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3D打印技术光聚合成型分析报告

2015年3D打印技术光聚合成型分析报告

2015年12月

目录

一、光聚合成型类3D打印技术路线概述5

1、3D打印技术路线概述5

2、光聚合成型类3D打印技术概述7

二、光固化成型技术（SLA）7

1、SLA工作原理8

2、SLA优缺点9

3、主要厂商及设备情况9

（1）代表企业：

3DSystems10

（2）SLA型3D打印设备：

3DSystemsProX95012

4、SLA应用13

5、SLA打印材料14

三、数字光处理技术（DLP）15

1、DLP工作原理15

2、DLP优缺点16

3、主要厂商及设备情况16

（1）代表企业：

envisionTEC16

（2）DLP型3D打印设备：

MoonRay3D打印机18

4、DLP应用19

5、DLP打印材料19

四、聚合物喷射（PolyJet，PJ）20

1、PolyJet工作原理20

2、PolyJet优缺点21

3、主要厂商及设备情况22

（1）代表企业：

Stratasys22

（2）PolyJet型3D打印设备：

Objet1000Plus工业级3D打印机24

4、PolyJet应用25

5、PolyJet打印材料26

五、结论与展望26

六、风险因素27

三种光聚合成型类技术原理相似，在产品性能、应用范围等存在差异。

光固化成型、数字光处理以及聚合物喷射同属于光聚合成型3D打印技术，原理类似，但由于使用的光源以及具体工艺的差异，导致在打印速度、精度、光洁度等方面各有优劣，在应用方面也是各有侧重。

光固化成型技术（SLA）：

主要利用液态光敏树脂在紫外激光束照射下会快速固化的特性。

优点：

工艺成熟度高/加工速度快、无需切削工具与模具/成型精度高/表面质量好。

缺点：

SLA系统造价高昂/工作环境要求苛刻,需密闭和避光/成型件强度、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。

应用行业：

航天军工、汽车、消费品、电器及医疗等。

代表企业：

3DSystems。

数字光处理技术（DLP）：

主要利用液态光敏树脂在数字光照射下会快速固化的特性。

优点：

打印速度快，甚至比SLA都快/打印精度高/打印分别率高，物体表面光滑。

缺点：

机型造价高/所用的液态树脂材料较贵,容易造成材料浪费/使用时需密闭。

应用行业：

珠宝首饰、生物医疗、文化创意、航空航天、建筑工程、高端制造等。

代表企业：

EnvisionTEC。

聚合物喷射技术（PolyJet）：

主要利用液态光敏树脂在紫外光照射下会快速固化的特性。

优点：

打印质量、精度高/清洁，适合于办公室环境/打印速度快/用途广。

缺点：

需要支撑结构/耗材成本相对较高/成型件强度较低。

应用行业：

航空航天、汽车、建筑、军工、商业品、消费品、医疗等。

代表企业：

Objet（2012年与Stratasys合并）。

一、光聚合成型类3D打印技术路线概述

1、3D打印技术路线概述

3D打印（3DPrinting,3DP）又称为增材制造（AdditiveManufacturing,AM）或快速原型制造（RapidPrototypingManufacturing,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、逐层打印。

3D打印技术从诞生至今30余年，目前处于多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打印技术大致可分为挤出熔融成型、粒状物料成型、光聚合成型等三种类型。

每个类型按成型技术的不同，又演化出多个种类。

其中，熔融层积（FDM）属于挤出熔融成型类，粒状物料成型类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）、选择性激光熔化成型（SLM），光聚合成型类则包括光固化成型（SLA）、数字光处理（DLP）、聚合物喷射（PI）。

随着技术发展和市场需求不断提高，基于典型3D打印技术衍生出了一些新的技术，比如石膏3D打印（PP）、分层实体制造（LOM）、三维打印（3DP）、电子束自由成型制造（EBF）、激光净形制造（LENS）等。

按打印耗材种类的不同，3D打印技术又可分为非金属3D打印技术和金属3D打印技术。

其中，FDM、SLA、DLP、3DP等属于非金属3D打印技术；SLM、DMLS、EBM等属于金属材料3D打印技术。

2、光聚合成型类3D打印技术概述

光聚合成型类3D打印技术是一类利用光敏材料在光照射下固化成型的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3DSystems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envisionTEC公司基于数字光处理（DLP）投影仪技术的基础上开发DLP3D打印技术；其三则是由以色列Objet公司（2012年与Stratasys合并）开发的聚合物喷射技术（PolyJet）。

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、应用领域及耗材等几个方面对三种技术进行详细论述。

二、光固化成型技术（SLA）

光固化成型（StereoLithographyAppearance，SLA）技术是由CharlesHull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又叫“立体光固化成型法”或“激光光固化”。

1986年，CharlesHull成立3DSystems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SLA3D打印机——SLA250，并将其商业化。

经过多年发展，3DSystems公司已成为全球最大的3D打印设备提供商。

1、SLA工作原理

SLA主要利用液态光敏树脂在紫外激光束照射下会快速固化的特性。

具体工作原理：

①在树脂槽中盛满液态光敏树脂，可升降工作台处于液面下一个截面层厚的高度，聚焦后的激光束，在计算机控制下，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；②升降工作台下降一个层厚距离，液体树脂再次暴露在光线下，再次扫描固化，如此重复，直到整个产品成型；③升降台升出液体树脂表面，取出工件，进行相关后处理。

2、SLA优缺点

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主要优点：

（1）是最早出现的快速原型制造工艺，成熟度高。

（2）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。

（3）成型精度高（在0.1mm左右）、表面质量好。

SLA主要缺点：

（1）SLA系统造价高昂，使用和维护成本相对过高。

（2）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。

（3）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。

（4）软件系统操作复杂，入门困难。

（5）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。

3、主要厂商及设备情况

国内外研究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3DSystems、Formlabs等。

其中，3DSystems在SLA技术领域起步最早，所生产的机型也代表了该领域最先进的技术。

（1）代表企业：

3DSystems

3DSystems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CharlesW.Hull成立3DSystems，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%。

3DSystems技术实力强劲。

通过自主研发、收购兼并等方式，公司相继实现了立体光固化成型（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MedicalModeling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。

3DSystems的历史是一部3D打印全产业链并购史。

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，公司并购步伐加快。

2011年，公司相继收购定制化零部件制造服务商Quickparts和多色喷墨3D打印领域领导者ZCorporation。

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。

此举将帮助公司站稳英国市场。

同年，公司又相继收购了专门用3D打印技术制作甜品的TheSugarLab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AmericanPrecisionPrototyping和AmericanPrecisionMachining、MedicalModeling公司、美国先进制造产品开发和工程服务商LaserReproductions、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LayerWise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3DSystems收购中国无锡易维及其全资子公司，并创建3DSystems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%，而净利润则为-2688万美元，出现亏损。

（2）SLA型3D打印设备：

3DSystemsProX950

3DSystems生产的ProX950属生产级3D打印机，相比之前的3D打印机，其可以更快速的制造出精细的塑料零件，同时摆脱了注塑制造或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。

具体性能如下：

（1）成型最大尺寸1500×750×550mm，零件最大重量为150kg。

（2）采用新的PloyRay技术，打印精度可达到或超过注塑成型的精度，可与CNC匹敌。

（3）速度可达到其他3D打印机的10倍，只需两天即可制造出全尺寸仪表盘。

（4）材料利用率高，所有未使用的材料均保留在系统内。

（5）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。

4、SLA应用

SLA由于具有加工速度快、成型精度高、表面质量好，技术成熟等优点，在概念设计、单件小批量精密铸造、产品模型及模具等方面被广泛应用于航空、汽车、消费品、电器及医疗等领域。

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。

5、SLA打印材料

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