3D打印技术的起源及发展历程

深山闲士 2023-7-8 641

3D打印 - 3D printing(3DP)即快速成型技术的一种,又称增材制造(Additive Manufacturing,AM) ,或者说是增材制造技术的通俗叫法。它融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术、以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的制造技术。相对于传统的、对原材料去除-切削、组装的加工模式不同,是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法,从无到有。这使得过去受到传统制造方式的约束,而无法实现的复杂结构件制造变为可能。

 

3D打印技术的起源及发展历程

 

近二十年来,3D打印技术取得了快速的发展,“快速原型制造(Rapid Prototyping)”、“三维打印(3D Printing )”、“实体自由制造(Solid Free-form Fabrication) ”、“增材制造(Additive Manufacturing,AM)”之类各异的叫法分别从不同侧面表达了这一技术的特点。

 

3D打印技术是指基于离散-堆积原理,由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式,增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、增材制造等多种称谓,其内涵仍在不断深化,外延也不断扩展,这里所说的“增材制造”与“快速成形”、“快速制造”意义相同。

 

 

3D打印技术的起源
当前,世界上公认的第一台商用3D打印机是美国查克·赫尔(Chuck Hull)先生于1983年发明的SLA(Stereo lithography Appearance - 立体光固化成型技术) 3D打印机,并将它称作立体平版印刷,3D打印技术也由此正式诞生。查克·赫尔先生亦被称为“3D打印技术之父”。

 

3D打印技术的起源及发展历程

 

1983年,查克·赫尔在一家公司工作时突然萌生了3D打印的想法,同年,便发明了SLA(Stereolithography,液态树脂固化或光固化)3D打印技术,查克·赫尔将它称作立体平版印刷,3D打印技术也由此正式诞生。

 

1984年,查克·赫尔申请美国专利。

 

1986年,查克·赫尔获得有史以来第一件结合电脑绘图、固态激光与树脂固化技术的3D打印技术之专利证书(US 4,575,330)。同年,查克·赫尔也在加州成立了业界知名的3D Systems公司,大力推动相关的业务。

 

2014年5月,查克·赫尔进入美国专利商标局的发明家名人堂。 同月,查克·赫尔获得欧洲发明家奖提名。

 

简史

1981–1984:朦胧阶段
日本
3D打印的历史始于1981年,小玉英夫博士申请了快速原型设备的专利。据目前所有报道来看,Kodama博士是有史以来第一位申请专利的人,该专利描述了激光束树脂固化系统。不幸的是,小玉英夫的申请并未通过。由于资金问题,他无法在一年的截止日期之前完成该申请。

 

法国
尽管如此,“快速原型设备”的想法仍在继续发展,我们知道影响这一想法的下一个人(其实是三个人)是让·克洛德·安德烈(Jean-ClaudeAndré),奥利维尔·德·威特(Olivier de Witte)和艾伦·梅奥特(Alain leMéhauté)。

 

早在80年代,艾伦·梅奥特就在阿尔卡特工作,研究分形几何零件。他之所以与同事争论是因为他们认为他的想法“偏离了道路”。尽管如此,他还是决心证明自己,因此开始考虑如何生产这种复杂的零件。艾伦·梅奥特与在阿尔卡特的子公司工作的奥利维尔·德·威特分享了他的问题。

 

在使用激光工作之后,奥利维尔·德·威特了解了可以用激光固化成固体的液态单体。这为构建快速原型设备开辟了道路。两人将这个新想法带给了在法国国家科学研究中心(CNRS)工作的让-克洛德·安德烈。尽管他对这个想法感兴趣,但CNRS最终不同意。除了缺乏理论参考之外,CNRS还声称3D打印技术根本没有足够的应用领域……

 

虽然这三人于1984年申请了专利,但由于没有适当的资金,他们被迫放弃了该项目。

 

 

1984年–1988年:光刻技术的发明
1984年是3D打印的幸运年。查尔斯赫尔在一家台式和家具制造商那里工作,很长时间以来都对制作小型定制零件感到沮丧。因此,他建议将公司的紫外线灯用于另一用途:逐层固化光敏树脂,最终制成零件。幸运的是,查尔斯赫尔得到了自己的小型实验室来从事这一过程。在法国团队申请专利后仅三周,赫尔就申请了他的专利,称其为立体光刻技术。

 

该专利于1986年发布,同年,查尔斯在美国成立了自己的公司:3D Systems。并于1988年发布了第一台商用3D打印产品SLA-1。如今,3D Systems是最大的3D打印公司之一,当然,也是3D打印创新市场的领导者之一。

 

 

1988–1992:创新时代
查尔斯赫尔的立体光刻专利标志着3D打印行业的开始,但是您可能知道,除了SLA之外,还有更多的3D打印技术,现在是时候仔细看看其他技术是什么时候发明的!

 

SLS
1988年,即SLA-1推出的同一年,发明了另一种3D打印技术。这次是选择性激光烧结(SLS),其专利由德克萨斯大学的本科生Carl Deckard申请。Deckard的第一台SLS 3D打印机,被称为Betsy。它只能生产简单的塑料块。但是,由于打印机的主要目的是测试SLS的想法,因此对象详细信息和打印质量并不是最重要的。

 

FDM
同时,在SLS专利正在等待批准的同时,另一项关于增材制造技术的专利已提交给美国政府。这次是用于熔融沉积建模(FDM)。有趣的是,尽管现在FDM是这三种技术中最简单,最常见的一种,但它实际上是在SLA和SLS之后发明的。

 

FDM的专利是由Scott Stramp提交的,Scott Crump是Stratasys的共同创始人,如今已广为人知。这家位于明尼苏达州的公司成立于1989年,是高精度3D打印机的市场领导者之一。

 

1992年,FDM的专利终于授予Stratasys,这标志着该技术迅速发展的开始。在90年代初期,最早采用这项技术的行业之一就是医学。

 

我们可能会认为3D打印是一种相对较新的技术,但是现在您知道这三种技术都是80年代发明的。

 

LCD

LCD掩膜技术从2013年就开始研制。可以搜到最早的创客用普通电脑LCD显示器去掉背光板,加上405的LED灯珠做背光,试着打印uv树脂。

第一个商业用的LCD掩膜3D打印机要追溯到ibox nano,2014年的一个较为成功的kick starter众筹项目。
iBox Nano 是:
世界上最小的树脂打印机
世界上最实惠的树脂打印机
世界上唯一的电池供电(可选)树脂打印机
世界上第一台生产基于 LCD 的 UV 树脂打印机
世界上最安静的 3D 打印机
世界上最轻的 3D 打印机

 

 

3D行业标志性大记事

1860年,法国人FranoisWillème首次设计出一种多角度成像的方法获取物体的三维图像。这种技术叫做照相雕塑(Photosculpture),将24台照相机围成360度的圆同时进行拍摄,然后用与切割机相连接的比例绘图仪绘制模型。

 

1892年,JosephBlanther发明了用蜡板层叠的方法制作等高线地形图的技术。通过在一系列蜡板上压印地形等高线,然后切割蜡板,将其层层堆叠之后,进行平滑处理。

 

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。

 

1984年美国人查尔斯·胡尔(Charles W.Hull)发明了SLA(Stereo Lithography Appearance),即立体平板印刷技术。原理:用光来催化光敏树脂,然后成型。后人把胡尔称为“3D打印技术之父”。

 

1986年美国Helisys公司的工程师Michael Feygin研发出LOM(Laminated Object Manufacturing),即分层实体制造技术。同年,胡尔成立了3D Systems公司,研发了STL文件格式。将CAD模型进行三角化处理,成为CAD/CAM系统接口文件格式的工业标准之一。

 

1988年美国人斯科特克伦普(Scott Crump)发明了FDM,即熔融沉积成型技术(Fused Deposition Modeling)。原理:利用高温把材料熔化后再喷出来重新凝固成型。他在第二年(1989年)成立了Stratasys公司。

 

1989年美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Dechard发明了SLS(Selective Laser Sintering),即选择性激光烧结技术。原理:利用高强度激光将材料粉末烧结,直至成型。同年,美国Stratasys、德国EOS公司成立。

 

1991年,Helisys公司售出了第一台分层实体制造(LOM)系统。

 

1992年,Stratasys公司售出了首批基于FDM的“三维建模”机器。同年,DTM公司售出了第一台SLS系统。

 

1993年麻省理工学院教授Emanual Saches发明了3DP(Three-Dimensional Printing),即三维印刷技术。麻省理工学院两年后把这项技术授权给Z Corporation进行商业应用,后来开发出彩色3D打印机。

 

1996年,3DSystems公司推出“Actua2100”快速成型机。同年Stratasys公司推出“Genisys”,Z公司推出“Z402”,第一次使用了“3D打印机”的称谓。

1997年,EOS公司将三维立体系统业务出售给3D Systems公司,但其仍然是欧洲最大的生产商。

 

2005年,Z公司推出“SpectrumZ510”。这是市场上第一台高精度彩色3D打印机。

 

2007年英国巴斯大学的机械工程高级讲师AdrianBowyer博士在开源3D打印机项目RepRap中,成功开发出世界首台可自我复制的3D打印机,代号达尔文(Darwin)。由于是开源的技术,更多人参与改进,此项技术不断进化,3D打印机开始进入普通人的生活。

 

2008年以色列Objet Geometries公司推出其革命性的Connex500快速成型系统,它是有史以来第一台能够同时使用几种不同的打印原料的3D打印机,开创了混合材料打印的先河。

 

2011年荷兰医生给一名83岁老妪安装了一块用3D打印技术打印出来的金属下颌骨,这是全球首例此类型的手术。金属3D打印的下颌骨标志着3D打印移植物开始进入临床应用。同年,世界上第一架由3D打印的无人驾驶飞机试飞成功。

 

2012年英国《经济学人》发表专题文章,称3D打印将是第三次工业革命。这篇文章引发了人们对3D打印的重新认识,3D打印开始在社会普通大众中传播开来。同年,苏格兰专家首次用3D打印技术打印出人造肝脏组织。

 

2013年美国前总统奥巴马发表国情咨文演讲强调3D打印的重要性;第一届Inside 3D大会召开;耐克公司设计出第一款3D打印运动鞋;美国Solid Concepts公司设计制造出全球首支3D打印金属枪;3D Systems公司完成对法国3D打印企业Phenix Systems公司的收购;SLA关键专利到期。

 

2014年Stratasys完成对MakerBot的收购。HP发布MJF技术。全球首款3D打印的笔记本电脑Pi-Top开始预售。

 

2014年ibox nano 发布了世界上第一台生产基于 LCD 的 UV 树脂打印机,并成功在kick starter众筹。

 

2015年3D Systems收购无锡易维,创建3D Systems中国;佳能、理光、东芝、欧特克、微软和苹果纷纷涉足3D打印市场;惠普公布了其开发的多射流熔融(MJF)3D打印技术;Materialise开始为空客A340 XWB飞机供应3D打印部件。全球首座3D打印的模块新材料别墅在中国西安搭建完成。

 

2016年,GE收购两大3D打印巨头Concept Laser和Arcam;以色列XJet发布纳米颗粒喷射成型金属打印设备;哈佛大学研发出3D打印肾小管;Carbon推首款基于CLIP技术的3D打印机;医疗行业巨头强生与Carbon合作进军3D打印手术器械市场;研究公司CONTEXT宣布3D打印机的全球出货量为21万台。知名生物3D打印Organovo公司 3D打印肾单元正式商业化。

 

2017年,美国爱达荷国家实验室用混合3D打印技术来生产先进的核燃料。

 

2018年 嫦娥四号中继星发射成功,中国实现3D打印在轨应用。国产金属FDM打印机及材料研发获得突破性进步。美国将3D打印列入出口管制技术,中国战略性扶持。空客3D打印出世界首个自加强机身壁板。

 

2019年,科学家使用患者的细胞3D打印一颗微型的活体心脏。用激光烹饪食品,哥伦比亚大学开发食品3D打印机。科学家用3D打印人造脊髓为神经“搭桥” 让脊髓受损大鼠再度行走。3D打印凉亭亮相河南郑州。3D打印赵州桥现身河北工业大学。

 

2020年,德国Urwahn通过3D打印技术来制作电动自行车。中美成功验证多种太空3D打印技术。投资超1亿元人民币的宝马增材制造中心正式开业。以色列理工学院学生制作的3D打印飞机完成首次试飞。光固化3D打印获突破:国产4800万像素数字光场芯片,为我国首款工业数字光场芯片,同时创全球同类型芯片单芯片最高分辨率。

 

2021年,国内首款行走式建筑3D打印机器人亮相。中国首座3D打印的伸缩桥亮相上海。德国首个全自动3D打印住宅竣工。乌克兰科学院研发出电子束3D打印设备。大阪大学研制出世界首款3d打印和牛肉。

 

......

- THE END -

深山闲士

2023年7月8日 00:16:41

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