3D打印的概念起源于19世纪末的美国,其发展跨越了3个世纪,被称是为“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。3D打印是科技融合体模型中最新的高"维度"的体现之一,曾凭借其广泛的应用渠道迎来国内热潮,许多网友认为3D打印是伴随着21世纪科技发展兴起的一项技术,但实际上3D打印的发展已历经百年。
3D扫描技术的初想——多照相机实体雕塑
1859年,法国雕塑家François Willème以自己站立的位置为中心,每隔15°放置一台照相机,形成360°的圆后在同一时间进行拍摄得到不同角度的影像,通过绘制出24个不同角度的轮廓,得到了自己的三维图像 ,并将其取名为照相雕刻(Photosculpture)。
3D实物制作的启发——地形图模型
1892年,Joseph Blanther在多个蜡板上印压地形等高线,并切割蜡板后层层堆叠得到了地形图模型。如今看来,早在19世纪,人们就已经通过不同想法来创造获取三维数据的方法。
3D打印技术多维度构想
1935年,Morioka开发了一种照片雕塑和地形学结合的技术,使用结构光来创建物体的轮廓线,将其显影成片材并且被切割和堆叠。1940年,Perera通过在硬纸片上切割等高线,堆叠粘贴得到了一个完整的三维地图模型。1964年,Zang在此基础上将硬纸板换成了方便标记数据的透明版。1972年,Matsubara首次提出可以尝试使用光固化材料,以这种方式形成的许多薄片随后堆叠在一起以形成铸模。1974年,DiMatteo意识到这种堆叠技术能够用于生产传统加工制造零件的模具成型,将其应用到实际当中,这种加工工艺与19世纪3D打印的早期工作有明显的相似性。
3D打印技术初步发展
1977年,Swainson提出可以通过激光选择性照射光敏聚合物的方法直接制造立体模型,并开展了相关的研究工作。1979年中川威雄(Takeo Nakagawa)教授发明了叠层模型造型法,使用层压技术生产实际工具,并提到了注塑模具中复杂冷却通道的可能性。1981年,名古屋市工业研究所的Hideo Kodama发明了利用光固化聚合物的三维模型增材制造方法。同年,Ross F.Housholder注册了类似于激光烧结(SLS)的专利,利用三维软件程序创建3D模型,将数据发送到打印设备实现3D打印。
3D打印技术快速发展:3D Systems公司成立
1982年,美国人查尔斯·胡尔(Chuck.Hull)试图将光学技术应用于快速成型领域,并于第二年发布了世界上第一台3D打印机。1984年,胡尔发明了SLA立体平板印刷技术(Stereo Lithography Appearance),其工作原理是用光来催化光敏树脂后成型,后人将胡尔称作“3D打印之父”。1986年,胡尔成立了世界上第一家生产3D打印设备的公司——3D Systems,采用基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的技术,被称为“立体光刻”。后该公司研发了著名的STL文件格式,将CAD模型进行三角化处理,STL文件格式成为CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准之一。
3D打印技术快速发展:Stratasys公司成立
1988年,美国人斯科特·克鲁普(Scott Crump)发明了FDM熔融沉积成型技术(Fused Deposition Modeling)其工作原理是将丝材在喷头中被加热到温度略高于其熔点,通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。1989年,斯科特·克鲁普创立了Stratasys公司,并于1992年推出了第一台基于FDM技术的3D工业级打印机——3d造型者(3D Modeler),FDM技术步入了商用阶段。
3D产业趋近成熟
1988年,在美国加州大学洛杉矶分校做访问学者的颜永年回国后,建立了清华大学激光快速成形中心,成为中国快速成型技术的先驱。1989年,Carl Deckard发明了选择性激光烧结技术(SLS)。1992年,美国DTM公司推出了首台选择性激光烧结(SLS)打印机。1995年,德国一家激光技术研究所推出了SLM技术;美国Z Corporation公司开始开发基于3DP技术的打印机。1995年,西安交通大学卢秉恒教授发布了中国第一台3D打印样机。1996年,国际上成立较早进入3D打印技术领域的公司各自推出了新一代的快速成型设备。同年,各种3D打印新技术被开发:LENS激光净成型技术、DMD直接金属沉积、DLF直接激光成型、LRF激光快速成形等技术的出现实现了人们对于3D打印技术的持续创新。1998年,日本的AUTOSTRADE发布了全球第一台商业化个人用的桌面型立体光固化成型机,同时,该机也是全球首台下照实式立体光固化成型机。1999年,3D打印技术首次被用于医学方面,将实验室生长的膀胱成功移植到患者体内。
在20世纪,3D打印技术在历经了快速发展后其应用渠道逐渐横向扩展,日趋成熟的3D打印技术的背后是人类凝聚智慧及努力创造的成果,也为21世纪3D打印技术市场的发展提供了良好的铺垫。
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