南极熊专题:高速光固化3D打印技术及公司分析报告

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一、背景


凭证南极熊的视察,3D打印机打印速度慢一贯是被行业和客户诟病的一大问题,带来的直接事实就是制造效率低,时间成本高,很难用于批量生产。若是3D打印机的速度能够展现指数级的提高,那么对3D打印行业和各应用行业是推翻性的。

虽然全球3D打印机厂商都在朝着这个倾向打破,然则2015年,美国Carbon公司在光固化成型工艺上率先取得打破性进展,其研发出了连续液界面3D打印手艺(CLIP),比传统的3D打印机的打印速度快25-100倍,在世界局限内引起伟大的关注并登录《science》杂志封面。使用这项手艺,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公司在资源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™)手艺

Carbon刚刚推出这项手艺的时候命名为CLIP(Countinuous Liquid Interface Production)连续液面生产,今朝已经更名为DLS(Digital Light Synthesis)数字光处理手艺。

这项手艺的核心是“行使一层透氧膜,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手艺的固化受光激发剂种类、光激发剂浓度、光照强度和照射时间等前提的影响,一般激发剂浓度越高,光强度越高固化速度越快。光的强度会跟着射入物体的深度逐渐降低,只有接近照射面的一小部门会固化的相对平均和彻底,理论上打印的精度完全取决于具有充足能量激活激发剂的光能够穿透多深的树脂。理论上讲,只要提高激发剂浓度和光强就可以加快打印速度,但因为固化回响发生在树脂与透光板的交界面上,过快的回响速度很随意使制件和透光板粘在一路,导致打印失败。
在此前,解决这一问题的体式首如果降低固化速度,在树脂完全固化之前移动底板,使部门固化的树脂与透光板脱离接触,新的低粘度树脂会补充到正本的位置,然后复兴头下一层的固化。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,研究者们经由固化-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浸染,阻止固化回响的发生。氧气和紫外光照的浸染在这个区域内会发生一种互相制衡的究竟:一方面,光照会活化固化剂,而另一方面,氧气又会按捺回响,使得接近底面部门的固化速度变慢(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回响,将树脂固化成型。在传统的SLA手艺中,按捺固化的氧气正本是人们避之不及的存在,然则经由巧妙设计之后,它反而成了提高打印效率的副手,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手艺在打印换层的时候需要拉动尚未完全固化的树脂层,为了不损坏树脂层的组织,每个单层切片都必需保证必然的厚度来维持强度。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,是以自然也更不随意被损坏。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。
这样的体式听起来很简练,不过为了让它顺利工作,研究人员们也进行了相当复杂的角力与调试。经由合适的打印前提和原料液配方把握,困扰3D打印手艺已久的高速连续化打印问题在CLIP手艺中被完全战胜,这是高分子学科工程史上一次融合应用的创举,登上《科学》封面切实当之无愧。


三、Carbon公司的商业化
        
再好的手艺最终也要为客户和市场处事,Carbon公司今朝已经拥有完美的产品解决方案,包括硬件设备、软件、材料系统。
        
今朝Carbon公司的硬件设备包括:L1、M2、M2d、清洗机

 

材料系统包括: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年其发布的一份报价单浮现M2机型房钱为5万美金/年,3年起租,材料代价从99美金~479美金不等。 

 

Carbon公司首要的客户包括: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打印手艺的公司

1、德国EnvisionTEC

德国EnvisionTEC是全球局限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打印手艺。当前供给40多款基于6种不合手艺的打印机,用于凭证数字设计文件打印实物。提高的3D打印机应用局限遍及,适用于医疗、专业和工业市场,可供给卓越的精度、外旅行洁度、功能性和速度。EnvisionTEC的常识产权包括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打印手艺,该手艺非常适用于产品斥地设计的快速验证,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情形下,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。
今朝,EnvisionTEC已经笼盖全球66个国度,发卖3D打印机跨越5000台,员工跨越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光固化手艺的发现人,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。此系统融合了机械人和自动化手艺,生产效率要远高于通俗的树脂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。

 

△将机械人与Figure 4 3D打印机连络,实现高效率生产

 

△生产出的树脂件


Figure 4的制造速度非常快!若是按单个件的制造速度来角力,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。此外一个首要的特点是,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沟通的零件。

 


3、北京清锋时代

清锋时代(清锋科技)是国内对照早从事高速光固化3D打印手艺研发的公司,也是国内当前最受资源追捧的创业项目之一。2017岁尾获得来自北极光创投和元始资源切切级的天使投资,2018年7月清锋科技3D-FAB已完成数5000万元Pre-A轮融资,这轮融资由顺为资源领投,北极光创投、复星国际跟投。2019年,清锋时代获得新的投资。
        
清锋时代的高速打印机手艺被命名为:极速3D打印"LEAP™"手艺(Light Enabled Additive Production Technology),极速3D打印“LEAP™”手艺,相较传统3D打印手艺而言,不需要层层叠加构成三维物件,是经由一种“生长”的体式快速成型。这一手艺基于Bottom-up DLP,最高打印速度可达到120cm/h,且能适用多种不合材料,真正可以实现批量化定制生产。

 

△"LEAP™"手艺事理

 

△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打印经由赋能制鞋厂家,方针在2024年杀青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处事系统,这套处事系统不单能应用在制鞋领域,未来还将应用在医疗、家居、汽车等其他领域。
团队方面,大部门创始成员来自相关手艺研发领域。今朝员工规模70人,个中有60%负责手艺研发,分布在北京、宁波、台北、美国硅谷等地。今朝已申请53项专利,并斩获多项立异创业大奖。创始人姚志锋卒业于清华大学雕塑系,是3D打印手艺的二次创业者,有近10年的手艺寻找和治理经验力。

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,并在荷兰竖立子公司,生意笼盖中国、欧洲、美洲、大洋洲、东南亚等区域。(出口为主)

 

2016年,自立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。今朝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连系创始人介入UNIZ的创立。2017年,UNIZ获得A轮融资4500 万人民币,由德联资源领投,高德地图创始人成从武,以及其他机构跟投。 
        
李厚民本科卒业于清华大学,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、奥本大学的电子与角力机学硕士学位,和高分子学硕士学位。
        
今朝UNIZ设备可打印的材料系统包括: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轴倾向的打印速度并没有Carbon等公司这么快,然则其设备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:每小时输出量跨越1500g。

 

上海普利生以前是一家传统的制造企业,2013年公司起头行使自身在感光行业的手艺优势和感光设备斥地、生产的经验,成功斥地了具有原创性完全常识产权的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,普利生获得数切切元计策投资,世界化工巨头德国BASF领投,世界500强企业沙特底细工业跟投。

今朝普利生将不少精神投入到齿科应用处事方面,也就是3D打印隐形牙套的生产上。此外,普利生作为牵头单元单子承担了科技部《纳米组织增材制造工艺与装备》重点专项。该项目中央财务经费拨款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岁首获得北京金科创投、齐河意谷等合投的600万元天使投资,2019年1月完成A轮两切切融资,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时代与Carbon的CEO是统一个导师,是以塑成也在朝着Carbon的倾向成长,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,深圳光棱科技发布新闻称,已经斥地出了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,此项目比来两年都没有什么音讯了,项目根本被弃置。


 


8、巨室激光
        
2016年12月,上市公司巨室激光(股票代码002008)发布新闻称巨室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)手艺)的3D打印机。但在随后的一贯没见到该设备的展出和报道。此项目也根本弃置。

 

        

9、中科院物构所
2016年2月,中科院福建物构所3D打印工程手艺研发中心林文雄课题组在国内首次打破了可连续打印的三维物体快速成型关键手艺,并斥地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,若是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。

 

该所提出了一种稀奇的半渗透性透亮元件,作为树脂槽内底面的一部门,固定于打印光源的照射路径上。这种半渗透性透亮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。是以氧气或空气均可作为固化按捺剂使用,从而在打印过程中实现全程固化的高速连续性,获得最大打印速度跨越600mm/h,比美国Carbon3D公司发布的连续3D打印设备速度快约20%。

中科院物构所的手艺未见商业化运作。


五、各公司设备参数对比:


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