4.4 光聚合成型类
4.4.1 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了DLP 3D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。
图4-32 光聚合成型类3D打印技术分类
资料来源：华融证券。
4.4.2 光固化成型技术（SLA）
光固化成型（Stereo Lithography Appearance，SLA）技术是由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。1986年，Charles Hull成立3D Systems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——SLA250，并将其商业化。经过多年发展，3D Systems公司已成为全球最大的3D打印设备提供商。
4.4.2.1 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。
图4-33 SLA工作原理示意
资料来源：华融证券。
4.4.2.2 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，得到较为广泛的应用。
1．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，无须切削工具与模具。
（3）成型精度高（在0.1毫米左右）、表面质量好。
2．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）后处理相对烦琐。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。
4.4.2.3 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3D Systems、Formlabs等。其中，3D Systems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：3D Systems
3D Systems公司是全球领先的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3D Systems公司，并致力将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%。
图4-34 3D Systems公司2014年的收入构成
资料来源：Wind，华融证券。
（1）3D Systems公司技术实力强劲。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。
图4-35 3D Systems发展历程
资料来源：华融证券。
（2）3D Systems公司的历史是一部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。特别是近几年随着3D打印关注度的提升，公司并购的步伐更快了。2011年，公司相继收购定制化零部件制造服务公司Quickparts和多色喷墨3D打印领域领导者Z Corporation公司。2013年8月，公司宣布收购英国的CRDM公司，其专门从事航空航天、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 Precision Machining、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 Sys-tems中国公司。
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。
图4-36 3D systems公司营收增速放缓
资料来源：Wind，华融证券。
图4-37 3D systems公司净利润转正为负，出现亏损
资料来源：Wind，华融证券。
2．SLA型3D打印设备：3D Systems ProX 950
3D Systems生产的ProX 950属生产级3D打印机，相比之前的3D打印机，可以更快速地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。
图4-38 3D Systems ProX 950
资料来源：华融证券。
具体性能如下：
（1）成型最大尺寸：1500毫米×750毫米×550毫米；零件最大质量：150千克。
（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。
4.4.2.4 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。
图4-39 SLA主要应用领域
资料来源：华融证券。
从目前来看，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。
4.4.2.5 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，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。目前，用于SLA技术比较成熟的材料主要有以下四个系列：
（1）Ciba（瑞士）公司生产的CibatoolSL系列。
（2）Dupont（美国）公司生产的SOMOS系列。
（3）Zeneca（英国）公司生产的Stereocol系列。
（4）RPC（瑞士）公司生产的RPCure系列。
4.4.3 数字光处理技术（DLP）
4.4.3.1 DLP工作原理
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技术与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射下固化的特性。DLP技术使用一种较高分辨率的数字光处理器（DLP）来固化液态光聚合物，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。
4.4.3.2 DLP优缺点
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。由于造价较高，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。
1．DLP技术的主要优点
（1）打印速度快，甚至比SLA快。
（2）打印精度高。
（3）打印分别率高，物体表面光滑。
2．DLP技术的主要缺点
（1）机型造价高。
（2）DLP技术所用的液态树脂材料较贵，并且容易造成材料浪费。
（3）DLP技术使用的液态树脂材料具有一定的毒性，使用时需密闭。
4.4.3.3 主要厂商及设备情况
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。
1．代表企业：Envision TEC公司
Envision Tec是全球领先的数字光处理（DLP）技术3D打印机制造公司，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的统计，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。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%。
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。
2．DLP型3D打印设备：珠海西通纳米珠宝专用3D打印机
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。下面以珠海西通DLP纳米珠宝专用3D打印机为例。
图4-40 珠海西通DLP纳米珠宝专用打印机
资料来源：珠海西通官网，华融证券。
以珠海西通DLP纳米珠宝专用打印机为例，其具体性能如下：
（1）成型最大尺寸：90毫米×60毫米×90毫米。
（2）x、y轴的精度：7微米；z轴的精度：7.5微米。
（3）成型面的分辨率：1080×1920。
4.4.3.4 DLP应用
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。
图4-41 DLP技术主要应用领域
资料来源：Envision TEC官网，华融证券。
4.4.3.5 DLP打印材料
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。
4.4.4 聚合物喷射（PolyJet，PJ）
4.4.4.1 PolyJet工作原理
聚合物喷射（PolyJet）技术是由以色列Objet公司在2000年年初推出的专利技术。PolyJet技术是目前3D打印技术中最先进的技术之一，其成型原理与3DP相似，只是喷射材料不是黏合剂而是聚合物。
图4-42 聚合物喷射（PloyJet）技术成型原理
资料来源：中国3D打印网，华融证券。
上图为PolyJet聚合物喷射系统结构。其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。
4.4.4.2 PolyJet优缺点
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。高达16微米的层分辨率和高达0.1毫米的精度使其能够用范围极广的材料制作出薄壁和复杂的几何形状。
1．PolyJet技术的主要优点
（1）打印质量、精度高。高达16微米的层分辨率和0.1毫米的精度，可确保获得光滑、精准部件和模型。
（2）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。
（3）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，并且无须二次固化。
（4）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。
2．PolyJet技术的主要缺点
（1）需要支撑结构。
（2）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。
（3）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。
4.4.4.3 主要厂商及设备情况
1．代表企业：Stratasys公司
Stratasys公司（纳斯达克代码：SSYS）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年年末）。SSYS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。
图4-43 Stratasys公司的发展历程
资料来源：华融证券。
SSYS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 Inc.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，SSYS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（纳斯达克代码：DDD）分庭抗礼。
表4-4 SSYS旗下品牌
资料来源：华融证券。
装机量是考量3D打印行业公司的一个重要标准。2004—2012年（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%。截至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SSYS的一大优势。相比装机量低的公司，SSYS未来业绩增长更有保障。
2014年，SSYS收入7.5亿美元，净利润-1.2亿美元。2015年一季度亏损达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%。SSYS目前市值14.7亿美元，较2014年9月的历史最高值已缩水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。
表4-5 SSYS主要财务指标
资料来源：Wind，华融证券。
2．PolyJet型3D打印设备：Objet 1000 Plus工业级3D打印机
Objet 1000 Plus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型零件的全封装托盘。
图4-44 Stratasys Objet 1000 Plus工业级3D打印机
资料来源：Stratasys官网，华融证券。
Objet 1000 Plus具体性能如下：
（1）高输出量，低成本。Objet 1000 Plus配备1000毫米×800毫米×500毫米的超大构建托盘，可1∶1打印，简化生产流程。同时，该打印机直接根据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。此外，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。
（2）可多材料打印，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，打印出的工件无须进行上漆、抛光或涂橡胶等处理，支撑材料可轻松处理。
4.4.4.4 PolyJet应用
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。
4.4.4.5 PolyJet打印材料
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，从无色材料到彩色材料，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。
图4-45 PolyJet 3D打印技术应用广泛
资料来源：Stratasys官网，华融证券。
图4-46 PolyJet 3D打印有数百种材料（以Stratasys PolyJet材料为例）
资料来源：Stratasys官网，华融证券。
4.4.5 光聚合成型类技术结论与展望
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性，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）。
表4-6 三种光聚合成型类3D打印技术对比分析
资料来源：华融证券。
三种技术虽然原理相近，但由于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。