南极熊专题：高速光固化3D打印技术及公司分析报告

一、背景

根据南极熊的观察，3D打印机打印速度慢一直是被行业和客户诟病的一大问题，带来的直接结果就是制造效率低，时间成本高，很难用于批量生产。如果3D打印机的速度能够出现指数级的提高，那么对3D打印行业和各应用行业是颠覆性的。

虽然全球3D打印机厂商都在朝着这个方向突破，但是2015年，美国Carbon公司在光固化成型工艺上率先取得突破性进展，其研发出了连续液界面3D打印技术（CLIP），比传统的3D打印机的打印速度快25-100倍，在世界范围内引起巨大的关注并登录《science》杂志封面。使用这项技术，物体可以在几分钟之内打印完成，而不再需要几个小时。

随后Carbon公司在资本市场受到极大的认可，2019年6月完成E轮融资2.6亿美金，估值则达到了24亿美元。

二、Digital Light Synthesis? (DLS?)技术

Carbon刚刚推出这项技术的时候命名为CLIP（Countinuous Liquid Interface Production）连续液面生产，目前已经更名为DLS（Digital Light Synthesis）数字光处理技术。

这项技术的核心是“利用一层透氧膜，隔离光敏树脂液体和空气中的氧气，实现高速、连续的3D打印成型”。

传统SLA技术的固化受光引发剂种类、光引发剂浓度、光照强度和照射时间等条件的影响，一般引发剂浓度越高，光强度越高固化速度越快。光的强度会随着射入物体的深度逐渐降低，只有靠近照射面的一小部分会固化的相对均匀和彻底，理论上打印的精度完全取决于具有足够能量激活引发剂的光能够穿透多深的树脂。理论上讲，只要提高引发剂浓度和光强就可以加快打印速度，但因为固化反应发生在树脂与透光板的交界面上，过快的反应速度很容易使制件和透光板粘在一起，导致打印失败。

在此前，解决这一问题的方法主要是降低固化速度，在树脂完全固化之前移动底板，使部分固化的树脂与透光板脱离接触，新的低粘度树脂会补充到原来的位置，然后再开始下一层的固化。但这样一来，打印速度就无法有效提高了。
　　
而在新的CLIP系统中，研究者们通过固化-阻聚效应的平衡巧妙地解决了这个问题。CLIP底面的透光板采用了透氧、透紫外光的特氟龙材料（聚四氟乙烯），而透过的氧气进入到树脂液体中可以起到阻聚剂的作用，阻止固化反应的发生。氧气和紫外光照的作用在这个区域内会产生一种相互制衡的效果：一方面，光照会活化固化剂，而另一方面，氧气又会抑制反应，使得靠近底面部分的固化速度变慢（也就是所谓的“dead zone”）。当制件离开这个区域后，脱离氧气制约的材料可以迅速地发生反应，将树脂固化成型。在传统的SLA技术中，抑制固化的氧气本来是人们避之不及的存在，但是经过巧妙设计之后，它反而成了提高打印效率的帮手，这也算是一种相当戏剧性的逆转。
　　
除了快，CLIP系统也提高了3D打印的精度，而这一点的关键还也在“死区”上。传统的SLA技术在打印换层的时候需要拉动尚未完全固化的树脂层，为了不破坏树脂层的结构，每个单层切片都必须保证一定的厚度来维持强度。而CLIP的固化层下面接触的是液态的“死区”，不需要担心它与透光板粘连，因此自然也更不容易被破坏。于是，树脂层就可以被切得更薄，更高精度的打印也就能够实现了。
这样的方法听起来很简单，不过为了让它顺利工作，研究人员们也进行了相当复杂的计算与调试。通过合适的打印条件和原料液配方控制，困扰3D打印技术已久的高速连续化打印问题在CLIP技术中被完全克服，这是高分子学科工程史上一次融合应用的创举，登上《科学》封面确实当之无愧。

三、Carbon公司的商业化
        
再好的技术最终也要为客户和市场服务，Carbon公司目前已经拥有完善的产品解决方案，包括硬件设备、软件、材料体系。
        
目前Carbon公司的硬件设备包括：L1、M2、M2d、清洗机

材料体系包括：EPX：环氧树脂、MPU：医用聚氨酯、EPU：弹性聚氨酯、假牙材料、Dreve FotoDent?间接粘合托盘（IBT）、Dreve FotoDent?托盘、Dreve FotoDent? gingiva、Whip Mix手术导板材料、SIL：硅胶、RPU：刚性聚氨酯、FPU：柔性聚氨酯、CE：氰酸酯、UMA：聚氨酯甲基丙烯酸酯、DPR：牙科生产材料。

Carbon的3D打印机采用租赁模式，2017年其公布的一份报价单显示M2机型租金为5万美金/年，3年起租，材料价格从99美金~479美金不等。

Carbon公司主要的客户包括：阿迪达斯、NASA、兰博基尼、福特汽车、路特斯跑车、Ramaco、Riddell、CIDEAS、Sculpteo、The Technology House、WestStar Precision等。

四、其他拥有高速光固化3D打印技术的公司

1、德国EnvisionTEC

德国EnvisionTEC是全球范围内非常专业的一家光固化3D打印机厂商，创立于2002年，拥有领先的商业DLP打印技术。当前提供40多款基于6种不同技术的打印机，用于根据数字设计文件打印实物。先进的3D打印机应用范围广泛，适用于医疗、专业和工业市场，可提供卓越的精度、表面光洁度、功能性和速度。EnvisionTEC的知识产权包括100多项待决和授权专利和70种专利材料。其也推出了高速光固化3D打印机Micro Plus cDLM。

cDLM（Continuous Digital Light Manufacturing，意为连续数字光制造）是德国EnvisionTEC公司的专利3D打印技术，该技术非常适用于产品开发设计的快速验证，打印整盘模型可在15-30分钟内完成， 非常适用于设计工作室、院校、珠宝门店以及相关珠宝领域需要在极短时间内完成设计模型的环境下，打印品质不会因为速度快而丢失。

Micro Plus cDLM的3D打印速度为Z轴每英寸10~20分钟，其最大3D打印尺寸为45.4×28.5×75毫米。
目前，EnvisionTEC已经覆盖全球66个国家，销售3D打印机超过5000台，员工超过200人。EnvisionTEC有多款材料在中国拿到了CFDA认证，可以用于医疗行业。

2、美国3D Systems

3D Systems是SLA光固化技术的发明人，全球SLA的龙头公司，2016年， 3D Systems展示了其革命性的大规模高速树脂3D打印系统Figure 4。此系统融合了机器人和自动化技术，生产效率要远高于普通的树脂3D打印系统（速度快50倍），甚至能与传统的注塑工艺一较高下。

△将机器人与Figure 4 3D打印机结合，实现高效率生产

△生产出的树脂件

Figure 4的制造速度非常快！如果按单个件的制造速度来计算，注塑的平均速度为6秒/个，而这套3D Systems的系统可以达到7秒/个，速度几乎可以与注塑相媲美。另外一个重要的特点是，这套系统同时制造的所有零件都是个性的，上面的螺纹都不一样，而不像模具只能制造完全相同的零件。

3、北京清锋时代

清锋时代（清锋科技）是国内比较早从事高速光固化3D打印技术研发的公司，也是国内当前最受资本追捧的创业项目之一。2017年底获得来自北极光创投和元始资本千万级的天使投资，2018年7月清锋科技3D-FAB已完成数5000万元Pre-A轮融资，这轮融资由顺为资本领投，北极光创投、复星国际跟投。
        
清锋时代的高速打印机技术被命名为：极速3D打印"LEAP?"技术（Light Enabled Additive Production Technology），极速3D打印“LEAP?”技术，相较传统3D打印技术而言，不需要层层叠加构成三维物件，是通过一种“生长”的方式快速成型。这一技术基于Bottom-up DLP，最高打印速度可达到120cm/h，且能适用多种不同材料，真正可以实现批量化定制生产。

△"LEAP?"技术原理

△清锋时代的3D打印机

△清锋时代3D打印的运动鞋底

在商业模式方面，极速3D打印通过赋能制鞋厂家，目标在2024年达成5000万双定制化鞋底的产能。同时，将整合一整套可标准化复制的生产服务体系，这套服务体系不仅能应用在制鞋领域，未来还将应用在医疗、家居、汽车等其他领域。
团队方面，大部分创始成员来自相关技术研发领域。目前员工规模70人，其中有60%负责技术研发，分布在北京、宁波、台北、美国硅谷等地。目前已申请53项专利，并斩获多项创新创业大奖。创始人姚志锋毕业于清华大学雕塑系，是3D打印技术的二次创业者，有近10年的技术探求和管理经验力。

4、北京金达雷（UNIZ）

UNIZ由李厚民创立于美国加州，2012年在北京设立公司，先后在深圳、广西投资建厂，并在荷兰建立子公司，业务覆盖中国、欧洲、美洲、大洋洲、东南亚等地区。（出口为主）

2016年，自主研发的专业级超高速光固化3D打印机SLASH系列在众筹平台Kickstarter上线，获得57万美元预售订单。目前UNIZ有6款光固化3D打印机，均为LCD光源的设备。

UNIZ在CES 2019大会上，推出了其最新的，速度达到1200毫米/小时的高精度3D打印机系列 - SLASH 2和SLASH 2J。

△UNIZ的高速LCD光固化3D打印机

        
2015年，UNIZ获得数百万美元天使投资，天使投资人成从武一度作为联合创始人参与UNIZ的创立。2017年，UNIZ获得A轮融资4500 万人民币，由德联资本领投，高德地图创始人成从武，以及其他机构跟投。
        
李厚民本科毕业于清华大学，在美国奥本大学攻读高分子专业博士。在此之前，他已经拿到美国南加州大学材料学硕士学位、奥本大学的电子与计算机学硕士学位，和高分子学硕士学位。
        
目前UNIZ设备可打印的材料体系包括：zDental Model沙黄树脂、zABS Amber树脂、zENG Amber树脂、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光固化设备，在Z轴方向的打印速度并没有Carbon等公司这么快，但是其设备X、Y轴的成型面积大，所以可以一次打印更多的部件。普利生?锐打600具备超大面阵曝光：成型尺寸可达580*325*580mm，具有强大的输出效率：每小时输出量超过1500g。

上海普利生以前是一家传统的制造企业，2013年公司开始利用自身在感光行业的技术优势和感光设备开发、生产的经验，成功开发了具有原创性完全知识产权的Prismlab Rapid系列SMS工艺（LCD光源）的3D快速成型设备和配套光固化树脂，具有成型速度快、精度高、尺寸大的特点，已具备批量生产的能力。

普利生的早期投资者是上海曼恒（VR领域的新三板挂牌公司），2018年11月，普利生获得数千万元战略投资，世界化工巨头德国BASF领投，世界500强企业沙特基础工业跟投。

目前普利生将不少精力投入到齿科应用服务方面，也就是3D打印隐形牙套的生产上。另外，普利生作为牵头单位承担了科技部《纳米结构增材制造工艺与装备》重点专项。该项目中央财政经费拨款1739万元，项目实施周期为3年。

6、塑成科技

塑成科技最早是一家光敏树脂材料研发生产的企业，2018年初获得北京金科创投、齐河意谷等合投的600万元天使投资，2019年1月完成A轮两千万融资，投资方为某国资背景基金。

塑成的创始人博尔金海伦读博士期间与Carbon的CEO是同一个导师，因此塑成也在朝着Carbon的方向发展，2018年也推出高速的光固化3D打印机，并在运动鞋方面与必迈体育合作试样。

△塑成的高速光固化3D打印机

△塑成科技与必迈体育 Pace X 系列跑鞋

7、深圳光棱科技
2017年1月，深圳光棱科技发布消息称，已经开发出了CLIP 高速3D打印机。可以在10分钟内打印一个镂空球，深圳光棱科技实为新三板挂牌公司深圳极光尔沃的全资子公司。不过，此项目最近两年都没有什么音讯了，项目基本被搁置。

8、大族激光
        
2016年12月，上市公司大族激光（股票代码002008）发布消息称大族激光研发出国内首台可以从光敏树脂中快速生长出产品（连续液界面制造（CLIP）技术）的3D打印机。但在随后的一直没见到该设备的展出和报道。此项目也基本搁置。

        


9、中科院物构所

2016年2月，中科院福建物构所3D打印工程技术研发中心林文雄课题组在国内首次突破了可连续打印的三维物体快速成型关键技术，并开发出了一款连续打印的DLP 3D打印机。该3D打印机可在6分钟内，从树脂槽中“拉”出一个高度为60mm的3D物件，即达到了每分钟长高1厘米的速度。同样的物件，如果采用传统的立体光固化成型工艺(SLA)来打印则需要约10个小时，也就是速度提高了100倍。

该所提出了一种特殊的半渗透性透明元件，作为树脂槽内底面的一部分，固定于打印光源的照射路径上。这种半渗透性透明元件对氧气的透过率比一般高分子聚合物高，最高可达到5-10倍。因此氧气或空气均可作为固化抑制剂使用，从而在打印过程中实现全程固化的高速连续性，获得最大打印速度超过600mm/h，比美国Carbon3D公司发布的连续3D打印设备速度快约20%。

中科院物构所的技术未见商业化运作。

五、各公司设备参数对比：