光与影的魅力 3D打印之光聚合成型技术
光聚合成型3D打印技术概论
光聚合成型类3D打印技术是一种利用光敏树脂材料在光照下固化成型的3D打印技术的统称，其主要包括三种技术路线：其一是由美国3D Systems开发并最早实现商业化的光固化成型技术（SLA）；其二是由德国envision TEC公司基于数字光处理（DLP）投影仪技术的基础上开发DLP 3D打印技术；其三是由以色列Objet公司（2012年与Stratasys合并）开发的聚合物喷射技术（PolyJet）。
| 光聚合成型类3D打印技术分类 | ||
| 技术类型 | 光源 | 代表企业 |
| 光固化成型（SLA） | 紫外激光束 | 3D Systems |
| 数字光处理（DLP） | 数字光 | Envision TEC |
| 聚合物喷射（PolyJet） | 光源紫外光（UV） | Stratasys |
但使用的光源不同，在产品性能、应用范围等方面存在差异。接下来，具体从工作原理、优缺点、典型设备、应用领域以及耗材等几个方便对三种技术进行详细论述。
光固化成型技术（SLA）
光固化成型技术（SLA）由Charles Hull于1983年发明，并在1986年获得申请专利。是最早实现商业化的3D打印技术。SLA又名“立体光固化成型法”或“激光光固化”。1986年，Charles Hull成立3D System公司，大力推动相关业务发展，1988年该公司根据SLA成型技术原理生产出世界上第一台SLA 3D打印机——SLA 250，并将其商业化，经过多年的发展，3D System公司已成为全球最大的3D打印设备提供商。
SLA技术发明人以及3D System公司创立者Charles Hull
1、SLA的工作原理
SLA主要利用液态光敏树脂在紫外激光束的照射下快速固化的特性。具体工作原理可以这样来理解：
第一步：在树脂槽中盛满液态光敏树脂，可以升降工作台处于液面下一个截面厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓要求，沿液面进行扫描，被扫描的区域树脂固化，从而得到该截面轮廓的树脂薄片。
第二步：升降工作台下降一个层厚距离，液体树脂再次暴露在光线之下，再次扫描固化，如此重复，直到整个产品成型。
第三步：升降台升出液体树脂表面，取出工件，进行相关后期处理。
SLA工作原理示意图（图源：3dimperial.com）
在目前应用较多的几种3D打印技术中，SLA由于具有成型过程自动化程度高、制作原型精度高、表面质量好以及能够实现比较精细的尺寸成型等特点，使之得到较为广泛的应用。
| SLA技术优缺点 | 优点 | 是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高。 |
| 由CAD数字模型直接制成原型，加工速度快，产品生产周期短，无需切削工具与模具。 | ||
| 成型精度高（在 0.1mm左右）、表面质量好。 | ||
| 缺点 | SLA系统造价高昂，使用和维护成本相对过高。 | |
| 工作环境要求苛刻，耗材为液态树脂，具有气味和毒性，需密闭，同时为防止提前发生聚合反应，需要避光保护。 | ||
| 成型件多为树脂类，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。 | ||
| 软件系统操作复杂，入门困难。 | ||
| 后处理相对繁琐。打印出的工件需用工业酒精和丙酮进行清洗，并进行二次固化。 |
SLA技术的优缺点
国内研究SLA的机构和公司众多，国内有华中科技大学、珠海西通、智垒等，国外有3D Systems、Formlabs等，其中，3D Systems在技术领域起步较早，所生产的机型也代表了该领域最先进的技术。
SLA技术的代表企业：3D Systems
3D Systems是全球领先的3D打印、印刷解决方案提供商，也是3D打印概念的缔造者。1986年，SLA技术发明者Charles W. Hull成立成立3D Systems，并致力于将SLA技术商业化。发展至今，公司业务已涵盖3D打印全产业链，包括上游材料，中游设备以及下游应用服务，三块业务在2014年收入中的占比分别为24.30%、43.35%和32.35%。
3D Systems技术实力强劲，通过自主研发、收购兼并等方式，公司相继成立了立体光固化成型（SLA）选择性激光烧结（SLS）、彩色喷射打印（CJP）、多喷头打印（MJP）等3D打印机的商业化运作。同时，公司的Medical Modeling开创了虚拟手术技术（VSP），其服务达到世界领先水平，帮助了数以千计的患者。
3D Systems的历史是一部3D打印全产业链的并购史
3D Systems的历史是一部3D打印全产业链的并购史，公司从成立至今，围绕整个3D打印产业链相继并购了数十家企业，特别是随着近几年3D打印关注度的提升，公司并购的步伐不断加快。2011年，公司相继收购定制化零部件制造商Quickparts和多色喷墨3D打印领域领导者Z Corporation。2013年8月，公司宣布收购英国的CRDM公司，后者专门从事航空航天、赛车运动、医疗设备行业的快速原型和快速模具服务，这一措施帮助公司站稳了英国市场。
同年，公司有相继收购了专门利用3D打印技术制作甜品的The Sugar Lab公司、3D打印陶瓷技术的领先供应商 Figulo公司以及施乐公司旗下位于威尔逊维尔，俄勒冈的产品设计、工程、化学组。2014年，公司并购达到巅峰，相继收购了俄克拉荷马州的姊妹公司American Precision Prototyping和American PrecisionMachining、Medical Modeling公司、美国先进制造产品开发和工程服务商Laser Reproductions、拉美最大的 3D打印服务商Robtec、仿真手术设备巨头Simbionix公司、比利时的直接金属3D打印和制造服务供应商Layer Wise公司以及CAD/CAM软件厂商Cimatron公司。为加强在中国的业务开展，2015年3D Systems收购中国无锡易维及其全资子公司，并创建3D Systems中国。
公司收入增速放缓，净利润转正为负，出现亏损。2014年，公司实现营收6.54亿美元，同比增长27.3%，增速放缓，实现净利润1164万美元，同比降低73.6%。2015年上半年，公司营收同比增速进一步放缓至10.7%，而净利润为-2688万美元，出现亏损。
SLA型3D打印设备：ProX 950
ProX 950是3D Systems公司生产的生产级3D打印机，ProX 950的成型尺寸为1500x750x550mm，零件最大重量为150kg，相比之前的3D打印机，ProX 950的速度更快，它摆脱了注塑制造或者CNC的设计限制，采用新的PloyRay技术，其打印速度可以达到其他3D打印机的10倍。制作出全尺寸的仪表盘仅需2天。
ProX 950材料利用率较高，所有未使用的材料均保留在系统内，材料选择广泛，可满足从类丙烯腈丁二烯苯乙烯的韧性到类聚碳酸脂的透明度等一系列零件属性。
SLA具有加工速度快、成型精度高、表面质量好、技术成熟等优点，在设计概念、单件小批量精密铸造、产品模型和模具等方面，被广泛应用于航空航天、汽车、消费品、电器以及医疗等领域。
3D打印的海尔空调
就目前来看，光固化成型（SLA）技术未来将向高速化、节能环保、微型化方向发展，随着加工精度的不断提高，SLA将在生物、医药、微电子等方面得到更广泛的应用。
光敏树脂材料打印的物体
基于光固化成型技术（SLA）的3D打印机耗材一般为液态光敏树脂，比如光敏环氧树脂、光敏乙烯醚、光敏丙烯树脂等。光敏树脂是一类在紫外线照射下借助光敏剂的作用能发生聚合并交联固化的树脂，由光敏剂和树脂组成。
数字光处理技术（DLP）
DLP是3D打印成型技术的一种，被称为数字光处理快速成型技术，DLP技术跟SLA有很多相似之处，其工作原理也是利用液态光敏聚合物在光照下固化的特征。DLP技术使用一种较高分辨率的数字光处理器（DLP）来固化液态聚合物，逐层对液态聚合物进行固化，如此循环往复，直到最终模型完成。DLP成型技术一般采用光敏树脂作为打印材料。
DLP技术工作原理
DLP和SLA同属于光聚合成型，两者最大的差别在于照射的光源：SLA采用激光点聚焦到液态光聚合物，而DLP成型技术是先把影像信号经过数字处理，然后再把光投影出来固化光聚合物。
在成型时，SLA一般是由点到线、再由线到面，而DLP则是一层一层地成型。因此，DLP成型的速度要比SLA快，由于造价高，基于DLP技术的3D打印机价格要比FDM机型高，甚至比SLA机型高。
DLP技术的优缺点
目前，生产研究DLP技术的企业较多，其中最具代表性的是德国的envision TEC，随着 DLP技术的不断成熟，我国多家企业也相继推出自主研发的DLP 3D打印机产品，如珠海西通、宁波智造科技等。
德国3D打印企业Envision TEC
Envision Tec是去全球领先的数字光处理（DLP）技术3D打印机制造商，成立于2002年，总部位于德国。自2002年以来，已有6000多台Envision Tec的系统在全球使用。另据全球知名3D打印研究机构Wohlers Associates统计，2014年，在工业级3D打印机领域Envision Tec市场份额为10%，排名第三，仅次于Stratasys和3D Systems。
2014年工业级3D打印设备全球销售份额（按公司）
DLP技术优势明显、操作简便，使得Envision产品在很多领域得到广泛的应用。在助听器市场，公司产品的全球市场占有率超过60%；在珠宝行业，公司perfactory系列产品的全球市场占有率超过50%。
Envision TEC生产的3SP技术3D打印机
envision TEC公司的3D-Bioplotter技术3D打印机
在3D打印技术方面，envision TEC除拥有DLP技术外，还相继开发了3SP（Scan, Spin, and Selectively Photocure）技术和3D-Bioplotter技术。其中，3SP技术在打印精度、速度以及逼真度方面占据优势；而3D-Bioplotter技术则是公司最新开发的一种适用于生物打印和生物工程制造的3D打印技术。
随着DLP技术的不断成熟，我国多家企业也相继推出自主研发的DLP 3D打印机产品，如智维股份、宁波智造科技等。下面以智维股份的MoonRay 3D打印机为例。
智维股份MoonRay 3D打印机
MoonRay 3D打印机成型空间为127x81x220mm；x、y轴的精度为0.10mm，z轴的精度为0.02mm；打印速度为每小时25.0mm。
DLP技术具有打印速度快、成型精度高、打印物体表面光滑等优点，同时，具有机型造价高、打印成本贵的缺点，因此主要被应用于对精度和表面光洁度要求高但对成本相对不敏感的领域，如珠宝首饰、生物医疗、文化创意、航空航天、建筑工程、高端制造。
基于DLP技术的珠宝加工
基于数字化光处理技术（DLP）的3D打印机耗材与SLA类似，一般也为液态光敏树脂。光敏树脂是一类在紫外线照射下借助光敏剂的作用能发生聚合并交联固化的树脂，由光敏剂和树脂组成。
聚合物喷射（PolyJet，PJ）
聚合物喷射（PolyJet）技术由以色列Objet公司在2000年初推出的专利技术。PolyJet技术是目前3D打印技术中最为先进的技术之一，其成型原理与3DP相似，只是喷射材料不是粘合剂而是聚合物。
聚合物喷射（PolyJet）工作原理图
聚合物喷射（PolyJet）技术的成型原理也是光敏树脂在紫外光照射下固化。具体打印过程是：
（1）喷头沿X/Y轴方向运动，光敏树脂喷射在工作台上，同时 UV紫外光灯沿着喷头运动方向发射紫外光对工作台上的光敏树脂进行固化，完成一层打印。
（2）之后工作台沿Z轴下降一个层厚，装置重复上述过程，完成下一层的打印。
（3）重复前述过程，直至工件打印完成。
（4）去除支撑结构。
聚合物喷射（PolyJet）技术是一种强大的增材制造方法，能够制作出光滑、精准的原型、部件和工具。可达可达16μm的层分辨率和高达0.1mm的精度使其能够使用范围极广的材料制作出薄壁和复杂的几何形状。
| 聚合物喷射（PolyJet）技术的优缺点 | PolyJet技术的优点 | 打印质量、精度高。高达16μm的层分辨率和0.1mm的精度，可确保获得光滑、精准部件和模型。 |
| 清洁，适合于办公室环境。PolyJet技术采用非接触树脂载入/卸载，支撑材料清除和喷头更换都很容易。 | ||
| 打印速度快。得益于全宽度上的高速光栅构建，可实现快速的流程，可同时构建多个项目，并且无需二次固化。 | ||
| 用途广。由于打印材料品种多样，可适用于不同几何形状、机械性能及颜色的部件。此外，所有类型的模型均使用相同的支持材料，因此可快速便捷地变换材料 | ||
| PolyJet技术的缺点 | 需要支撑结构。 | |
| 耗材成本相对较高。尽管与SLA一样均使用光敏树脂作为耗材，但价格比SLA的高。 | ||
| 成型件强度较低。由于材料是树脂，成型后的工件强度、耐久性都不是太高。 |
聚合物喷射（PolyJet）技术的优缺点
聚合物喷射（PolyJet，PJ）技术代表企业：Stratasys
Stratasys公司是一家全球领先的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的名称，市场份额约为54.7%（2014年末）。Stratasys现有员工2800多人，总部分别设在美国明尼苏达州Minneapolis和以色列Rehovot.Stratasys Inc的创始人Scott Crump是FDM（熔融沉积成型）技术的发明者。
Stratasys的历史就是一部3D打印发展史
Stratasys公司在全球拥有600多项增材制造专利，主要的专利技术包括FDM、Polyjet和WDM（蜡沉积成型），Stratasys靠FDM技术起家，拥有FDM专利和相应产品，通过与Objet合并，引入其Polyjet相关技术，充实了工业级产品线。2013年6月，Stratasys收购了主打桌面级3D打印市场的厂商MakerBot，进一步扩充了桌面级产品线。通过并购，Stratasys巩固了自身的行业地位，与另一行业巨头3D Systems分庭抗礼。
装机量是考量3D打印行业公司的一个重要标准。2004至2012（合并前），Stratasys Inc和Objet的装机量都经历了快速增长，CAGR分别为29%和47%。
截止2015年第一季度，旗下所有品牌累计售出12.9万台打印机，在行业内排名第一。由于3D打印机的使用过程中需要用到耗材，而耗材的利润率高于3D打印硬件，因此装机量是Stratasys的一大优势，相比装机量低的公司，Stratasys未来业绩增长更有保障。
2014年，Stratasys收入7.5亿美元，净利润-1.2亿美元。2015第一季度亏损达2.2亿美元，盈利状况不容乐观。其中一个重要的原因是2013年收购的MakerBot增长远不及预期，截至目前已累计造成3亿美元的资产减值，约为当初收购价的73%。Stratasys目前市值14.7亿美元，较2014年9月的历史最高已缩水78.3%。截至8月14日，公司卖空股数占流通股数比例为25.7%，较2014年9月底的10.8%大幅提高，一定程度上反映了投资者情绪的变化。
PolyJet型3D打印设备：Objet 1000 Plus工业级3D打印机
Objet 1000 Plus工业级3D打印机是目前世界上最大型的多材料3D打印机，配备从全比例原型到精密小零件的全封装托盘。该机打印尺寸可达1000x800x500mm，可进行1:1打印，同时，该机直接根据CAD数据制造多材料零件，大部分时间都在无人值守的情况下运行。
与之前的系统相比，它的打印速度提高了40%，较其他PolyJet系统其单件打印成本最低。Objet 1000 Plus可进行多材料打印，最大程度减少后期处理需求。Objet 1000 Plus单次最多可打印14种材料，进而避免了刚性材料难以钻削和装配的问题。同时，打印出的工件无需进行上漆、抛光或涂橡胶等处理，支撑材料可轻松处理。
PolyJet 3D打印技术具有快速加工和原型制造的诸多优势。甚至能快速、高精度地生成具有卓越的精致细节、表面平滑的最终用途零件。基于诸多优势，PolyJet技术应用广泛，在航空航天、汽车、建筑、军工、商业品、消费品、医疗等行业具有很好的应用前景。
聚合物喷射（PolyJet）技术打印的零件
PolyJet 3D打印技术使用的光敏聚合物多达数百种，从橡胶到刚性材料，从透明材料到不透明材料，从无色彩料到彩色材料，从标准等级材料到生物相容性材料，以及用于在牙科和医学行业进行3D打印的专用光敏树脂。
三种光聚合成型类3D打印技术基本原理都是利用液态光敏聚合物（树脂）在光照射下固化的特征，只是使用的光源不同，其中，SLA使用的光源为紫外激光束，DLP使用的光源为数字光处理器，PolyJet使用的光源为紫外光。此外，三种技术使用的耗材均为光敏聚合物（树脂）。（数据来源：华融证券）
光聚合成型技术
我们可以想象一下这样的场景：一个有牙齿疾病的患者，走进医院，只见医生拿着仪器在病人口腔内照一下，一颗完整的牙齿就留在了病人口腔内，而且其形状、功能跟真正的牙齿无异。到底什么技术这般神奇？其实这是3D打印技术之一的光固化技术的杰作，当牙医为病人补牙的时候，先用光敏树脂当成填充物，然后用UV光照射填充物将其硬化，完成补牙的动作。那么，究竟什么是光固化技术呢？今天我们将从技术原理和实际应用的角度来做一下具体解析。
光与影的魅力 3D打印之光聚合成型技术
3D打印（3DP），学名“增材制造”（AM）或“快速成型”（RPM），是在计算机控制下，以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造实际产品的技术，打印过程主要包括：三维建模、模型切片和逐层打印。
3D打印技术从诞生至今，已发展30余年，目前处于多种技术路线共存的状态。根据所用耗材形态和成型原理的差异，目前主流的3D打印技术大致分为挤出熔融成型和成型原理的差异，目前主流的3D打印技术大致分为挤出熔融成型、粒状物料成型、光聚合成型等三种类型。每种类型按照成型技术的不同，又演化出多种种类，其中，熔融层积（FDM）属于挤出成型类，粒状物料成型又包括直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔融（EBM）、选择性激光烧结（SLS）、选择性热烧结（SHS）、选择性激光融化成型（SLM），光聚合成型技术则包括光固化成型（SLA）、数字光处理（DLP）、聚合物喷射（PI）。
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