光與影的魅力 3D列印之光聚合成型技術

1光聚合成型技術

    【中關村在線辦公列印頻道原創】我們可以想像一下這樣的場景：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。到底什麼技術這般神奇？其實這是3D列印技術之一的光固化技術的傑作，當牙醫為病人補牙的時候，先用光敏樹脂當成填充物，然後用UV光照射填充物將其硬化，完成補牙的動作。那麼，究竟什麼是光固化技術呢？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列印之光聚合成型技術

    3D列印（3DP），學名「增材製造」（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，通過逐層列印的方式來構造實際產品的技術，列印過程主要包括：三維建模、模型切片和逐層列印。

    3D列印技術從誕生至今，已發展30餘年，目前處於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列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列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）屬於擠出成型類，粒狀物料成型又包括直接金屬雷射燒結（DMLS）、電子束熔融（EBM）、選擇性雷射燒結（SLS）、選擇性熱燒結（SHS）、選擇性雷射融化成型（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）。

3D列印主要實現技術
類型	技術	基本材料
擠出成型	熔融沉積（FDM）	熱塑性材料（如PLA、ABS）、共融金屬、可食用材料
粒狀物料成型	直接金屬雷射燒結（DMLS）	幾乎任何金屬合金
	電子束熔煉（EBM）	鈦合金
	選擇性熱燒結（SHS）	熱塑性粉末
	選擇性雷射燒結（SLS）	熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末
	基於粉末床、噴頭和石膏的3D列印（PP）	石膏
光聚合成型	光固化成型（SLA）	光敏聚合物
	聚合物噴射（PI）	光敏聚合物
	數字光處理 （DLP）	液體樹脂

    隨著技術發展和市場需求的不斷提高，基於典型3D列印技術衍生出了一些新的技術，比如石膏3D列印（PP）、分層實體製造（LOM）、三維列印（3DP）、電子束自由成型製造（EBF）、雷射淨形製造（LENS）等。

    按照列印耗材種類的不同，3D列印技術又可以分為非金屬3D列印技術和金屬3D列印技術，其中，FDM、SLA、DLP、3DP等屬於非金屬3D列印技術，SLM、DMLS、EBM等屬於金屬材料3D列印技術。

2光固化成型技術

光聚合成型3D列印技術概論

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

光聚合成型類3D列印技術分類
技術類型	光源	代表企業
光固化成型（SLA）	紫外雷射束	3D Systems
數字光處理（DLP）	數字光	Envision TEC
聚合物噴射（PolyJet）	光源紫外光（UV）	Stratasys

    但使用的光源不同，在產品性能、應用範圍等方面存在差異。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於1983年發明，並在1986年獲得申請專利。是最早實現商業化的3D列印技術。SLA又名「立體光固化成型法」或「雷射光固化」。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印表機——SLA 250，並將其商業化，經過多年的發展，3D System公司已成為全球最大的3D列印設備提供商。

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雷射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，可以升降工作檯處於液面下一個截面厚的高度，聚焦後的雷射束，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：升降工作檯下降一個層厚距離，液體樹脂再次暴露在光線之下，再次掃描固化，如此重複，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，進行相關後期處理。

SLA工作原理示意圖（圖源：3dimperial.com）

    在目前應用較多的幾種3D列印技術中，SLA由於具有成型過程自動化程度高、製作原型精度高、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技術優缺點	優點	是最早出現的快速原型製造工藝，成熟度高。
		由CAD數字模型直接製成原型，加工速度快，產品生產周期短，無需切削工具與模具。
		成型精度高（在 0.1mm左右）、表面質量好。
	缺點	SLA系統造價高昂，使用和維護成本相對過高。
		工作環境要求苛刻，耗材為液態樹脂，具有氣味和毒性，需密閉，同時為防止提前發生聚合反應，需要避光保護。
		成型件多為樹脂類，強度、剛度、耐熱性有限，不利於長時間保存。
		軟體系統操作複雜，入門困難。
		後處理相對繁瑣。列印出的工件需用工業酒精和丙酮進行清洗，並進行二次固化。

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列印、印刷解決方案提供商，也是3D列印概念的締造者。1986年，SLA技術發明者Charles W. Hull成立成立3D Systems，並致力於將SLA技術商業化。發展至今，公司業務已涵蓋3D列印全產業鏈，包括上遊材料，中遊設備以及下遊應用服務，三塊業務在2014年收入中的佔比分別為24.30%、43.35%和32.35%。

    3D Systems技術實力強勁，通過自主研發、收購兼併等方式，公司相繼成立了立體光固化成型（SLA）選擇性雷射燒結（SLS）、彩色噴射列印（CJP）、多噴頭列印（MJP）等3D印表機的商業化運作。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列印全產業鏈的併購史

    3D Systems的歷史是一部3D列印全產業鏈的併購史，公司從成立至今，圍繞整個3D列印產業鏈相繼併購了數十家企業，特別是隨著近幾年3D列印關注度的提升，公司併購的步伐不斷加快。2011年，公司相繼收購定製化零部件製造商Quickparts和多色噴墨3D列印領域領導者Z Corporation。2013年8月，公司宣布收購英國的CRDM公司，後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列印技術製作甜品的The Sugar Lab公司、3D列印陶瓷技術的領先供應商 Figulo公司以及施樂公司旗下位於威爾遜維爾，俄勒岡的產品設計、工程、化學組。2014年，公司併購達到巔峰，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、美國先進位造產品開發和工程服務商Laser Reproductions、拉美最大的 3D列印服務商Robtec、仿真手術設備巨頭Simbionix公司、比利時的直接金屬3D列印和製造服務供應商Layer Wise公司以及CAD/CAM軟體廠商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，並創建3D Systems中國。

    公司收入增速放緩，淨利潤轉正為負，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，實現淨利潤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%，而淨利潤為-2688萬美元，出現虧損。

SLA型3D列印設備：ProX 950

    ProX 950是3D Systems公司生產的生產級3D印表機，ProX 950的成型尺寸為1500x750x550mm，零件最大重量為150kg，相比之前的3D印表機，ProX 950的速度更快，它擺脫了注塑製造或者CNC的設計限制，採用新的PloyRay技術，其列印速度可以達到其他3D印表機的10倍。製作出全尺寸的儀錶盤僅需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，被廣泛應用於航空航天、汽車、消費品、電器以及醫療等領域。

3D列印的海爾空調

    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。

光敏樹脂材料列印的物體

    基於光固化成型技術（SLA）的3D印表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藉助光敏劑的作用能發生聚合併交聯固化的樹脂，由光敏劑和樹脂組成。

3數字光處理技術

數字光處理技術（DLP）

    DLP是3D列印成型技術的一種，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徵。DLP技術使用一種較高解析度的數字光處理器（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成型技術一般採用光敏樹脂作為列印材料。

DLP技術工作原理

    DLP和SLA同屬於光聚合成型，兩者最大的差別在於照射的光源：SLA採用雷射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，然後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，由於造價高，基於DLP技術的3D印表機價格要比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印表機產品，如珠海西通、寧波智造科技等。

德國3D列印企業Envision TEC 

    Envision Tec是去全球領先的數字光處理（DLP）技術3D印表機製造商，成立於2002年，總部位於德國。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列印研究機構Wohlers Associates統計，2014年，在工業級3D印表機領域Envision Tec市場份額為10%，排名第三，僅次於Stratasys和3D Systems。

2014年工業級3D列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佔有率超過60%；在珠寶行業，公司perfactory系列產品的全球市場佔有率超過50%。

Envision TEC生產的3SP技術3D印表機

envision TEC公司的3D-Bioplotter技術3D印表機

    在3D列印技術方面，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技術在列印精度、速度以及逼真度方面佔據優勢；而3D-Bioplotter技術則是公司最新開發的一種適用於生物列印和生物工程製造的3D列印技術。

    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印表機產品，如智維股份、寧波智造科技等。下面以智維股份的MoonRay 3D印表機為例。

智維股份MoonRay 3D印表機

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

    DLP技術具有列印速度快、成型精度高、列印物體表面光滑等優點，同時，具有機型造價高、列印成本貴的缺點，因此主要被應用於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、建築工程、高端製造。

基於DLP技術的珠寶加工

    基於數位化光處理技術（DLP）的3D印表機耗材與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藉助光敏劑的作用能發生聚合併交聯固化的樹脂，由光敏劑和樹脂組成。

4聚合物噴射技術

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列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。具體列印過程是：    

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

    （2）之後工作檯沿Z軸下降一個層厚，裝置重複上述過程，完成下一層的列印。

    （3）重複前述過程，直至工件列印完成。

    （4）去除支撐結構。 

    聚合物噴射（PolyJet）技術是一種強大的增材製造方法，能夠製作出光滑、精準的原型、部件和工具。可達可達16μm的層解析度和高達0.1mm的精度使其能夠使用範圍極廣的材料製作出薄壁和複雜的幾何形狀。

聚合物噴射（PolyJet）技術的優缺點	PolyJet技術的優點	列印質量、精度高。高達16μm的層解析度和0.1mm的精度，可確保獲得光滑、精準部件和模型。
		清潔，適合於辦公室環境。PolyJet技術採用非接觸樹脂載入/卸載，支撐材料清除和噴頭更換都很容易。
		列印速度快。得益於全寬度上的高速光柵構建，可實現快速的流程，可同時構建多個項目，並且無需二次固化。
		用途廣。由於列印材料品種多樣，可適用於不同幾何形狀、機械性能及顏色的部件。此外，所有類型的模型均使用相同的支持材料，因此可快速便捷地變換材料
	PolyJet技術的缺點	需要支撐結構。
		耗材成本相對較高。儘管與SLA一樣均使用光敏樹脂作為耗材，但價格比SLA的高。
		成型件強度較低。由於材料是樹脂，成型後的工件強度、耐久性都不是太高。

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列印和增材製造方案提供商，公司是由原Stratasys Inc和以色列Objet公司於2012年合併而成，合併後的公司沿用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列印發展史

    Stratasys公司在全球擁有600多項增材製造專利，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合併，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列印市場的廠商MakerBot，進一步擴充了桌面級產品線。通過併購，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列印行業公司的一個重要標準。2004至2012（合併前），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12.9萬臺印表機，在行業內排名第一。由於3D印表機的使用過程中需要用到耗材，而耗材的利潤率高於3D列印硬體，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，淨利潤-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，公司賣空股數佔流通股數比例為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列印設備：Objet 1000 Plus工業級3D印表機

    Objet 1000 Plus工業級3D印表機是目前世界上最大型的多材料3D印表機，配備從全比例原型到精密小零件的全封裝託盤。該機列印尺寸可達1000x800x500mm，可進行1:1列印，同時，該機直接根據CAD數據製造多材料零件，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，它的列印速度提高了40%，較其他PolyJet系統其單件列印成本最低。Objet 1000 Plus可進行多材料列印，最大程度減少後期處理需求。Objet 1000 Plus單次最多可列印14種材料，進而避免了剛性材料難以鑽削和裝配的問題。同時，列印出的工件無需進行上漆、拋光或塗橡膠等處理，支撐材料可輕鬆處理。

    PolyJet 3D列印技術具有快速加工和原型製造的諸多優勢。甚至能快速、高精度地生成具有卓越的精緻細節、表面平滑的最終用途零件。基於諸多優勢，PolyJet技術應用廣泛，在航空航天、汽車、建築、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）技術列印的零件

    PolyJet 3D列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，以及用於在牙科和醫學行業進行3D列印的專用光敏樹脂。

    三種光聚合成型類3D列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徵，只是使用的光源不同，其中，SLA使用的光源為紫外雷射束，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）