干貨 | 解讀3D打印發(fā)展史

3D打印技術(shù)是以數(shù)字化、人工智能化及新型材料應(yīng)用為特征的生產(chǎn)制造方式，被稱為是第三次工業(yè)革命的標(biāo)志。它改變了傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)制造模式，通過將PLA、ABS或者金屬材料等通過加熱、融化之后，再通過層層構(gòu)建疊加的方式,在很短的時(shí)間內(nèi)就將產(chǎn)品打印制造出來，其特點(diǎn)是打印時(shí)間短,成本低,產(chǎn)品千變?nèi)f化。特別一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高精尖產(chǎn)品,其優(yōu)勢(shì)更加突出。3D打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、科學(xué)研究、建筑、醫(yī)療、制造業(yè)、航天、珠寶首飾、個(gè)性化飾品等方面將發(fā)揮越來越大的作用。


3D打印突然大熱，令我們以為它是橫空出世的新技術(shù)。其實(shí)，任何新奇技術(shù)都不是一蹴而就的。3D打印從正式出現(xiàn)到現(xiàn)在較為廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)有將近30年的歷史了。所以習(xí)慣上把它稱作“上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的市場”。

3D打印技術(shù)的核心制造思想最早起源于19世紀(jì)末的美國，到20世紀(jì)80年代后期3D打印技術(shù)發(fā)展成熟并被廣泛應(yīng)用。1892年，美國登記了一項(xiàng)采用層合方法制作三維地圖模型的專利技術(shù)。1860年，法國人François Willème申請(qǐng)到了多照相機(jī)實(shí)體雕塑（Photosculpture）的專利。1979年，日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的中川威雄教授發(fā)明了疊層模型造型法。1980年，日本人小玉秀男又提出了光造型法。雖然日本人研究出3D打印的一些方法，但是此后20多年的時(shí)間里，把這些科學(xué)方法轉(zhuǎn)化為實(shí)際用途的都是美國人。

最早從事商業(yè)性3D打印制造技術(shù)的是美國發(fā)明家查爾斯·赫爾。1986 年，查爾斯離開了原來為之工作的紫外光產(chǎn)品公司，成立一家名為“3D系統(tǒng)”的公司，開始專注發(fā)展 3D 打印技術(shù)。這是世界上第一家生產(chǎn) 3D 打印設(shè)備的公司，而它所采用的技術(shù)當(dāng)時(shí)被稱為“立體光刻”，是基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作的。1988 年，查爾斯生產(chǎn)出世界上首臺(tái)以立體光刻技術(shù)為基礎(chǔ)的3D 打印機(jī) SLA-250，體型非常龐大。

1988年，美國人斯科特·克朗普發(fā)明了一種新的3D打印技術(shù)—— 熔融沉積成型。該工藝適合于產(chǎn)品的概念建模及形狀和功能測試，不適合制造大型零件。1989年，美國人德卡德發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，這種技術(shù)的特點(diǎn)是選材范圍廣泛，比如尼龍、臘、ABS、金屬和陶瓷粉末等都可以作為原材料。1992年，美國人赫利塞思發(fā)明層片疊加制造技術(shù)。

在1995年之前，還沒有3D打印這個(gè)名稱，那時(shí)比較為研究領(lǐng)域所接受的名稱是“快速成型”。1995年，美國麻省理工學(xué)院的兩名大四學(xué)生吉姆和蒂姆的畢業(yè)論文選題是便捷的快速成型技術(shù)。兩人經(jīng)過多次討論和探索，結(jié)果想到利用當(dāng)時(shí)已經(jīng)普及的噴墨打印機(jī)。他們把打印機(jī)墨盒里面的墨水替換成膠水，用噴射出來的膠水來粘接粉末床上的粉末，結(jié)果可以打印出一些立體的物品。他們興奮地將這種打印方法稱作3D打�。�3D Printing），將他們改裝的打印機(jī)稱作3D打印機(jī)。此后，3D打印一詞慢慢流行，所有的快速成型技術(shù)都?xì)w到3D打印的麾下。

正如200多年前，瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，拉開了近代工業(yè)革命的序幕一樣，許多人也認(rèn)為3D打印也能引發(fā)一場工業(yè)革命，甚至其本身就是第三次工業(yè)革命。但是我們不要忽略就是并不是蒸汽機(jī)引發(fā)了近代工業(yè)革命，而是它使機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)成為主流的社會(huì)理念和主要的開發(fā)手段這一理念引發(fā)了第二次工業(yè)革命，因此3D打印也不會(huì)成為第三次工業(yè)革命，它要促生新的產(chǎn)業(yè)革命，必須通過誘發(fā)新的人類理念轉(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn)。

我國的3D立體打印技術(shù)研究起步并不算晚，大致在1999年，即美國解密其3D激光打印研發(fā)計(jì)劃之后三年多，中國就開始了相關(guān)的研發(fā)。大體上講，中國起步的時(shí)間比美國晚了十五年，但進(jìn)步非常顯著，在某些領(lǐng)域的確超越了美國。冷靜地審視我國3D打印行業(yè)，形勢(shì)并非某些文章講的那么樂觀。目前我國從事3D打印研發(fā)的企業(yè)和科研院所，加起來不過二三十家，綜合實(shí)力也都不怎么強(qiáng)。除了鈦合金大尺度構(gòu)件我們傲視群雄之外，其他領(lǐng)域還真沒有什么可自豪的。我國在傳統(tǒng)的精密機(jī)械、重型機(jī)械制造方面因?yàn)椴牧虾图庸すに嚨葐栴}，制造出的產(chǎn)品質(zhì)量別說比不上德日，甚至有些還不如韓國、西班牙之類的國家，這是急需利用3D打印技術(shù)追趕與突破的方面。而3D打印只是解決了快速成型問題，而材料本身的特性則是需要攻關(guān)解決的。

拋開專業(yè)性的問題，其實(shí)3D打印在潛移默化過程中影響著我們的生活。

麻煩制造者

世界第一支3D打印gun已經(jīng)在美國德州奧斯丁試射成功。在此之前許多人不將3D打印當(dāng)一回事，但是這個(gè)創(chuàng)造著實(shí)扇了他們一巴掌。從技術(shù)上講，這把gun除了子彈外的其他部件幾乎由3D打印機(jī)制造，工作的基本原理與普通搶支無異。制作這把gun的這個(gè)美國民間團(tuán)體先用3D打印將gun的部件制造出來，在組裝在一起。

醫(yī)學(xué)神器

3D打印技術(shù)自數(shù)十年前從軍方“快速成型”技術(shù)進(jìn)化誕生以來，醫(yī)學(xué)是其最能大顯神通的一個(gè)高地。依靠3D打印技術(shù)的“直接數(shù)字化制造”，許多病人跳出傳統(tǒng)器官移植的漫長周期�；蛟S在不知不覺中，你就接觸到了這種看似高端的科技。

在最近的江西聯(lián)體女嬰的案例中，復(fù)旦大學(xué)附屬兒科醫(yī)院在全國首次使用3D打印技術(shù)，等比例地還原了患兒臀部聯(lián)體的脊柱、皮膚融合的情況，直觀地展現(xiàn)了患兒骨性連接和皮膚連接的部位和程度，可以虛擬地進(jìn)行術(shù)前切割，皮瓣翻轉(zhuǎn)，為手術(shù)方案的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了極大的幫助，這在我國兒童醫(yī)院聯(lián)體兒分離中屬首次采用3D打印技術(shù)來精準(zhǔn)地輔助手術(shù)操作。

由于人口老齡化和技術(shù)進(jìn)步等原因，美國脊柱融合手術(shù)在這數(shù)十年間增加了70％。但是這種手術(shù)面臨的問題是，傳統(tǒng)方法使用的骨移植和金屬硬件往往會(huì)出現(xiàn)植入物遷移與破損的并發(fā)癥，而這種并發(fā)癥往往需要通過另一個(gè)手術(shù)來修復(fù)，從而加大了病人面臨的風(fēng)險(xiǎn)。

使用3D打印制造出了骨小梁結(jié)構(gòu)的精確復(fù)制品，該復(fù)制品具有納米結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，可促進(jìn)病人骨頭的愈合和融合。該植入物的生物力學(xué)特性使其可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有骨骼的內(nèi)生長，從而可以防止出現(xiàn)再次進(jìn)行骨移植治療。德國神經(jīng)外科醫(yī)生Uwe Spetzger教授宣稱，一位具有退行性頸椎問題的患者通過手術(shù)接受了3D打印的鈦金屬融合植入物。這還是歷史上首次成功完成此類手術(shù)。

14歲的Myrijam Stoetzer和15歲的Paul Foltin，這兩位少年創(chuàng)客使用3D打印技術(shù)開發(fā)出了一種先進(jìn)而實(shí)用的裝置，該裝置能夠跟蹤人的眼球活動(dòng)并藉此控制輪椅的運(yùn)動(dòng)。這兩位少年憑借這一發(fā)明已經(jīng)入圍歐洲最大的青年科學(xué)競賽Jugend forscht決賽圈。這兩位少年希望他們的發(fā)明能夠幫助那些身患?xì)埣玻�甚至是全身癱瘓的病人，使他們僅靠眼睛就能解決一些生活上的簡單問題。

總之，3D打印正在慢慢的深入到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的方方面面。

考古福音

一直以來文物古跡的保護(hù)始終困擾著考古界，文物作為不可再生資源，一旦毀壞便難以再生。例如西安秦始皇兵馬俑，剛出土的兵俑色澤亮麗，表情栩栩如生，現(xiàn)如今早已失去了剛出土?xí)r的風(fēng)采，風(fēng)化嚴(yán)重，色澤暗淡如黃泥。21世紀(jì)的今天，科技發(fā)展速度令人震驚，現(xiàn)在的考古水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以往，文物古跡的保護(hù)力度也更強(qiáng)。倘若3D打印技術(shù)能夠“復(fù)刻”文物，一定能夠彌補(bǔ)不少遺憾。不少關(guān)于3D打印文物方面的消息，的確沒讓人失望。

隨著智慧型數(shù)字博物館的建設(shè)，眾多博物館與文物修復(fù)工作者，開始利用3D打印與3D掃描技術(shù)，使破敗不堪的古文物“起死回生”，不僅修復(fù)了文物也讓古代文化得以傳承。早在好幾年前，陜西博物館已經(jīng)利用3D打印技術(shù)，制作國寶級(jí)文物-鹿形金怪獸的仿品。3D打印技術(shù)可以在不接觸文物的前提下，通過立體掃描、數(shù)據(jù)采集、繪畫模型打印等一系列步驟，對(duì)文物進(jìn)行修補(bǔ)甚至復(fù)刻。這對(duì)文物的修繕、鑒定和保存有著很大的意義。

住房難題、移居月球

既然3D打印機(jī)什么都能打印，那么它可能打印出大規(guī)模的建筑嗎？世界首座3D打印的房子目前正建于荷蘭阿姆斯特丹北部一條運(yùn)河旁，配有13個(gè)房間；混凝土將只用于提供結(jié)構(gòu)支撐。2014年8月21日，上海，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內(nèi)正式交付使用，作為當(dāng)?shù)貏?dòng)遷工程的辦公用房。這些“打印”出來的建筑墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照電腦設(shè)計(jì)的圖紙和方案，經(jīng)一臺(tái)大型的3D打印機(jī)層層疊加噴繪而成，10幢小屋的建筑過程僅花費(fèi)24小時(shí)。

此外，據(jù)說歐洲航天局聯(lián)手一家知名建筑機(jī)構(gòu)，在未來將機(jī)器人和3D打印機(jī)帶往月球，以月球的土壤和巖石粉末作為材料，通過3D打印技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)建造一座功能完備的空間站。

3D打印還在汽車，無人機(jī)等方面滲透到我們的生活中，改變這我們的生活方式。也許在將來的某一天，有一位大神也能就3D技術(shù)提出改變?nèi)祟愃季S習(xí)慣的新的理念，推動(dòng)著社會(huì)發(fā)展進(jìn)入下一個(gè)產(chǎn)業(yè)革命。而就目前我國的3D打印產(chǎn)業(yè)化程度并不是很高，總體處于新型技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的初級(jí)階段，具體表現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)規(guī)�；�程度不高、技術(shù)創(chuàng)新體系不健全、產(chǎn)業(yè)政策體系尚未完善等的現(xiàn)狀下，要依靠國家政策的大力扶持，逐步打開3D打印市場，為未來3D打印技術(shù)成為新型產(chǎn)業(yè)技術(shù)的典范做準(zhǔn)備。

下面南極熊為大家整理了一下3D打印的百年的發(fā)展歷史：

1860
法國人François Willème申請(qǐng)到了多照相機(jī)實(shí)體雕塑（Photosculpture）的專利。

1986
1986年，查爾斯·W·哈爾（Charles W.Hull，如圖所示）成立了世界上第一家生產(chǎn)3D打印設(shè)備的公司：3D Systems公司。他研發(fā)了現(xiàn)在通用的STL文件格式。

1988
1988年，3D Systems公司在成立兩年后，推出了世界上第一臺(tái)基于SL（立體光刻）技術(shù)的3D工業(yè)級(jí)打印機(jī)SLA-250。同年，Scott Crump發(fā)明了另一種更廉價(jià)的3D打印技術(shù)：熔融沉積成型（FDM）技術(shù)，并于1989年成立了Stratasys公司。

1989
1989年，美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的C. R.Dechard發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)工藝（SLS）。SLS使用的材料最廣泛，理論上講幾乎所有的粉末材料都可以打印，如陶瓷、蠟、尼龍，甚至是金屬。

1991
1991年，Helisys推出第一臺(tái)疊層法快速成型（LOM）系統(tǒng)。

1992
1992年，Stratasys公司在成立3年后，推出了第一臺(tái)基于FDM技術(shù)的3D工業(yè)級(jí)打印機(jī)。
1992年，DTM公司推出首臺(tái)選擇性激光燒結(jié)（SLS）打印機(jī)。

1993
1993年，美國麻省理工學(xué)院MIT的Emanual Sachs教授發(fā)明了三維打印技術(shù)（Three-DimensionPrinting，3DP），是類似于已在二維打印機(jī)中運(yùn)用的噴墨打印技術(shù)。3D打印職業(yè)資格認(rèn)證考培資料

1995
1995年，Z Corporation獲得MIT的許可，并開始開發(fā)基于3DP技術(shù)的打印機(jī)。
注意：MIT發(fā)明的三維打印技術(shù)（Three-Dimension Printing，3DP）只是“3D打印”眾多成型技術(shù)中的一種而已。我們通常所說的“3D打印”并非特指MIT的這項(xiàng)3DP技術(shù)。

1996
1996年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation（以下簡稱ZCorp）各自推出了新一代的快速成型設(shè)備，此后快速成型便有了更加通俗的稱呼──“3D打印”。

1998
1998年，Optomec成功開發(fā)LENS激光燒結(jié)技術(shù)。

2000
2000年，Objet更新SLA技術(shù)，使用紫外線光感和液滴噴射綜合技術(shù)，大幅提高制造精度。

2001
2001年，Solido開發(fā)出第一代桌面級(jí)3D打印機(jī)。

2003
2003年，EOS開發(fā)DMLS激光燒結(jié)技術(shù)。

2005
2005年，ZCorp公司推出世界上第一臺(tái)高精度彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510，讓3D打印從此變得絢麗多彩。

2007
2007年，3D打印服務(wù)創(chuàng)業(yè)公司Shapeways正式成立，Shapeways公司提供給用戶一個(gè)個(gè)性化產(chǎn)品定制的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。

2008
2008年，第一款開源的桌面級(jí)3D打印機(jī)RepRap發(fā)布，其目的是開發(fā)一種能自我復(fù)制的3D打印機(jī)。RepRap是英國巴恩大學(xué)高級(jí)講師Adrian Bowyer于2005年發(fā)起的開源3D打印機(jī)項(xiàng)目，如圖所示。該項(xiàng)目的目標(biāo)是使工業(yè)生產(chǎn)變得大眾化，全球各地的每個(gè)人都能以低成本打印RepRap的組裝件，然后用打印機(jī)制造出日常用品。桌面級(jí)的開源3D打印機(jī)為轟轟烈烈的3D打印普及化浪潮揭開了序幕。
提示：值得一提的是，RepRap打印機(jī)創(chuàng)始人Adrian Bowyer之前的研究領(lǐng)域是3D數(shù)字化幾何建模。
2008年，Objet Geometries公司推出其革命性的Connex500™快速成型系統(tǒng)，它是有史以來第一臺(tái)能夠同時(shí)使用幾種不同的打印原料的3D打印機(jī)。

2009
2009年，Bre Pettis帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了著名的桌面級(jí)3D打印機(jī)公司──MakerBot，MakerBot打印機(jī)源自于RepRap開源項(xiàng)目。MakerBot出售DIY套件，購買者可自行組裝3D打印機(jī)。國內(nèi)的創(chuàng)客開始了仿造工作，個(gè)人3D打印機(jī)產(chǎn)品市場由此蓬勃興起。
2010
2010年12月，Organovo公司，一個(gè)注重生物打印技術(shù)的再生醫(yī)學(xué)研究公司，公開第一個(gè)利用生物打印技術(shù)打印完整血管的數(shù)據(jù)資源。
2011
2011年，英國南安普敦大學(xué)的工程師們?cè)O(shè)計(jì)和試駕了全球首架3D打印的飛機(jī)。這架無人飛機(jī)的建造用時(shí)7天，費(fèi)用為5000英鎊。3D打印技術(shù)使得飛機(jī)能夠采用橢圓形機(jī)翼，有助于提高空氣動(dòng)力效率；若采用普通技術(shù)制造此類機(jī)翼，通常成本較高。
2011年，Kor Ecologic推出全球第一輛3D打印的汽車Urbee。它是史上第一臺(tái)用巨型3D打印機(jī)打印出整個(gè)身軀的汽車。所有外部組件也由3D打印制作完成。
2011年7月，英國研究人員開發(fā)出世界上第一臺(tái)3D巧克力打印機(jī)。
2011年，i.materialise成為全球首家提供14K黃金和標(biāo)準(zhǔn)純銀材料打印的3D打印服務(wù)商。這在無形中為珠寶首飾設(shè)計(jì)師們提供了一個(gè)低成本的全新生產(chǎn)方式。

2012
2012年，荷蘭醫(yī)生和工程師們使用LayerWise制造的3D打印機(jī)，打印出一個(gè)定制的下顎假體。然后移植到一位83歲的老太太身上。這位老太太患有慢性骨感染。目前，該技術(shù)被用于促進(jìn)新的骨組織生長。
2012年，英國著名經(jīng)濟(jì)學(xué)雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》封面文章（如圖所示），聲稱3D打印將引發(fā)全球第三次工業(yè)革命。
2012年3月，維也納大學(xué)的研究人員宣布利用雙光子光刻（Two-PhotonLithography）突破了3D打印的最小極限，展示了一輛不到0.3mm的賽車模型。
2012年3月，美國總統(tǒng)奧巴馬提出投資10億美元在全美建立15家制造業(yè)創(chuàng)新研究所。
2012年7月，比利時(shí)的International University CollegeLeuven的一個(gè)研究組測試了一輛幾乎完全由3D打印的小型賽車。車速達(dá)到了140km/h。
2012年9月，3D打印的兩個(gè)領(lǐng)先企業(yè)Stratasys和以色列的Objet宣布進(jìn)行合并，合并后的公司名仍為Stratasys，進(jìn)一步確立了Stratasys在高速發(fā)展的3D打印及數(shù)字制造業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)地位。
2012年10月，來自MIT的團(tuán)隊(duì)成立Formlabs公司，并發(fā)布了世界上第一臺(tái)廉價(jià)且高精度的SLA個(gè)人3D打印機(jī)Form 1。國內(nèi)的創(chuàng)客也由此開始研發(fā)基于SLA技術(shù)的個(gè)人3D打印機(jī)。
同期，中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正式宣告成立。國內(nèi)各類媒體開始鋪天蓋地報(bào)道3D打印的新聞。
2012年11月，中國宣布是世界上唯一掌握大型結(jié)構(gòu)關(guān)鍵件激光成型技術(shù)的國家。
2012年11月，蘇格蘭科學(xué)家利用人體細(xì)胞首次用3D打印機(jī)打印出人造肝臟組織。

2013
2013年5月，美國分布式防御組織發(fā)布全世界第一款完全通過3D打印制造出的塑料gun（除了撞針采用金屬），并成功試射。同年11月，美國Solid Concepts公司制造了全球第一款3D全金屬gun，采用33個(gè)17-4不銹鋼部件和625個(gè)鉻鎳鐵合金部件制成，并成功發(fā)射了50發(fā)子彈。
2013年，美國的兩位創(chuàng)客（父子倆）開發(fā)出家用金屬3D打印機(jī)，基于液體金屬噴射打印（LMJP）工藝，價(jià)格將低于10,000美元。同年，美國的另外一個(gè)創(chuàng)客團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款名為Mini MetalMaker（小型金屬制作者）的桌面級(jí)金屬3D打印機(jī)，主要打印一些小型的金屬制品，比如珠寶、金屬鏈、裝飾品、小型金屬零件等，售價(jià)僅為1000美元。
2013年8月，美國國家航空航天局（NASA）測試3D打印的火箭部件，其可承受2萬磅推力，并可耐6,000華氏度的高溫。
2013年，麥肯錫公司將3D打印列為12項(xiàng)顛覆性技術(shù)之一，并預(yù)測到2025年，3D打印對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的價(jià)值貢獻(xiàn)將為2～6千億美元。

2014
2014年7月，美國南達(dá)科塔州一家名為Flexible Robotic Environments（FRE）的公司公布了最新開發(fā)的全功能制造設(shè)備VDK6000，兼具金屬3D打�。ㄔ霾闹圃欤�、車床（減材制造，包括：銑銷、激光掃描、超聲波檢具、等離子焊接、研磨/拋光/鉆孔）及3D掃描功能。
2014年8月，國外一名年僅22歲的創(chuàng)客Yvode Haas推出了3DP工藝的桌面級(jí)3D打印機(jī)Plan B，技術(shù)細(xì)節(jié)完全開源，自己組裝費(fèi)用僅需1,000歐元。
2014年10月，國外3名創(chuàng)客成立的Sintratec公司，推出了一款SLS工藝的3D打印機(jī)，售價(jià)僅為3999歐元。

2015
2015年3月，美國Carbon3D公司發(fā)布一種新的光固化技術(shù)——連續(xù)液態(tài)界面制造（Continuous Liquid Interface Production，CLIP）：利用氧氣和光連續(xù)地從樹脂材料中逐出模型。該技術(shù)比目前任意一種3D打印技術(shù)要快25-100倍，請(qǐng)關(guān)注南極熊3d打印網(wǎng)。

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來源： 材料十