2.1 3D打印的前世

3D打印其實(shí)并不是什么新的技術(shù)，在很多年以前這門技術(shù)就已經(jīng)誕生。從3D打印作為一個(gè)模糊的概念進(jìn)入人類的大腦之日起，到真正成為產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，3D打印至少經(jīng)歷了3個(gè)階段。

2.1.1 概念階段

關(guān)于3D打印概念的成型，還要追溯到19世紀(jì)。從歷史上看，快速成型技術(shù)（3D打印技術(shù)的前身）的核心思想最早起源于19世紀(jì)中期的照相雕塑（Photosculpture）技術(shù)和地貌成形（Topography）技術(shù)。

1860年法國(guó)人Willeme發(fā)明了多照相機(jī)實(shí)體雕塑。

1892年美國(guó)人J. E. Blanther發(fā)明了分層應(yīng)急地貌圖。在他的美國(guó)專利（#473901）中，曾建議用分層制造法構(gòu)成地形圖。這種方法的原理是，將地形圖的輪廓線壓印在一系列的蠟片上，然后按輪廓線切割蠟片，并將其粘結(jié)在一起，熨平表面，從而得到三維地形圖，如圖2-3所示。這種方法可以看成是3D打印技術(shù)的雛形。

1902年，Carlo Baese在他的美國(guó)專利（#774549）中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，這是現(xiàn)代第一種快速成型技術(shù)（Stereo Lithogrphy）的初步設(shè)想，也是3D打印機(jī)中SLA技術(shù)的前身。

2.1.2 發(fā)展階段

在之后的100年內(nèi)，快速成型技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。

1940年，Perera提出與Blanther不謀而合的設(shè)想，他提出可以沿等高線輪廓切割硬紙板，然后將這些紙板粘結(jié)成三維地形圖的方法。20世紀(jì)50年代之后，又延展出了幾百個(gè)有關(guān)的快速成型技術(shù)專利。

1964年，Zang進(jìn)一步細(xì)化了該方法，建議用透明的紙板，且每一塊均帶有詳細(xì)的地貌形態(tài)標(biāo)記。

1972年，Matsubara提出了在上述方法中使用光固化材料，將光敏聚合樹(shù)脂涂到耐火顆粒上（例如石墨粉或砂礫），然后這些耐火顆粒將同沖到疊層中，加熱形成與疊層對(duì)應(yīng)的板層，光線有選擇地投射到這個(gè)板層，將設(shè)定的部分固化，沒(méi)有掃描或者固化的部分被某種溶劑融化，用這種方法形成的薄板層隨后不斷地堆積在一起形成了模型。

1976年P(guān)aul L DiMatteo在他的美國(guó)專利（# 3932923）中進(jìn)一步明確地提出，先用輪廓跟蹤器將三維物體轉(zhuǎn)化成許多二維廓薄片，然后用激光切割這些薄片成型，再用螺釘、銷釘?shù)葘⒁幌盗斜∑B接成三維物體，這些設(shè)想與現(xiàn)代另一種快速成型技術(shù)——“物體分層制造”（LOM，Laminated Object Manufacturing ）的原理極為相似，如圖2-4所示。

2.1.3 誕生階段

雖然3D打印技術(shù)起源很早，但是受限于當(dāng)時(shí)的材料技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)等眾多學(xué)科，因此并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用與商業(yè)化，隨后技術(shù)的正式研究開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，直到20世紀(jì)80年代技術(shù)才得到了實(shí)現(xiàn)，其學(xué)名正式命名為“快速成形”。

20世紀(jì)80年代初，美國(guó)3M公司的Alan J. Herbert、日本名古屋市工業(yè)研究所的小玉秀男、美國(guó)UVP公司的Charles W. Hull、日本大阪工業(yè)技術(shù)研究所的丸谷洋二，4位研究員各自獨(dú)立地提出了快速成型的技術(shù)設(shè)想，實(shí)現(xiàn)的材料和方式各有差異，但都是通過(guò)多層疊加固化來(lái)成型物體。

1984年，移民美國(guó)的俄羅斯工程師Michael Feygin提出了分層實(shí)體制造技術(shù)（即LOM，Laminated Object Manufacturing），利用薄片材料、激光、熱熔膠來(lái)制作物體。并于1985年組建了Helisys公司，在1990年前后開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型LOM-1015，如圖2-5所示。

1986年，美國(guó)工程師Charles W. Hull（3D system公司創(chuàng)始人）發(fā)明的光固化立體成型技術(shù)（SLA，Stereo Lithography Appearance）被授予了專利。該技術(shù)利用紫外激光，對(duì)液態(tài)樹(shù)脂進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使被掃描的樹(shù)脂薄層產(chǎn)生聚合反應(yīng)，由點(diǎn)逐漸形成線，最終形成零件的整體模型。并且推出了第一款工業(yè)化的3D打印設(shè)備SLA-1，如圖2-6所示。

后來(lái)Charles W. Hull成立了3D Systems公司，研發(fā)了著名的STL文件格式，STL格式逐漸成為CAD/CAM系統(tǒng)接口文件格式的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1986年，選擇性激光燒結(jié)（SLS，Selective Laser Sintering）技術(shù)被美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校的C. R. Dechard博士（DTM公司創(chuàng)始人）開(kāi)發(fā)出來(lái)并獲得專利，該技術(shù)利用高強(qiáng)度激光將粉末材料烤結(jié)，直至成型。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于選材范圍廣泛，例如尼龍、臘、ABS、金屬和陶瓷粉末等都可以作為原材料。1992年開(kāi)發(fā)了SLS技術(shù)的商業(yè)成型機(jī)。

1988年，熱熔積成形法（FDM，F(xiàn)used Deposition Modeling）技術(shù)由美國(guó)人S. Scott Crump（Stratasys公司創(chuàng)始人）開(kāi)發(fā)成功，這個(gè)技術(shù)的特點(diǎn)是它能利用蠟、ABS、PC、尼龍等熱塑性材料來(lái)制作物體，具備性能優(yōu)良的特點(diǎn)。并在20世紀(jì)90年代商業(yè)化，1992年開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)機(jī)型3D-Modeler，如圖2-7所示。目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的桌面級(jí)3D打印機(jī)都是基于該技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新、改造的。

1989年，麻省理工大學(xué)教授E. M. Sachs申請(qǐng)了3DP（Three-Dimensional Printing）專利，利用金屬、陶瓷等粉末，通過(guò)黏合劑粘在一起成型。

1995年，麻省理工大學(xué)的畢業(yè)生Jim Bredt和Tim Anderson獲得麻省理工大學(xué)的許可，改進(jìn)了3DP技術(shù)并成立Z Croporation公司。

20世紀(jì)90年代中后期我國(guó)的清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京隆源公司和華中理工大學(xué)等高校與單位率先開(kāi)展了3D打印相關(guān)技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用，這是我國(guó)3D打印的開(kāi)端。

至此，所有主要的3D打印技術(shù)都被研發(fā)完畢，并開(kāi)始投入市場(chǎng)應(yīng)用。3D打印技術(shù)算是真正意義上的誕生了。