【南極熊3D打印文化】你一定不知道的早期3D打印技術發(fā)展史（1860-1984）

早期3D打印技術發(fā)展史（1860-1984）

3D打印的起源可以追溯到至少兩個技術領域：地形學和照相雕塑。

1地形學

1892年，Joseph Blanther發(fā)明了用蠟板層疊的方法制作等高線地形圖的技術。該方法包括在一系列蠟板上壓印地形等高線，然后對蠟板進行切割，將每一層蠟板堆疊起來。

Blanther發(fā)明的分層地形圖

1940年，Prera提出了一種類似的方法，在硬紙片上切割等高線，然后堆疊并粘貼這些紙片來形成三維地圖。1964年，這種方法的改進由Zang提出，他使用了刻有地形細節(jié)的透明板。1972年，三菱汽車的Matsubara使用光固化材料在制作地貌地圖。在該方法中，將光敏樹脂涂覆到耐火顆粒（例如石墨粉末或砂）上，然后將其鋪展成片層并加熱以形成粘結片材。汞蒸氣的光選擇性地被掃描到該片材上，被掃描到的部分變得硬化，未掃描到的部分被溶解劑溶解掉。以這種方式形成的許多薄片隨后堆疊在一起以形成鑄模。1974年，DiMatteo意識到這種堆疊技術能夠用來生產傳統(tǒng)加工能以制造的零件，包括螺旋槳，機翼，三維凸輪以及用于沖壓機的模具成型。在一個實例中，材料的外輪廓由銑刀加工而成，然后通過粘合或螺栓連接。這種加工工藝與19世紀3D打印的早期工作有明顯的相似性。

DiMatteo(1974)利用分層堆疊技術設計的模具

1979年，東京大學的Nakagawa教授開始使用層壓技術生產實際工具，如下料工具、壓制成型工具和注塑工具。特別值得注意的是，Nakagawa教授提到注塑模具中復雜冷卻通道的可能性。

2照相雕刻

照相雕刻（photosculpture）最早出現于19世紀，當時已經有很多人在探索如何創(chuàng)作出包括人像在內的三維雕塑。法國人François Willème在1860年成功實現了照相雕刻技術。受試者被放置在圓形室中，由圍繞房間的24個照相機同時進行拍攝，然后每臺照相機拍下來的照片提供給Willème工作室，工作室里的每名工匠雕刻整個三維雕塑的1/24。

海軍上將Farragut，1860

FrançoisWillème在巴黎的雕刻工作室

為了減輕Willème照片雕刻技術的勞動密集的雕刻步驟，1904年，Baese發(fā)明了一種使用特殊光照來曝光光敏明膠的技術，當用水處理后，光敏明膠與曝光成比例地膨脹。處理過的明膠周圍的環(huán)形物被固定在支撐物上，以制成物體的復制品。Monteah于1924年開發(fā)了類似的技術并加以改進。

Baese開發(fā)的塑料物品的制作過程

在日本早期的一些作品中，Morioka于1935年開發(fā)了一種照片雕塑和地形學結合的技術。這種方法使用結構光（黑白光帶）來創(chuàng)建物體的輪廓線。這些輪廓線可以被顯影成片材并且被切割和堆疊。

Morioka（1935）制作立體模型示意圖

1956年，Munz開發(fā)了一種具備現有光固化技術的設備系統(tǒng)。這種系統(tǒng)用來分層曝光透明的感光乳劑，每層來自于被掃描物體的橫截面。當每一層曝光結束后，通過降低圓筒中的活塞來加入適量的感光乳劑和固定劑。在通過一系列的曝光和固定之后，所得到的實心透明圓柱體包含物體的圖像。隨后可以手動雕刻或者光化學蝕刻出該三維物體。

由Munz（1956）開發(fā)的三維物體圖像

3早期的固態(tài)成形技術

1977年，Swainson發(fā)明了利用兩個激光束交叉處的光敏聚合物來復制三維聚合物的方法，從而實現塑料材料的直接制造。同樣的研究于1984年在巴特爾實驗室（Battelle Laboratories）展開，該研究項目被稱為光化學加工（photochemical machining）。盡管當時為這項技術提供了完善的實驗室硬件支撐，但是沒能夠實現商業(yè)化。

1977年，Swainson發(fā)明的相交激光束

1972年Ciraud提出了一種粉末工藝，與今天的激光表面熔覆技術相似。在制造過程中，小顆粒通過重力，靜磁場，靜電或者擠出噴嘴覆蓋在平臺上，隨后利用激光，電子束或等離子束對顆粒進行局部加熱。被加熱的顆粒彼此粘附，形成連續(xù)的一體?？梢允褂枚鄠€激光束，以便增加顆粒之間粘合的強度。

Ciraud(1972)提出的粉末激光掃描工藝

1981年，名古屋市工業(yè)研究所的Hideo Kodama發(fā)明了利用光固化聚合物的三維模型增材制造方法。他研究了三種增材制造的設備方案：

a)利用掩模來控制UV光源的曝光區(qū)域，并將模型向下浸入光聚合物液體槽中以便產生新層。

b)同樣使用掩模，但將掩模和曝光定位在槽的底部，并向上繪制模型以創(chuàng)建新層。

c)如第1種方法那樣浸沒模型，但使用x-y繪圖儀和光纖來制造新層。

Kodama研究的三種增材制造方法（1981）

同是1981年，Ross F.Housholder注冊了類似于激光燒結（SLS）的專利，利用三維軟件程序創(chuàng)建3D模型，將數據發(fā)送到打印設備實現3D打印。這臺設備支持三種材料：石膏粉和沙子的混合物；可熔化的粉末和不會被熔化的支撐材料粉末混合物（打印結束后會高溫加熱進行硬化處理）；環(huán)氧樹脂硬化劑混合物。遺憾的是，這項技術未能成功實現商業(yè)化。

RossF.Housholder的打印設備專利示意圖（1981）

1982年，3M Corporation公司的Herbert創(chuàng)建了一套3D打印系統(tǒng)，利用x-y繪圖儀的鏡像系統(tǒng)將紫外激光光束投射到光敏樹脂層面上。在Herbert的系統(tǒng)里用計算機來控制穿過層面的激光束，然后降低光敏樹脂容器1mm左右，加入新的一層液態(tài)光敏樹脂。

Herbert的光固化工藝示意圖（1982）

早期3D打印產品

世界上早期固態(tài)成形技術的3D打印的作品長什么樣？如圖所示，圖中的三件作品來自于不同的3D打印設備系統(tǒng)，從左到右依次為Kodama，Herbert，Housholder制造的產品。中間的產品（Herbert）誕生于1979年8月，Kodama和Housholder的產品誕生日期還沒有相關歷史資料記錄。

三件早期的3D打印產品；從左至右的發(fā)明者依次為Kodama，Herbert，Housholder

我們可以看到，自20世紀60年代開始，美國在3D打印技術上的制造原理已經非常接近現在的光固化成型技術。但由于受到計算機、激光、材料等領域的技術限制，3D打印遲遲沒有實質性的發(fā)展。1860至1984年之間，在美國注冊的相關技術專利不到20項。

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