3D打印的誕生【南極熊連載】

3D打印使得生產(chǎn)單個(gè)物品與批量生產(chǎn)幾乎一樣便宜，這就削弱了規(guī)模經(jīng)濟(jì)。它對(duì)社會(huì)影響的深遠(yuǎn)程度可能同1750年的蒸汽機(jī)，1450年的印刷機(jī)和1950年的晶體管一樣，沒人能輕易預(yù)料。它迅速發(fā)展著，對(duì)每個(gè)相關(guān)領(lǐng)域都產(chǎn)生著巨大的影響。

——《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》，2011年2月10日

很多人以為3D打印是一項(xiàng)現(xiàn)代社會(huì)才誕生的技術(shù)。其實(shí)3D打印技術(shù)的雛形在19世紀(jì)中期就已經(jīng)顯現(xiàn)，那個(gè)時(shí)候被稱為快速成型技術(shù)。早期的快速成型技術(shù)可以追溯到兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：照相雕刻和地形地勢(shì)圖。

1.最早的3D打印技術(shù)：照相雕刻

1859年，就在第十六任美國(guó)總統(tǒng)亞伯拉罕·林肯上任的前一年，法國(guó)巴黎的一位藝術(shù)家威廉·弗朗索瓦（François Willème）（1830-1905）開始研究如何模仿真人來制造雕像，他的方法叫做照相雕刻（Photosculpture）。現(xiàn)在看起來，這種方法非常接近目前3D打印所使用的各種技術(shù)：3D掃描、建立模型、再分層制造。

他面臨的第一個(gè)難點(diǎn)，就是如何收集被拍攝者的三維數(shù)據(jù)。今天我們知道，可以用計(jì)算機(jī)建模CAD軟件，或者用激光掃描設(shè)備來獲取“點(diǎn)云數(shù)據(jù)”（point cloud），從而獲取完整的三維數(shù)據(jù)。而在1859年，獲取三維數(shù)據(jù)是很棘手的。

面對(duì)這個(gè)難題，弗朗索瓦想到了借助攝影術(shù)來獲取目標(biāo)對(duì)象的三維數(shù)據(jù)。這種技術(shù)需要使用一個(gè)圓形平臺(tái)，讓真人真物位于平臺(tái)中心，將24臺(tái)照相機(jī)圍成一個(gè)360度的環(huán)，每?jī)膳_(tái)照相機(jī)相距15度，然后24臺(tái)照相機(jī)同時(shí)進(jìn)行拍攝，獲取不同角度的照片。盡管拍攝成像的分辨率相對(duì)今天來說比較粗糙，但是拍攝出來的相片集已經(jīng)包含了被拍攝者完整的三維數(shù)據(jù)。我們今天的3D掃描技術(shù)，都是通過收集和記錄從物體表面反射的電磁輻射，以便存儲(chǔ)用于三維模型的數(shù)據(jù)。我們現(xiàn)在回過頭來看弗朗索瓦的這項(xiàng)技術(shù)，盡管比較原始，但是其實(shí)與我們現(xiàn)代的主流三維掃描原理并無太大差別。對(duì)于那個(gè)時(shí)代來說，是一項(xiàng)很了不起的發(fā)明。

我們知道3D打印是一個(gè)把材料層層增加、堆疊的過程。為了獲取每一層的信息數(shù)據(jù)，弗朗索瓦把每張拍攝的相片投影到一個(gè)大屏幕中，然后他需要把制造每一層的圖形轉(zhuǎn)換成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的是一個(gè)當(dāng)時(shí)已經(jīng)存在250年的技術(shù)：一個(gè)與切割機(jī)相連接的比例繪圖儀。這也是數(shù)控(numerical control)的前身。人們?cè)诒壤�繪圖儀的一端跟蹤操控每一張相片輪廓，另一端切割木頭薄片，比例繪圖儀能夠改變?cè)�始投影的大小，可以任意放大或縮小。最后把所有的木頭薄片層層堆疊，重疊起來，并由熟練的工匠或藝術(shù)家進(jìn)行整體藝術(shù)加工，一個(gè)活靈活現(xiàn)、頗似真人的三維雕像便完成了。這就是照相雕刻，或者叫光刻工藝（Photosculpture）。從圖中雕塑中我們可以看到，弗朗索瓦的這項(xiàng)技術(shù)盡管比較簡(jiǎn)單，但是已經(jīng)開始顯露出3D打印的雛形。

拿破侖的波蘭夫人瑪麗·瓦萊弗斯卡（de la comtesse Walewska）的雕像

弗朗索瓦的技術(shù)與今天的3D打印十分相似：一，采集目標(biāo)對(duì)象的三維數(shù)據(jù)，并進(jìn)行切片分層；二，利用每一層的切片信息來構(gòu)建真實(shí)的材料層，并層層堆疊直到物體成形。1864年，弗朗索瓦因?yàn)樗�的發(fā)明被授予專利，公開號(hào)US43822A。

2.地貌學(xué)的起源：蠟板層疊的誕生

地圖是我們了解世界的重要方式之一。傳統(tǒng)的二維平面地圖并不能展示更多的人工或自然的地理細(xì)節(jié)，因此早在一百多年前，就有人在探索具有三維結(jié)構(gòu)的地形地勢(shì)圖了。

前奧地利軍官Joseph Blanther于1859年出身于奧地利，當(dāng)他19歲時(shí)，他就成為了奧地利軍隊(duì)的中尉。1878年12月12日，因?yàn)樵趹?zhàn)役中的出色表現(xiàn)，他被皇帝弗朗茨·約瑟夫（Emperor Franz Josef）封為爵士。

1892年，Blanther發(fā)明了用蠟板層疊的方法制作等高線地形圖的技術(shù)并被授予專利。通過在一系列蠟板上壓印地形等高線，然后切割蠟板，將其層層堆疊之后，進(jìn)行平滑處理。這種方法能夠根據(jù)等高線指示，制作具有正負(fù)海拔之分的三維表面。在這些表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋骋r之后，印刷壓制紙張來構(gòu)建地勢(shì)圖。

今天我們的3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠讓普通人在家里制作出任何地方的三維地形圖了，比較有名的有R&DTechnologies，作為全球知名的3D打印企業(yè)Stratasys在新英格蘭的分銷商之一，他們創(chuàng)建了一個(gè)STL文件生成器，可以通過Google地球輸出地形圖的3D數(shù)據(jù)，然后直接打印出來。

我們今天來看Willème開創(chuàng)的照相雕塑以及Blanther發(fā)明的地勢(shì)圖，盡管當(dāng)時(shí)的技術(shù)不能跟今天相提并論，但是已經(jīng)構(gòu)建了3D打印的雛形，為今后的3D打印技術(shù)突破打下了良好的基礎(chǔ)。人類文明就是建立在一代一代科學(xué)的成果上。我們今天所看到的世界，就是以前的人們利用科學(xué)技術(shù)和文化知識(shí)作為材料，像3D打印一樣，構(gòu)建出一層一層，層疊而出的世界。這個(gè)世界是一個(gè)層累的文化結(jié)構(gòu)，今天的我們，踩在這個(gè)文化結(jié)構(gòu)的最頂端，依然在不斷進(jìn)步，不斷往上堆疊人類的文明成果。3D打印的前景，也隨著人類技術(shù)的進(jìn)步迭代而變得更加明朗。

如果你想了解更多的3D打印文化，請(qǐng)關(guān)注創(chuàng)克加科技。