3D打印编年史

2017-08-14作者:郭少豪, 吕振, 编编辑:谢爽

如果从历史的角度回顾3D打印的发展历程,则最早可以追溯到19世纪末,由于受到两次工业革命的刺激,18至19世纪欧美国家的商品经济得到了飞速的发展,产品生产技术的革新是一个永恒的话题,为了满足科研探索和产品设计的需求,快速成型技术从这一时期已经开始萌芽,如Willeme光刻实验室也在这个阶段开展了商业的探索,可惜受到技术限制没能获得很大的成功。


快速成型技术在商业上获得真正意义的发展是从20世纪80年代末开始的,在此期间也涌现过几波3D打印的技术浪潮,但总体上看3D打印技术仍保持着稳健的发展。2007年开源的桌面级3D打印设备发布,此后新一轮的3D打印浪潮开始酝酿。2012年4月,英国著名的经济学杂志《The Economist》一篇关于第三次工业革命的封面文章全面掀起了新一轮的3D打印浪潮,下面笔者将以编年史的形式为大家简述3D打印技术的发展历程。


1892年,Blanther首次在公开场合提出使用层叠成型方法制作地形图的构想。


1940年,Perera提出了与Blanther不谋而合的设想,他提出可以沿等高线轮廓切割硬纸板然后层叠成型制作三维地形图的方法。


1972年,Matsubara在纸板层叠技术的基础上首先提出可以尝试使用光固化材料,光敏聚合树脂涂在耐火的颗粒上面,然后这些颗粒将被填充到叠层,加热后会生成与叠层对应的板层,光线有选择地投射到这个板层上将指定部分硬化,没有扫描的部分将会使用化学溶剂溶解掉,这样板层将会不断堆积直到最后形成一个立体模型,这样的方法适用于制作传统工艺难以加工的曲面。


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,与此同时,Battelle实验室的Schwerzel也开展了类似的研究工作。


1979年,日本东京大学的Nakagawa教授开始使用薄膜技术制作出实用的工具,例如落料模、注塑模和成型模。


1981年,Hideo Kodama首次提出了一套功能感光聚合物快速成型系统的设计方案。1982年,Charles W.Hull试图将光学技术应用于快速成型领域。


1986年,Charles W.Hull成立了3D Systems公司,研发了著名的STL文件格式,STL格式逐渐成为CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准。


1988年,3D Systems公司推出了世界上第一台基于SLA技术的商用3D打印机SLA-250(如图1-1所示),其体积非常大,Charles把它称为“立体平板印刷机”。尽管SLA-250身形巨大且价格昂贵,但它的面世标志着3D打印商业化的起步。同年,Scott Crump发明了另一种3D打印技术,即熔融沉积快速成型技术(Fused Deposition Modeling,FDM),并成立了Stratasys公司。


1989年,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard发明了选择性激光烧结工艺(Selective Laser Sintering,SLS),SLS技术应用广泛并支持多种材料成型,例如尼龙、蜡、陶瓷,甚至是金属,SLS技术的发明让3D打印生产走向多元化。


1992年,Stratasys公司推出了第一台基于FDM技术的3D打印机——“3D造型者”(3D Modeler),这标志着FDM技术步入了商用阶段。


1993年,美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授发明了三维印刷技术(ThreeDimension Printing,3DP),3DP技术通过胶粘剂把金属、陶瓷等粉末粘合成型。


1995年,快速成型技术被列为我国未来十年十大模具工业发展方向之一,国内的自然科学学科发展战略调研报告也将快速成型与制造技术、自由造型系统,以及计算机集成系统研究列为重点研究领域之一。


图1-1 Charles W.Hull与世界上第一台SLA商用3D打印机SLA-250 本图片来自 3D Systems


1996年,3D Systems、Stratasys、Z Corporation各自推出了新一代的快速成型设备Actua 2100、Genisys和Z402,此后快速成型技术便有了更加通俗的称谓——“3D打印”。


1999年,3D Systems推出了SLA 7000,要价80万美元。


2002年,Stratasys公司推出Dimension系列桌面级3D打印机(如图1-2所示),Dimension系列价格相对低廉,主要也是基于FDM技术以ABS塑料作为成型材料。


2005年,Z Corporation公司推出世界上第一台高精度彩色3D打印机Spectrum Z510,让3D打印进入了彩色时代。


2007年,3D打印服务创业公司Shapeways正式成立,Shapeways公司建立起了一个规模庞大的3D打印设计在线交易平台,为用户提供个性化的3D打印服务,深化了社会化制造模式(Social Manufacturing)。


2008年,第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布,RepRap是英国巴恩大学Adrian Bowyer团队立项于2005年的开源3D打印机研究项目,得益于开源硬件的进步与欧美实验室团队的无私贡献,桌面级的开源3D打印机为新一轮的3D打印浪潮翻起了暗涌。


2009年,Bre Pettis带领团队创立了著名的桌面级3D打印机公司——Makerbot(如图1-3所示),Makerbot的设备主要基于早期的RepRap开源项目,但对RepRap的机械结构进行了重新设计,发展至今已经历几代的升级,在成型精度、打印尺寸等指标上都有长足的进步。


图1-2 Dimension系列桌面级3D打印机


图1-3 Maker团队 本图片来自 www.makerbotcom


Makerbot承接了RepRap项目的开源精神,其早期产品同样是以开源的方式发布,在互联网上能非常方便地找到Makerbot早期项目所有的工程材料,Makerbot也出售设备的组装套件,此后国内的厂商便以这些材料为基础开始了仿造工作,国内的桌面级3D打印机市场也由此打开。


2012年,英国著名的经济学杂志《The Economist》一篇关于第三次工业革命的封面文章全面掀起了新一轮的3D打印浪潮。


同年9月,3D打印的两个领先企业Stratasys和以色列的Objet宣布进行合并,交易额为14亿美元,合并后的公司名仍为Stratasys。此项合并进一步确立了Stratasys在高速发展的3D打印及数字制造业中的领导地位。


10月,来自MIT Media Lab的团队成立Formlabs公司,并发布了世界上第一台廉价的高精度SLA消费级桌面3D打印机Fom1,从而引起了业界的重视(如图1-4所示)。此后在著名众筹网站Kickstarter上发布的3D打印项目呈现百花齐放的盛况,国内的生产商也开始了基于SLA技术的桌面级3D打印机研发。


同期,国内由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等权威科研机构和3D行业领先企业共同发起的中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立。国内关于3D打印的门户网站、论坛、博客如雨后春笋般涌现出来,各大报刊、网媒、电台、电视台也争相报道关于3D打印的新闻。


图1-4 Formlabs公司推出的Form1桌面级3D打印机


2013年,《环球科学》,即《科学美国人》(Scientific American)的中文版,在最新的一月刊中邀请科学家,经过数轮讨论评选出了2012年最值得铭记、对人类社会影响最为深远的十大新闻,其中3D打印位列第九。


内容来源:书问

作者郭少豪、吕振
出版清华大学出版社
定价48元
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