南極熊專題：高速光固化3D打印技術(shù)及公司分析報(bào)告

一、背景

根據(jù)南極熊的觀察，3D打印機(jī)打印速度慢一直是被行業(yè)和客戶詬病的一大問(wèn)題，帶來(lái)的直接結(jié)果就是制造效率低，時(shí)間成本高，很難用于批量生產(chǎn)。如果3D打印機(jī)的速度能夠出現(xiàn)指數(shù)級(jí)的提高，那么對(duì)3D打印行業(yè)和各應(yīng)用行業(yè)是顛覆性的。

雖然全球3D打印機(jī)廠商都在朝著這個(gè)方向突破，但是2015年，美國(guó)Carbon公司在光固化成型工藝上率先取得突破性進(jìn)展，其研發(fā)出了連續(xù)液界面3D打印技術(shù)（CLIP），比傳統(tǒng)的3D打印機(jī)的打印速度快25-100倍，在世界范圍內(nèi)引起巨大的關(guān)注并登錄《science》雜志封面。使用這項(xiàng)技術(shù)，物體可以在幾分鐘之內(nèi)打印完成，而不再需要幾個(gè)小時(shí)。

隨后Carbon公司在資本市場(chǎng)受到極大的認(rèn)可，2019年6月完成E輪融資2.6億美金，估值則達(dá)到了24億美元。

二、Digital Light Synthesis? (DLS?)技術(shù)

Carbon剛剛推出這項(xiàng)技術(shù)的時(shí)候命名為CLIP（Countinuous Liquid Interface Production）連續(xù)液面生產(chǎn)，目前已經(jīng)更名為DLS（Digital Light Synthesis）數(shù)字光處理技術(shù)。

這項(xiàng)技術(shù)的核心是“利用一層透氧膜，隔離光敏樹脂液體和空氣中的氧氣，實(shí)現(xiàn)高速、連續(xù)的3D打印成型”。

傳統(tǒng)SLA技術(shù)的固化受光引發(fā)劑種類、光引發(fā)劑濃度、光照強(qiáng)度和照射時(shí)間等條件的影響，一般引發(fā)劑濃度越高，光強(qiáng)度越高固化速度越快。光的強(qiáng)度會(huì)隨著射入物體的深度逐漸降低，只有靠近照射面的一小部分會(huì)固化的相對(duì)均勻和徹底，理論上打印的精度完全取決于具有足夠能量激活引發(fā)劑的光能夠穿透多深的樹脂。理論上講，只要提高引發(fā)劑濃度和光強(qiáng)就可以加快打印速度，但因?yàn)楣袒�反�?yīng)發(fā)生在樹脂與透光板的交界面上，過(guò)快的反應(yīng)速度很容易使制件和透光板粘在一起，導(dǎo)致打印失敗。

在此前，解決這一問(wèn)題的方法主要是降低固化速度，在樹脂完全固化之前移動(dòng)底板，使部分固化的樹脂與透光板脫離接觸，新的低粘度樹脂會(huì)補(bǔ)充到原來(lái)的位置，然后再開始下一層的固化。但這樣一來(lái)，打印速度就無(wú)法有效提高了。
　　
而在新的CLIP系統(tǒng)中，研究者們通過(guò)固化-阻聚效應(yīng)的平衡巧妙地解決了這個(gè)問(wèn)題。CLIP底面的透光板采用了透氧、透紫外光的特氟龍材料（聚四氟乙烯），而透過(guò)的氧氣進(jìn)入到樹脂液體中可以起到阻聚劑的作用，阻止固化反應(yīng)的發(fā)生。氧氣和紫外光照的作用在這個(gè)區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一種相互制衡的效果：一方面，光照會(huì)活化固化劑，而另一方面，氧氣又會(huì)抑制反應(yīng)，使得靠近底面部分的固化速度變慢（也就是所謂的“dead zone”）。當(dāng)制件離開這個(gè)區(qū)域后，脫離氧氣制約的材料可以迅速地發(fā)生反應(yīng)，將樹脂固化成型。在傳統(tǒng)的SLA技術(shù)中，抑制固化的氧氣本來(lái)是人們避之不及的存在，但是經(jīng)過(guò)巧妙設(shè)計(jì)之后，它反而成了提高打印效率的幫手，這也算是一種相當(dāng)戲劇性的逆轉(zhuǎn)。
　　
除了快，CLIP系統(tǒng)也提高了3D打印的精度，而這一點(diǎn)的關(guān)鍵還也在“死區(qū)”上。傳統(tǒng)的SLA技術(shù)在打印換層的時(shí)候需要拉動(dòng)尚未完全固化的樹脂層，為了不破壞樹脂層的結(jié)構(gòu)，每個(gè)單層切片都必須保證一定的厚度來(lái)維持強(qiáng)度。而CLIP的固化層下面接觸的是液態(tài)的“死區(qū)”，不需要擔(dān)心它與透光板粘連，因此自然也更不容易被破壞。于是，樹脂層就可以被切得更薄，更高精度的打印也就能夠?qū)崿F(xiàn)了。
這樣的方法聽起來(lái)很簡(jiǎn)單，不過(guò)為了讓它順利工作，研究人員們也進(jìn)行了相當(dāng)復(fù)雜的計(jì)算與調(diào)試。通過(guò)合適的打印條件和原料液配方控制，困擾3D打印技術(shù)已久的高速連續(xù)化打印問(wèn)題在CLIP技術(shù)中被完全克服，這是高分子學(xué)科工程史上一次融合應(yīng)用的創(chuàng)舉，登上《科學(xué)》封面確實(shí)當(dāng)之無(wú)愧。

三、Carbon公司的商業(yè)化
        
再好的技術(shù)最終也要為客戶和市場(chǎng)服務(wù)，Carbon公司目前已經(jīng)擁有完善的產(chǎn)品解決方案，包括硬件設(shè)備、軟件、材料體系。
        
目前Carbon公司的硬件設(shè)備包括：L1、M2、M2d、清洗機(jī)

材料體系包括：EPX：環(huán)氧樹脂、MPU：醫(yī)用聚氨酯、EPU：彈性聚氨酯、假牙材料、Dreve FotoDent?間接粘合托盤（IBT）、Dreve FotoDent?托盤、Dreve FotoDent? gingiva、Whip Mix手術(shù)導(dǎo)板材料、SIL：硅膠、RPU：剛性聚氨酯、FPU：柔性聚氨酯、CE：氰酸酯、UMA：聚氨酯甲基丙烯酸酯、DPR：牙科生產(chǎn)材料。

Carbon的3D打印機(jī)采用租賃模式，2017年其公布的一份報(bào)價(jià)單顯示M2機(jī)型租金為5萬(wàn)美金/年，3年起租，材料價(jià)格從99美金~479美金不等。

Carbon公司主要的客戶包括：阿迪達(dá)斯、NASA、蘭博基尼、福特汽車、路特斯跑車、Ramaco、Riddell、CIDEAS、Sculpteo、The Technology House、WestStar Precision等。

四、其他擁有高速光固化3D打印技術(shù)的公司

1、德國(guó)EnvisionTEC

德國(guó)EnvisionTEC是全球范圍內(nèi)非常專業(yè)的一家光固化3D打印機(jī)廠商，創(chuàng)立于2002年，擁有領(lǐng)先的商業(yè)DLP打印技術(shù)。當(dāng)前提供40多款基于6種不同技術(shù)的打印機(jī)，用于根據(jù)數(shù)字設(shè)計(jì)文件打印實(shí)物。先進(jìn)的3D打印機(jī)應(yīng)用范圍廣泛，適用于醫(yī)療、專業(yè)和工業(yè)市場(chǎng)，可提供卓越的精度、表面光潔度、功能性和速度。EnvisionTEC的知識(shí)產(chǎn)權(quán)包括100多項(xiàng)待決和授權(quán)專利和70種專利材料。其也推出了高速光固化3D打印機(jī)Micro Plus cDLM。

cDLM（Continuous Digital Light Manufacturing，意為連續(xù)數(shù)字光制造）是德國(guó)EnvisionTEC公司的專利3D打印技術(shù)，該技術(shù)非常適用于產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的快速驗(yàn)證，打印整盤模型可在15-30分鐘內(nèi)完成， 非常適用于設(shè)計(jì)工作室、院校、珠寶門店以及相關(guān)珠寶領(lǐng)域需要在極短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)模型的環(huán)境下，打印品質(zhì)不會(huì)因?yàn)樗俣瓤於鴣G失。

Micro Plus cDLM的3D打印速度為Z軸每英寸10~20分鐘，其最大3D打印尺寸為45.4×28.5×75毫米。
目前，EnvisionTEC已經(jīng)覆蓋全球66個(gè)國(guó)家，銷售3D打印機(jī)超過(guò)5000臺(tái)，員工超過(guò)200人。EnvisionTEC有多款材料在中國(guó)拿到了CFDA認(rèn)證，可以用于醫(yī)療行業(yè)。

2、美國(guó)3D Systems

3D Systems是SLA光固化技術(shù)的發(fā)明人，全球SLA的龍頭公司，2016年， 3D Systems展示了其革命性的大規(guī)模高速樹脂3D打印系統(tǒng)Figure 4。此系統(tǒng)融合了機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)，生產(chǎn)效率要遠(yuǎn)高于普通的樹脂3D打印系統(tǒng)（速度快50倍），甚至能與傳統(tǒng)的注塑工藝一較高下。

△將機(jī)器人與Figure 4 3D打印機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高效率生產(chǎn)

△生產(chǎn)出的樹脂件

Figure 4的制造速度非�？�！如果按單個(gè)件的制造速度來(lái)計(jì)算，注塑的平均速度為6秒/個(gè)，而這套3D Systems的系統(tǒng)可以達(dá)到7秒/個(gè)，速度幾乎可以與注塑相媲美。另外一個(gè)重要的特點(diǎn)是，這套系統(tǒng)同時(shí)制造的所有零件都是個(gè)性的，上面的螺紋都不一樣，而不像模具只能制造完全相同的零件。

3、北京清鋒時(shí)代

清鋒時(shí)代（清鋒科技）是國(guó)內(nèi)比較早從事高速光固化3D打印技術(shù)研發(fā)的公司，也是國(guó)內(nèi)當(dāng)前最受資本追捧的創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目之一。2017年底獲得來(lái)自北極光創(chuàng)投和元始資本千萬(wàn)級(jí)的天使投資，2018年7月清鋒科技3D-FAB已完成數(shù)5000萬(wàn)元Pre-A輪融資，這輪融資由順為資本領(lǐng)投，北極光創(chuàng)投、復(fù)星國(guó)際跟投。
        
清鋒時(shí)代的高速打印機(jī)技術(shù)被命名為：極速3D打印"LEAP?"技術(shù)（Light Enabled Additive Production Technology），極速3D打印“LEAP?”技術(shù)，相較傳統(tǒng)3D打印技術(shù)而言，不需要層層疊加構(gòu)成三維物件，是通過(guò)一種“生長(zhǎng)”的方式快速成型。這一技術(shù)基于Bottom-up DLP，最高打印速度可達(dá)到120cm/h，且能適用多種不同材料，真正可以實(shí)現(xiàn)批量化定制生產(chǎn)。

△"LEAP?"技術(shù)原理

△清鋒時(shí)代的3D打印機(jī)

△清鋒時(shí)代3D打印的運(yùn)動(dòng)鞋底

在商業(yè)模式方面，極速3D打印通過(guò)賦能制鞋廠家，目標(biāo)在2024年達(dá)成5000萬(wàn)雙定制化鞋底的產(chǎn)能。同時(shí)，將整合一整套可標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)制的生產(chǎn)服務(wù)體系，這套服務(wù)體系不僅能應(yīng)用在制鞋領(lǐng)域，未來(lái)還將應(yīng)用在醫(yī)療、家居、汽車等其他領(lǐng)域。
團(tuán)隊(duì)方面，大部分創(chuàng)始成員來(lái)自相關(guān)技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域。目前員工規(guī)模70人，其中有60%負(fù)責(zé)技術(shù)研發(fā)，分布在北京、寧波、臺(tái)北、美國(guó)硅谷等地。目前已申請(qǐng)53項(xiàng)專利，并斬獲多項(xiàng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大獎(jiǎng)。創(chuàng)始人姚志鋒畢業(yè)于清華大學(xué)雕塑系，是3D打印技術(shù)的二次創(chuàng)業(yè)者，有近10年的技術(shù)探求和管理經(jīng)驗(yàn)力。

4、北京金達(dá)雷（UNIZ）

UNIZ由李厚民創(chuàng)立于美國(guó)加州，2012年在北京設(shè)立公司，先后在深圳、廣西投資建廠，并在荷蘭建立子公司，業(yè)務(wù)覆蓋中國(guó)、歐洲、美洲、大洋洲、東南亞等地區(qū)。（出口為主）

2016年，自主研發(fā)的專業(yè)級(jí)超高速光固化3D打印機(jī)SLASH系列在眾籌平臺(tái)Kickstarter上線，獲得57萬(wàn)美元預(yù)售訂單。目前UNIZ有6款光固化3D打印機(jī)，均為L(zhǎng)CD光源的設(shè)備。

UNIZ在CES 2019大會(huì)上，推出了其最新的，速度達(dá)到1200毫米/小時(shí)的高精度3D打印機(jī)系列 - SLASH 2和SLASH 2J。

△UNIZ的高速LCD光固化3D打印機(jī)

        
2015年，UNIZ獲得數(shù)百萬(wàn)美元天使投資，天使投資人成從武一度作為聯(lián)合創(chuàng)始人參與UNIZ的創(chuàng)立。2017年，UNIZ獲得A輪融資4500 萬(wàn)人民幣，由德聯(lián)資本領(lǐng)投，高德地圖創(chuàng)始人成從武，以及其他機(jī)構(gòu)跟投。
        
李厚民本科畢業(yè)于清華大學(xué)，在美國(guó)奧本大學(xué)攻讀高分子專業(yè)博士。在此之前，他已經(jīng)拿到美國(guó)南加州大學(xué)材料學(xué)碩士學(xué)位、奧本大學(xué)的電子與計(jì)算機(jī)學(xué)碩士學(xué)位，和高分子學(xué)碩士學(xué)位。
        
目前UNIZ設(shè)備可打印的材料體系包括：zDental Model沙黃樹脂、zABS Amber樹脂、zENG Amber樹脂、zWax Purple、zSG Amber、zUDP ORANGE、zABS-GRAY、zABS-GREEN、zABS-IVORY、zABS-WHITE、zOrtho GRAY、zPMMA CLEAR、zUDP GRAY、zWAX AMBER

5、上海普利生
        
上海普利生的LCD光固化設(shè)備，在Z軸方向的打印速度并沒(méi)有Carbon等公司這么快，但是其設(shè)備X、Y軸的成型面積大，所以可以一次打印更多的部件。普利生?銳打600具備超大面陣曝光：成型尺寸可達(dá)580*325*580mm，具有強(qiáng)大的輸出效率：每小時(shí)輸出量超過(guò)1500g。

上海普利生以前是一家傳統(tǒng)的制造企業(yè)，2013年公司開始利用自身在感光行業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和感光設(shè)備開發(fā)、生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，成功開發(fā)了具有原創(chuàng)性完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Prismlab Rapid系列SMS工藝（LCD光源）的3D快速成型設(shè)備和配套光固化樹脂，具有成型速度快、精度高、尺寸大的特點(diǎn)，已具備批量生產(chǎn)的能力。

普利生的早期投資者是上海曼恒（VR領(lǐng)域的新三板掛牌公司），2018年11月，普利生獲得數(shù)千萬(wàn)元戰(zhàn)略投資，世界化工巨頭德國(guó)BASF領(lǐng)投，世界500強(qiáng)企業(yè)沙特基礎(chǔ)工業(yè)跟投。

目前普利生將不少精力投入到齒科應(yīng)用服務(wù)方面，也就是3D打印隱形牙套的生產(chǎn)上。另外，普利生作為牽頭單位承擔(dān)了科技部《納米結(jié)構(gòu)增材制造工藝與裝備》重點(diǎn)專項(xiàng)。該項(xiàng)目中央財(cái)政經(jīng)費(fèi)撥款1739萬(wàn)元，項(xiàng)目實(shí)施周期為3年。

6、塑成科技

塑成科技最早是一家光敏樹脂材料研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)，2018年初獲得北京金科創(chuàng)投、齊河意谷等合投的600萬(wàn)元天使投資，2019年1月完成A輪兩千萬(wàn)融資，投資方為某國(guó)資背景基金。

塑成的創(chuàng)始人博爾金海倫讀博士期間與Carbon的CEO是同一個(gè)導(dǎo)師，因此塑成也在朝著Carbon的方向發(fā)展，2018年也推出高速的光固化3D打印機(jī)，并在運(yùn)動(dòng)鞋方面與必邁體育合作試樣。

△塑成的高速光固化3D打印機(jī)

△塑成科技與必邁體育 Pace X 系列跑鞋

7、深圳光棱科技
2017年1月，深圳光棱科技發(fā)布消息稱，已經(jīng)開發(fā)出了CLIP 高速3D打印機(jī)�？梢栽�10分鐘內(nèi)打印一個(gè)鏤空球，深圳光棱科技實(shí)為新三板掛牌公司深圳極光爾沃的全資子公司。不過(guò)，此項(xiàng)目最近兩年都沒(méi)有什么音訊了，項(xiàng)目基本被擱置。

8、大族激光
        
2016年12月，上市公司大族激光（股票代碼002008）發(fā)布消息稱大族激光研發(fā)出國(guó)內(nèi)首臺(tái)可以從光敏樹脂中快速生長(zhǎng)出產(chǎn)品（連續(xù)液界面制造（CLIP）技術(shù)）的3D打印機(jī)。但在隨后的一直沒(méi)見到該設(shè)備的展出和報(bào)道。此項(xiàng)目也基本擱置。

        


9、中科院物構(gòu)所

2016年2月，中科院福建物構(gòu)所3D打印工程技術(shù)研發(fā)中心林文雄課題組在國(guó)內(nèi)首次突破了可連續(xù)打印的三維物體快速成型關(guān)鍵技術(shù)，并開發(fā)出了一款連續(xù)打印的DLP 3D打印機(jī)。該3D打印機(jī)可在6分鐘內(nèi)，從樹脂槽中“拉”出一個(gè)高度為60mm的3D物件，即達(dá)到了每分鐘長(zhǎng)高1厘米的速度。同樣的物件，如果采用傳統(tǒng)的立體光固化成型工藝(SLA)來(lái)打印則需要約10個(gè)小時(shí)，也就是速度提高了100倍。

該所提出了一種特殊的半滲透性透明元件，作為樹脂槽內(nèi)底面的一部分，固定于打印光源的照射路徑上。這種半滲透性透明元件對(duì)氧氣的透過(guò)率比一般高分子聚合物高，最高可達(dá)到5-10倍。因此氧氣或空氣均可作為固化抑制劑使用，從而在打印過(guò)程中實(shí)現(xiàn)全程固化的高速連續(xù)性，獲得最大打印速度超過(guò)600mm/h，比美國(guó)Carbon3D公司發(fā)布的連續(xù)3D打印設(shè)備速度快約20%。

中科院物構(gòu)所的技術(shù)未見商業(yè)化運(yùn)作。

五、各公司設(shè)備參數(shù)對(duì)比：