及其全資子公司，并創建3D Systems中國。

公司收入增速放緩，凈利潤轉正為負，出現虧損。2014年，公司實現營收6.54億美元，同比增長27.3%，增速放緩，實現凈利潤1164萬美元，同比降低73.6%。2015年上半年，公司營收同比增速進一步放緩至10.7%，而凈利潤為-2688萬美元，出現虧損。

SLA型3D打印設備：ProX 950

ProX 950是3D Systems公司生產的生產級3D打印機，ProX 950的成型尺寸為1500x750x550mm，零件最大重量為150kg，相比之前的3D打印機，ProX 950的速度更快，它擺脫了注塑制造或者CNC的設計限制，采用新的PloyRay技術，其打印速度可以達到其他3D打印機的10倍。制作出全尺寸的儀表盤僅需2天。

ProX 950材料利用率較高，所有未使用的材料均保留在系統內，材料選擇廣泛，可滿足從類丙烯腈丁二烯苯乙烯的韌性到類聚碳酸脂的透明度等一系列零件屬性。

SLA具有加工速度快、成型精度高、表面質量好、技術成熟等優點，在設計概念、單件小批量精密鑄造、產品模型和模具等方面，被廣泛應用于航空航天、汽車、消費品、電器以及醫療等領域。

3D打印的海爾空調

就目前來看，光固化成型（SLA）技術未來將向高速化、節能環保、微型化方向發展，隨著加工精度的不斷提高，SLA將在生物、醫藥、微電子等方面得到更廣泛的應用。

光敏樹脂材料打印的物體

基于光固化成型技術（SLA）的3D打印機耗材一般為液態光敏樹脂，比如光敏環氧樹脂、光敏乙烯醚、光敏丙烯樹脂等。光敏樹脂是一類在紫外線照射下借助光敏劑的作用能發生聚合并交聯固化的樹脂，由光敏劑和樹脂組成。

數字光處理技術（DLP）

DLP是3D打印成型技術的一種，被稱為數字光處理快速成型技術，DLP技術跟SLA有很多相似之處，其工作原理也是利用液態光敏聚合物在光照下固化的特征。DLP技術使用一種較高分辨率的數字光處理器（DLP）來固化液態聚合物，逐層對液態聚合物進行固化，如此循環往復，直到最終模型完成。DLP成型技術一般采用光敏樹脂作為打印材料。

DLP技術工作原理

DLP和SLA同屬于光聚合成型，兩者最大的差別在于照射的光源：SLA采用激光點聚焦到液態光聚合物，而DLP成型技術是先把影像信號經過數字處理，然后再把光投影出來固化光聚合物。

在成型時，SLA一般是由點到線、再由線到面，而DLP則是一層一層地成型。因此，DLP成型的速度要比SLA快，由于造價高，基于DLP技術的3D打印機價格要比FDM機型高，甚至比SLA機型高。

DLP技術的優缺點

目前，生產研究DLP技術的企業較多，其中最具代表性的是德國的envision TEC，隨著 DLP技術的不斷成熟，我國多家企業也相繼推出自主研發的DLP 3D打印機產品，如珠海西通、寧波智造科技等。

德國3D打印企業Envision TEC 

Envision Tec是去全球領先的數字光處理（DLP）技術3D打印機制造商，成立于2002年，總部位于德國。自2002年以來，已有6000多臺Envision Tec的系統在全球使用。另據全球知名3D打印研究機構Wohlers Associates統計，2014年，在工業級3D打印機領域Envision Tec市場份額為10%，排名第三，僅次于Stratasys和3D Systems。

2014年工業級3D打印設備全球銷售份額（按公司）

DLP技術優勢明顯、操作簡便，使得Envision產品在很多領域得到廣泛的應用。在助聽器市場，公司產品的全球市場占有率超過60%；在珠寶行業，公司perfactory系列產品的全球市場占有率超過50%。

Envision TEC生產的3SP技術3D打印機

envision TEC公司的3D-Bioplotter技術3D打印機

在3D打印技術方面，envision TEC除擁有DLP技術外，還相繼開發了3SP（Scan, Spin, and Selectively Photocure）技術和3D-Bioplotter技術。其中，3SP技術在打印精度、速度以及逼真度方面占據優勢；而3D-Bioplotter技術則是公司最新開發的一種適用于生物打印和生物工程制造的3D打印技術。

隨著DLP技術的不斷成熟，我國多家企業也相繼推出自主研發的DLP 3D打印機產品，如智維股份、寧波智造科技等。下面以智維股份的MoonRay 3D打印機為例。

智維股份MoonRay 3D打印機

MoonRay 3D打印機成型空間為127x81x220mm；x、y軸的精度為0.10mm，z軸的精度為0.02mm；打印速度為每小時25.0mm。

DLP技術具有打印速度快、成型精度高、打印物體表面光滑等優點，同時，具有機型造價高、打印成本貴的缺點，因此主要被應用于對精度和表面光潔度要求高但對成本相對不敏感的領域，如珠寶首飾、生物醫療、文化創意、航空航天、建筑工程、高端制造。

基于DLP技術的珠寶加工

基于數字化光處理技術（DLP）的3D打印機耗材與SLA類似，一般也為液態光敏樹脂。光敏樹脂是一類在紫外線照射下借助光敏劑的作用能發生聚合并交聯固化的樹脂，由光敏劑和樹脂組成。

聚合物噴射（PolyJet，PJ）

聚合物噴射（PolyJet）技術由以色列Objet公司在2000年初推出的專利技術。PolyJet技術是目前3D打印技術中最為先進的技術之一，其成型原理與3DP相似，只是噴射材料不是粘合劑而是聚合物。

聚合物噴射（PolyJet）工作原理圖

聚合物噴射（PolyJet）技術的成型原理也是光敏樹脂在紫外光照射下固化。具體打印過程是：

（1）噴頭沿X/Y軸方向運動，光敏樹脂噴射在工作臺上，同時 UV紫外光燈沿著噴頭運動方向發射紫外光對工作臺上的光敏樹脂進行固化，完成一層打印。

（2）之后工作臺沿Z軸下降一個層厚，裝置重復上述過程，完成下一層的打印。

（3）重復前述過程，直至工件打印完成。

（4）去除支撐結構。

聚合物噴射（PolyJet）技術是一種強大的增材制造方法，能夠制作出光滑、精準的原型、部件和工具。可達可達16μm的層分辨率和高達0.1mm的精度使其能夠使用范圍極廣的材料制作出薄壁和復雜的幾何形狀。

聚合物噴射（PolyJet）技術的優缺點

聚合物噴射（PolyJet，PJ）技術代表企業：Stratasys

Stratasys公司是一家全球領先的3D打印和增材制造方案提供商，公司是由原Stratasys Inc和以色列Objet公司于2012年合并而成，合并后的公司沿用Stratasys的名稱，市場份額約為54.7%（2014年末）。Stratasys現有員工2800多人，總部分別設在美國明尼蘇達州Minneapolis和以色列Rehovot.Stratasys Inc的創始人Scott Crump是FDM（熔融沉積成型）技術的發明者。

Stratasys的歷史就是一部3D打印發展史

Stratasys公司在全球擁有600多項增材制造專利，主要的專利技術包括FDM、Polyjet和WDM（蠟沉積成型），Stratasys靠FDM技術起家，擁有FDM專利和相應產品，通過與Objet合并，引入其Polyjet相關技術，充實了工業級產品線。2013年6月，Stratasys收購了主打桌面級3D打印市場的廠商MakerBot，進一步擴充了桌面級產品線。通過并購，Stratasys鞏固了自身的行業地位，與另一行業巨頭3D Systems分庭抗禮。

裝機量是考量3D打印行業公司的一個重要標準。2004至2012（合并前），Stratasys Inc和Objet的裝機量都經歷了快速增長，CAGR分別為29%和47%。

截止2015年第一季度，旗下所有品牌累計售出12.9萬臺打印機，在行業內排名第一。由于3D打印機的使用過程中需要用到耗材，而耗材的利潤率高于3D打印硬件，因此裝機量是Stratasys的一大優勢，相比裝機量低的公司，Stratasys未來業績增長更有保障。

2014年，Stratasys收入7.5億美元，凈利潤-1.2億美元。2015第一季度虧損達2.2億美元，盈利狀況不容樂觀。其中一個重要的原因是2013年收購的MakerBot增長遠不及預期，截至目前已累計造成3億美元的資產減值，約為當初收購價的73%。Stratasys目前市值14.7億美元，較2014年9月的歷史最高已縮水78.3%。截至8月14日，公司賣空股數占流通股數比例為25.7%，較2014年9月底的10.8%大幅提高，一定程度上反映了投資者情緒的變化。

PolyJet型3D打印設備：Objet 1000 Plus工業級3D打印機

Objet 1000 Plus工業級3D打印機是目前世界上最大型的多材料3D打印機，配備從全比例原型到精密小零件的全封裝托盤。該機打印尺寸可達1000x800x500mm，可進行1:1打印，同時，該機直接根據CAD數據制造多材料零件，大部分時間都在無人值守的情況下運行。

與之前的系統相比，它的打印速度提高了40%，較其他PolyJet系統其單件打印成本最低。Objet 1000 Plus可進行多材料打印，最大程度減少后期處理需求。Objet 1000 Plus單次最多可打印14種材料，進而避免了剛性材料難以鉆削和裝配的問題。同時，打印出的工件無需進行上漆、拋光或涂橡膠等處理，支撐材料可輕松處理。

PolyJet 3D打印技術具有快速加工和原型制造的諸多優勢。甚至能快速、高精度地生成具有卓越的精致細節、表面平滑的最終用途零件。基于諸多優勢，PolyJet技術應用廣泛，在航空航天、汽車、建筑、軍工、商業品、消費品、醫療等行業具有很好的應用前景。

聚合物噴射（PolyJet）技術打印的零件

PolyJet 3D打印技術使用的光敏聚合物多達數百種，從橡膠到剛性材料，從透明材料到不透明材料，從無色彩料到彩色材料，從標準等級材料到生物相容性材料，以及用于在牙科和醫學行業進行3D打印的專用光敏樹脂。

三種光聚合成型類3D打印技術基本原理都是利用液態光敏聚合物（樹脂）在光照射下固化的特征，只是使用的光源不同，其中，SLA使用的光源為紫外激光束，DLP使用的光源為數字光處理器，PolyJet使用的光源為紫外光。此外，三種技術使用的耗材均為光敏聚合物（樹脂）。（數據來源：華融證券）

光聚合成型技術

我們可以想象一下這樣的場景：一個有牙齒疾病的患者，走進醫院，只見醫生拿著儀器在病人口腔內照一下，一顆完整的牙齒就留在了病人口腔內，而且其形狀、功能跟真正的牙齒無異。到底什么技術這般神奇？其實這是3D打印技術之一的光固化技術的杰作，當牙醫為病人補牙的時候，先用光敏樹脂當成填充物，然后用UV光照射填充物將其硬化，完成補牙的動作。那么，究竟什么是光固化技術呢？今天我們將從技術原理和實際應用的角度來做一下具體解析。

光與影的魅力 3D打印之光聚合成型技術

3D打印（3DP），學名“增材制造”（AM）或“快速成型”（RPM），是在計算機控制下，以數字模型文件為基礎，通過逐層打印的方式來構造實際產品的技術，打印過程主要包括：三維建模、模型切片和逐層打印。

3D打印技術從誕生至今，已發展30余年，目前處于多種技術路線共存的狀態。根據所用耗材形態和成型原理的差異，目前主流的3D打印技術大致分為擠出熔融成型和成型原理的差異，目前主流的3D打印技術大致分為擠出熔融成型、粒狀物料成型、光聚合成型等三種類型。每種類型按照成型技術的不同，又演化出多種種類，其中，熔融層積（FDM）屬于擠出成型類，粒狀物料成型又包括直接金屬激光燒結（DMLS）、電子束熔融（EBM）、選擇性激光燒結（SLS）、選擇性熱燒結（SHS）、選擇性激光融化成型（SLM），光聚合成型技術則包括光固化成型（SLA）、數字光處理（DLP）、聚合物噴射（PI）。

(責任編輯：admin)

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