1.1　3D打印技術發展歷史

人們將3D打印技術稱作“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的市場”。因為其起源可以追溯到19世紀末的美國，在業內的學名為“快速成型技術”。一直只在業內小眾群體中傳播，直到20世紀80年代才出現成熟的技術方案，在當時，撇開其非常昂貴的價格不說，能打印出的品類也極少，幾乎沒有面向個人的打印機產品，都是面向企業級的用戶。但隨著時間的推移，在技術逐漸走向成熟的今天，尤其是MakerBot系列以及REPRAP開源項目的出現，使得越來越多的愛好者積極參與3D打印技術的發展和推廣（圖1-1）。與日俱增的新技術、新創意、新應用，以及呈指數暴增的市場份額，都讓人感受到3D打印技術的春天。

很多人都認為3D打印技術指某項單一技術，就像傳統的復印機復印技術一樣。其實并非如此，3D打印技術是一系列快速成型技術的統稱，只是都基于疊層制造這一基本原理，即由快速原型機在X/Y軸坐標方向生成目標物體的截面形狀，然后在Z軸坐標間斷地作層面厚度的位移，最終形成三維制件。如果撇開技術原理上的差異，單純從硬件結構上來看，3D打印又和傳統打印設備非常相似。都是由控制組件、機械組件、打印頭、耗材和介質等架構組成，并且打印過程也很接近。對于設備用戶而言，3D打印和傳統打印的最主要的區別在于電腦上要設計出的是一個完整的三維立體模型[注]，然后再進行打印輸出。

由于堆疊薄層的形式不同，3D打印機在打印機理以及打印材料上都有所差異，也因此將3D打印的各項技術劃分為多種流派[注]。

（1）基于光敏樹脂的3D打印機。使用打印機噴頭將一層極薄的液態樹脂材料噴涂在鑄模托盤上，此涂層然后被置于紫外線下進行固化處理，接著鑄模托盤下降極小的距離，以供下一個圖層堆疊上來。

（2）采用熔融擠壓技術的3D打印機。核心流程是在噴頭內熔化原材料，接著噴出后通過降溫沉積固化的方式形成薄層，然后逐層疊加。

（3）采用噴墨黏粉技術的打印機。使用粉末微粒作為打印介質，先將粉末微粒涂撒在鑄模托盤上形成一層極薄的粉末層，然后由噴出的液態黏合劑進行固化。

（4）使用激光燒結來熔鑄原材料粉末形成指定模型的技術。這項技術被德國EOS公司在其一系列3D打印機上所采用。類似的技術還有許多，例如瑞士的Arcam公司，其主要原理則是利用真空中的電子束來熔化粉末微粒以形成模型。

以上提到的這些也不過僅僅是許多成熟技術中的一些核心部分，當遇到包含孔洞及懸掛等復雜結構時，打印原料中就需要加入凝膠劑或其他輔助材料，以提供支撐或用來填充空間。這部分輔助材料不會在打印完成后自動去除，需要進行后處理——用酒精或氣流沖洗掉支撐物才可形成孔隙。

現如今可用于打印的材料也越來越多，從各式各樣的塑料到金屬、陶瓷以及橡膠類物質。甚至有些打印機還能結合不同材料和工藝，如圖1-2所示的混合材料打印的物品，便是由多種不同的材料直接打印生成[注]。

讓我們先拋開各項繁雜的技術不談，從一個終端用戶的角度來看待3D打印技術，會驚喜地發現它是如此熟悉，其使用的過程和普通打印機幾乎完全一樣。通常來說，人們使用傳統技術的打印機進行打印，過程是這樣的：輕點電腦屏幕上的“打印”按鈕，一份數字文件便被傳送到一臺噴墨打印機上，接著打印機將一層墨水噴到紙的表面以形成一幅二維圖像。而使用3D打印也是一樣，只需要點擊控制軟件[注]中的“打印”按鈕，控制軟件通過切片引擎[注]完成一系列數字切片，然后將這些切片的信息傳送到3D打印機上，后者會逐層進行打印，然后堆疊起來，直到一個固態物體成型。

就用戶實際感受而言，往往是感覺不到3D打印和傳統打印機在制作流程上的不同，能感受到的最大區別在于使用的“墨水”是實實在在的原材料，正是因為這樣的相似，快速成型技術才會被形象地稱為3D打印技術。但3D打印技術能形成如此繁多的種類、機型，以及良好的用戶體驗，也是在眾多科研人員前赴后繼的努力之下，經過了漫長的發展而來的。

業界公認的3D打印技術最早始于1984年，當時數字文件打印成三維立體模型的技術被查爾斯·赫爾（Charles Hull）率先發明。并且在1986年，他又進一步發明了立體光刻工藝——即利用紫外線照射光敏樹脂凝固成型來制造物體，并將這項發明申請了專利，這項技術后來被稱為光固化成型（SLA）。隨后他繼續不懈地努力奮斗，離開了原來工作的Ultra Violet Products公司，開始自立門戶，并把新創辦的公司命名為3D Systems。并在不久后的1988年，3D Systems公司便生產出了第一臺其自主研發的3D打印機SLA-250（圖1-3），SLA-250的面世成了3D打印技術發展歷史上的一個里程碑事件，其設計思想和風格幾乎影響了后續所有的3D打印設備。但受限于當時的工藝條件，其體型十分龐大，有效打印空間卻非常狹窄。

1988年，一位叫斯科特·克倫普（Scott Crump）的年輕人發明了另外一種3D打印技術——熔融擠壓成型技術（FDM）。這項3D打印技術利用蠟、ABS、PC、尼龍等熱塑性材料來制作物體，他在成功發明了這項技術之后也成立了一家公司，并將其命名為Stratasys。在工業應用領域，3D Systems和Stratasys一直是3D打印領域龍頭公司，高峰時期曾合計占據全球專業3D打印機銷量的四分之三。

1989年，美國得克薩斯大學的卡爾·迪卡德（Carl Deckard）和喬·比曼（Joe Beaman）發明了第三種3D打印技術——選擇性激光燒結技術（SLS），這項技術是利用高強度激光將尼龍、蠟、ABS、金屬和陶瓷等材料粉來燒結，直至成型。

1993年，美國麻省理工學院教授伊曼紐爾·薩克斯（Emanuel Sachs）也加入了進來，創造了三維噴墨黏粉式打印技術（3DP），將金屬、陶瓷的粉末通過黏結劑黏在一起成型。1995年，麻省理工大學畢業生吉姆·布萊特（Jim Bredt）和蒂姆·安德森（Tim Anderson）修改了噴墨打印機方案，實現了將約束溶劑擠壓到粉末床上，而不必局限于把墨水擠壓在紙張上，隨后創立了現代的三維打印企業Z Corporation。

1996年，在一定程度上可以算是3D打印機商業化的元年，在這一年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation分別推出了型號為Actua 2100、Genisys和2402的三款3D打印機產品，并第一次使用了“3D打印機”的名稱。

另一個重要時刻是2005年，由Z Corporation推出了世界上第一臺高精度彩色3D打印機——Spectrum 2510（圖1-4）。

同一年，開源3D打印機項目REPRAP由英國巴斯大學（University of Bath）的艾德里安·鮑耶爾（Adrian Bowyer）發起，他的目標是通過3D打印機本身，來打印制造出另一臺3D打印機，從而實現機器的自我復制和快速傳播。經過3年的努力，在2008年，第一個基于REPRAP的3D打印機發布，代號為“Darwin”[注]，這個打印機可以打印它自身的40%元件，但體積卻只有一個箱子大小。

進入2010年，3D打印行業的發展速度明顯加快。在2010年11月，一輛完整身軀的轎車由一臺巨型3D打印機打印出來，這輛車的所有外部部件，包括玻璃面板都是由3D打印機制造完成的。使用到的設備主要是Dimension 3D打印機，以及由Stratasys公司數字生產服務項目RedEye on Demand提供的Fortus3D成型系統。

2011年8月誕生了世界上第一架3D打印飛機，這架飛機由英國南安普頓大學的工程師建造完成。同年9月，維也納技術大學也開發了更小、更輕、更便宜的3D打印機（圖1-5），這個超小3D打印機僅重1.5千克，價格約1200歐元。

2012年3月，3D打印的最小極限再一次被維也納技術大學的研究人員刷新，他們利用雙光子平版印刷技術，制作了一輛長度不足0.3mm的賽車模型（圖1-6）。并且在同年7月，比利時魯汶大學的一個研究組測試了一輛幾乎完全由3D打印技術所制作的小型賽車，其車速達到了140km/h！緊接著在同年12月，3D打印機的槍支彈夾也由美國分布式防御組織（Defense Distributed）測試成功。

縱觀整個3D打印機的發展歷史，我們可以看到，隨著3D打印技術的多元化以及種類逐漸變多，3D打印機可打印的物品也更加多元、更加豐富。而且，3D打印機的打印價格也在隨著3D技術的發展逐漸降低。1999年，3D Systems發布的SLA 7000要價80萬美元，而到了2013年推出的Cube 3D打印機僅需1299美元。另外，雖然對于普通用戶和制造企業來說，3D打印的大規模產業化時機還沒有成熟，但我們從中可以看出3D打印機開始向兩極逐漸分化，除了百萬元級的大型3D打印機之外，國內目前也出現了面向個人用戶價格為幾千元的3D打印機（圖1-7）。

雖然目前3D打印技術還受到許多限制，例如缺乏穩定廉價的原材料、高效精確的設備以及成熟的商業應用等。但人們已經在珠寶、制鞋、工業設計、建筑、土木工程、汽車、消費電子、航空航天、醫療、教育、地理信息系統以及其他許多領域看到了它巨大的潛力和價值。因此，我們有理由相信，隨著3D打印技術不斷發展和大量資源的不斷投入，以及不同背景專業人員的積極參與，將很快可以看到3D打印機一次次為我們呈現出的更加精細和更加實用的物品，以此來造福整個人類社會。