【南極熊-3D打印文化】3D打印技術(shù)之父：Charles W. Hull

3D打印技術(shù)之父：Charles W. Hull

查爾斯·胡爾（Charles W. Hull，也有人稱他為Chunk Hull）于1939年5月12日出生于科羅拉多州的克里夫頓市，他畢業(yè)于科羅拉多州的大章克申中心高中學(xué)校，于1961年從科羅拉多大學(xué)獲得工程物理學(xué)學(xué)士學(xué)位。

1983年，胡爾在紫外線設(shè)備生產(chǎn)商UVP公司（Ultraviolet Products）擔(dān)任副總裁，這家公司利用紫外光來(lái)硬化家具和紙制品表面的涂層。胡爾每天在公司里撥弄著各種各樣的紫外線燈，看著那些原本是液態(tài)的樹(shù)脂一碰到紫外線就凝固的過(guò)程。某一天他突然意識(shí)到，如果能夠讓紫外線一層一層地掃在光敏聚合物的表面上，使其一層一層地變成固體，將這成百上千的薄層疊加在一起，他就能夠制造任何可以想象的三維物體了。

1984年7月16號(hào)，三名法國(guó)人，Alain Le Méhauté，Olivier de Witte和Jean Claude André搶先嘗試注冊(cè)SLA的專利，然而遭到了法國(guó)通用電氣公司和CILAS（激光聯(lián)合會(huì)）的拒絕，理由是“缺乏商業(yè)應(yīng)用價(jià)值”。三周后，以胡爾為發(fā)明人，UVP公司申請(qǐng)了世界上第一件SLA專利。

1986年3月11日，胡爾獲得專利授權(quán)，專利號(hào)為US4575330A。他在題為“Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects byStereolithography”的專利里面發(fā)明了術(shù)語(yǔ)“stereolithography”，簡(jiǎn)稱SLA，也就是后來(lái)的立體光固化技術(shù)——即利用紫外線催化光敏樹(shù)脂，層層堆疊然后成型。

圖1為Chuck Hull發(fā)明的SLA的工作原理示意圖。高級(jí)工程制圖軟件將物體的計(jì)算機(jī)模型切片成數(shù)千個(gè)數(shù)字橫截面，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到SLA打印設(shè)備。樹(shù)脂槽21中裝滿光敏樹(shù)脂液體。打印平臺(tái)29浸沒(méi)在樹(shù)脂中，與樹(shù)脂液面23保持一段距離（該距離即下層需要打印的層高）。激光26（一般為紫外光）從上方照射在光敏樹(shù)脂的液面上。激光在振鏡的反射下，按照程序畫(huà)出每層圖案。隨著激光的照射，光敏樹(shù)脂完成固化。打印平臺(tái)29由軟件控制向下移動(dòng)一段距離（該距離即下層需要打印的層高）。光敏樹(shù)脂流動(dòng)直到覆蓋已打印的這層（如果光敏樹(shù)脂黏度較大，流動(dòng)性較差，需要刮刀幫助涂覆這一層）。然后將該步驟不斷重復(fù)，直到完成整個(gè)物品的打印。

圖1，胡爾的SLA工作原理示意圖

在美國(guó)公司工作的專利最終是屬于公司的，但是胡爾的老板沒(méi)有更多的能力來(lái)支持開(kāi)發(fā)這門(mén)新技術(shù)。于是，胡爾從UVP公司離開(kāi)，開(kāi)始自立門(mén)戶，于1986年在加利福尼亞州成立了3D Systems公司（現(xiàn)今全球最大的兩家3D打印設(shè)備生產(chǎn)商之一），致力于將SLA技術(shù)商業(yè)化。1988年，3DSystems公司生產(chǎn)出了第一臺(tái)其自主研發(fā)的3D打印機(jī)SLA-250，體型非常龐大，用的材料是光學(xué)照相用的丙烯酸樹(shù)脂。SLA-250的面世成為了3D打印技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)里程碑事件，其設(shè)計(jì)思想和風(fēng)格幾乎影響了后續(xù)所有的3D打印設(shè)備。但受限于當(dāng)時(shí)的工藝條件，其體型十分龐大，有效打印空間卻非常狹窄。

圖2，胡爾發(fā)明的第一臺(tái)光固化3D打印機(jī)SLA-250

1990年，3D Systems從UVP公司購(gòu)回了US4575330A專利。胡爾意識(shí)到他的技術(shù)概念不僅僅限于液體，在重新提交的專利中，特別強(qiáng)調(diào)了任何“能夠固化的材料”或“能夠改變其物理狀態(tài)的材料”都可以實(shí)現(xiàn)SLA技術(shù)。1988年，3D Systems賣(mài)出了第一臺(tái)基于SLA技術(shù)的3D打印機(jī)，此后的幾十年中推出了各種型號(hào)的3D打印機(jī)，包括適合辦公室和家用的桌面級(jí)以及適合工廠應(yīng)用的工業(yè)機(jī)。公司注冊(cè)地為美國(guó)特拉華州，于20世紀(jì)90年代初期在美國(guó)納斯達(dá)克上市，2011年公司轉(zhuǎn)板至紐交所。

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，3D Systems擁有近千項(xiàng)專利。在胡爾注冊(cè)的所有專利中，涵蓋了當(dāng)今3D打印技術(shù)諸多基本的技術(shù)方法，例如利用三角模型（STL文件格式）進(jìn)行切片數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，以及交替曝光策略等。如今3D Systems公司發(fā)明的3D打印機(jī)已經(jīng)進(jìn)入無(wú)數(shù)的工業(yè)和商業(yè)用途，醫(yī)療行業(yè)利用3D Systems打印設(shè)備制造的患者下頜骨或面部結(jié)構(gòu)模型，汽車(chē)安全公司用3DSystems的技術(shù)生產(chǎn)碰撞試假機(jī)器人，手表行業(yè)用3D Systems技術(shù)進(jìn)行原型評(píng)估和人體工程學(xué)設(shè)計(jì)。各行各業(yè)都在享受著3D Systems的3D打印技術(shù)為世界帶來(lái)的改變。

在1984年的時(shí)候，胡爾可能根本沒(méi)有意識(shí)到，他的快速制造專利在30多年后能夠如此普及。2014年胡爾被提名歐洲發(fā)明家獎(jiǎng)，該獎(jiǎng)項(xiàng)榮譽(yù)頒發(fā)給為人類(lèi)科技發(fā)展做出卓越貢獻(xiàn)的個(gè)人和團(tuán)隊(duì)。同年，胡爾被評(píng)選為美國(guó)發(fā)明家名人堂（NIHOF），這也意味著胡爾步入亨利·福特和史蒂夫·喬布斯等名人之列，成為了為人類(lèi)產(chǎn)生持久貢獻(xiàn)的發(fā)明家。

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