《礼记·大学》有云:“致知在格物,物格而后知至”。所谓“格物致知”,说得直白点,就是探究事物的实际原理,从而获得对它的真实认知。同样,对于3D打印而言,我们首先最重要的就是要明白它的工作原理。当前,3D打印正处于蓬勃发展期,面对诱人的巨大市场前景,各个厂商纷纷提出各种新的技术工艺,让人有一种眼花缭乱的感觉。尤其对于初学者,往往觉得一团雾水。其实,只要我们掌握了3D打印的基本原理,那么“万变不离其宗”,冷冰冰的术语就不会再有距离感。

本章中,对每一项3D打印技术都通过图文并茂的方式展示出来。更重要的是,指出了每项技术的区别和联系,以及各自的优缺点,希望能带给读者一种“一览众山小”的轻松感觉。

2.1  3D打印时间简史──源自1860

如果寻根问底的话,3D打印的发展最早可以追溯到19世纪!快速成形技术就是从这一时期开始萌芽的。但直到20世纪80年代后期,3D打印技术才真正开始发展成熟并被广泛商业应用。

1860年,法国人François Willème申请到了多照相机实体雕塑(Photosculpture)的专利。

1986年,查尔斯·赫尔(Charles Hull,见图2.1-1)成立了世界上第一家生产3D打印设备的公司:3D Systems公司。他研发了现在通用的STL文件格式。

2.1-1  Charles W. Hull成立了世界上第一家生产3D打印设备的公司(图片来源:3D Systems

1988年,3D Systems公司在成立两年后,推出了世界上第一台基于SL(立体光刻)技术的3D工业级打印机SLA-250。同年,Scott Crump发明了另一种更廉价的3D打印技术:熔融沉积成形(FDM),并于1989年成立了Stratasys公司。

1989年,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard发明了选择性激光烧结工艺(SLS)。SLS使用的材料最广泛,理论上讲几乎所有的粉末材料都可以打印,如陶瓷、蜡、尼龙、甚至是金属。

1991年,Helisys推出第一台叠层法快速成形(LOM)系统。

1992年,Stratasys公司在成立三年后,推出了第一台基于FDM技术的3D工业级打印机。

1992年,DTM公司推出首台选择性激光烧结(SLS)打印机。

1993年,美国麻省理工学院MITEmanual Sachs教授发明了三维打印技术(Three-Dimension Printing3DP),是类似于已在二维打印机中运用的喷墨打印技术。1995年,Z Corporation获得MIT的许可,并开始开发基于3DP技术的打印机。

注意:

MIT发明的三维打印技术(Three-Dimension Printing3DP)只是“3D打印”众多成形技术中的一种而已。我们通常所说的“3D打印”并非特指MIT的这项3DP技术。

1996年,3D SystemsStratasysZ Corporation(以下简称ZCorp)各自推出了新一代的快速成形设备,此后快速成形便有了更加通俗的称呼──“3D打印”。

1998年,Optomec成功开发LENS激光烧结技术。

2000年,Objet更新SLA技术,使用紫外线光感和液滴喷射综合技术,大幅提高制造精度。

2001年,Solido开发出第一代桌面3D打印机。

2003年,EOS开发DMLS激光烧结技术。

2005年,ZCorp公司推出世界上第一台高精度彩色3D打印机Spectrum Z510,让3D打印从此变得绚丽多彩。

2007年,3D打印服务创业公司Shapeways正式成立,Shapeways公司提供给用户一个个性化产品定制的网络平台。

2008年,第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布,其目的是开发一种能自我复制的3D打印机。RepRap是英国巴恩大学高级讲师Adrian Bowyer2005年发起的开源3D打印机项目。该项目的目标是使工业生产变得大众化,全球各地的每个人都能以低成本打印RepRap的组装件,然后用打印机制造出日常用品。桌面级的开源3D打印机为轰轰烈烈的3D打印普及化浪潮揭开了序幕。

2.1-2  Adrian BowyerRepRap (图片来源:RepRap

提示:

值得一提的是,RepRap打印机创始人Adrian Bowyer之前的研究领域是3D数字化几何建模。

2008年,Objet Geometries公司推出其革命性的Connex500™快速成形系统,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。

2009年,Bre Pettis带领团队创立了著名的桌面级3D打印机公司──MakerbotMakerbot打印机源自于RepRap开源项目。MakerBot出售DIY套件,购买者可自行组装3D打印机。国内的创客开始了仿造工作,个人3D打印机产品市场由此蓬勃兴起。

201012月,Organovo公司,一个注重生物打印技术的再生医学研究公司,公开第一个利用生物打印技术打印完整血管的数据资源。

2011年,英国南安普敦大学的工程师们设计和试驾了全球首架3D打印的飞机。这架无人飞机的建造用时7天,费用为5000英镑。3D打印技术使得飞机能够采用椭圆形机翼,有助于提高空气动力效率;若采用普通技术制造此类机翼,通常成本较高。

2011年,Kor Ecologic推出全球第一辆3D打印的汽车Urbee。它是史上第一台用巨型3D打印机打印出整个身躯的轿车。所有外部组件也由3D打印制作完成。

20117月,英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。

2011年,i.materialise成为全球首家提供14K黄金和标准纯银材料打印的3D打印服务商。这在无形中为珠宝首饰设计师们提供了一个低成本的全新生产方式。

2012年,荷兰医生和工程师们使用LayerWise制造的3D打印机,打印出一个定制的下颚假体。然后移植到一位83岁的老太太身上。这位老太太患有慢性骨感染。目前,该技术被用于促进新的骨组织生长。

2012年,英国著名经济学杂志《经济学人》封面文章,声称3D打印将引发全球第三次工业革命。

2.1-3  《经济学人》的封面文章“The third industrial revolution

20123月,维也纳大学的研究人员宣布利用二光子平板印刷技术(two-photon lithography)突破了3D打印的最小极限,展示了一辆不到0.3mm的赛车模型。

20123月,美国总统奥巴马提出投资10亿美元在全美建立15家制造业创新研究所。

20127月:比利时的International University College Leuven的一个研究组测试了一辆几乎完全由3D打印的小型赛车。车速达到了140千米/小时。

同年9月,3D打印的两个领先企业Stratasys和以色列的Objet宣布进行合并,合并后的公司名仍为Stratasys,进一步确立了Stratasys在高速发展的3D打印及数字制造业中的领导地位。

10月,来自MIT的团队成立Formlabs公司,并发布了世界上第一台廉价且高精度的SLA个人3D打印机Fom 1。国内的创客也由此开始研发基于SLA技术的个人3D打印机。

同期,中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立。国内各类媒体开始铺天盖地报道3D打印的新闻。

201211月,中国宣布是世界上唯一掌握大型结构关键件激光成形的国家。

201211月,苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。

20135月,美国分布式防御组织发布全世界第一款完全3D打印出的塑料手枪(除了撞针采用金属),并成功试射。同年11月,美国Solid Concepts公司制造了全球第一款3D全金属手枪,采用3317-4不锈钢部件和625个铬镍铁合金部件制成,并成功发射了50发子弹。

2013年,美国的两位创客(父子)开发出家用金属3D打印机,基于液体金属喷射打印(LMJP)工艺,价格将低于10,000美元。同年,美国的另外一个创客团队开发了一款名为Mini Metal Maker(小型金属制作者)的桌面金属3D打印机,主要打印一些小型的金属制品,比如珠宝、金属链、装饰品、小型金属零件等,售价仅为1000美元。

20138月,美国国家航空航天局(NASA)测试3D打印的火箭部件,其可承受2万磅推力,并可耐6,000华氏度的高温。

2013年,麦肯锡公司将3D打印列为12项颠覆性技术之一,并预测到2025年,3D打印对全球经济的价值贡献将为26千亿美元。

2014年7月,美国南达科塔州一家名为Flexible Robotic Environments(FRE)的公司公布了最新开发的全功能制造设备VDK6000,兼具金属3D打印(增材制造)、车床(减材制造,包括:铣销、激光扫描、超声波检具、等离子焊接、研磨/抛光/钻孔)及3D扫描功能。

2014年8月,国外一名年仅22岁的创客Yvo de Haas推出了3DP工艺的桌面级3D打印机Plan B,技术细节完全开源,自己组装费用仅需1,000欧元。

2014年10月,国外3名创客成立的Sintratec公司,推出了一款SLS工艺的3D打印机,售价仅为3999欧元。