全面解析3D打印技术的前世今生

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最近3D打印被炒得很火，本站也陆陆续续报道了很多与之相关的新闻。很多人一定会认为，这是一个非常新的技术，但是事实上并不是这样。3D打印技术的历史，并不比喷墨打印短多少，它诞生于1986年。将数字化的3D图形转化成为物理实物，这一想法最早是由美国人查尔斯.豪尔申请的专利(Charles W. Hull)申请的专利(美国专利4573330)，其原理为立体光刻造型(stereolithography)，这一技术后面我们会有详解。需要指出的是，这个豪尔先生，同时也是3DSystems公司的创始人，并且推出了第一款工业化的3D打印设备。


ZCorp SpectrumZ510 3D打印机彩色3D打印演示

在八十年代末期，3D System公司的设备开始流行起来。但是在同期，出现了另外两种可以3D成型的技术：熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)与选择性激光烧结(Selective Laser Sintering ，SLS)。FDM技术与1988年由斯科特克鲁姆普发明(Scott Crump),Stratasys在次年商业化这一技术，并于1992年售出了第一台基于熔融沉积成型技术的3D打印产品。同在1992年，DTM公司也把基于选择性激光烧蚀技术的产品推向市场。

在1993年，美国麻省理工学院申请了一种新的3D打印技术，名字就叫做“三维打印技术”(3 Dimensional Printing techniques)，这是一种依赖已有喷墨技术的3D成型技术，Z Corporation取得了麻省理工学院的专利授权，并在1995年推出了第一款产品。

此后的十余年，是3D打印的发展时期，各个公司都在努力的去降低3D打印的成本。在2005年，ZCorp推出了一款里程碑意义的3D打印机产品“Spectrum Z510”，这是第一款能够进行高分辨率彩色3D打印的产品。

在2006年，发生3D打印界的另外一个标志事件。一个名叫Reprap的开源3D打印计划公布出来。这一行为，让3D打印，在很多领域，不再有专利的束缚，普通人自己也可以进行3D打印。不过目前基于此开源计划的3D打印设备能打印的物体个头还都比较小。但是这一技术却非常受欢迎，仅仅四年内，就已经发展出了一个相当复杂的产品族谱。在淘宝上，一个能打印12厘米见方的3D打印机，只要四千元，可以说已经相当的便宜，诸位立体中国的D友们如果有兴趣也可以自己买一个，在家就能进行3D成型工作，不过需要指出的是3D打印机个头偏大，体积与以前的29寸彩电占用的空间差不多，甚至还要大一些。

主流技术：SLA与FDM

立体光刻造型(stereolithography)



立体光刻造型技术图解

立体光刻造型技术，D们可以想象一下把一根黄瓜切成很薄的薄片再拼成一整根。先由软件把3D的数字模型，“切”成若干个平面，这就形成了很多个剖面，在工作的时候，有一个可以举升的平台，这个平台周围有一个液体槽，槽里面充满了可以紫外线照射固化的液体，紫外线激光会从底层做起，固化最底层的，然后平台下移，固化下一层，如此往复，直到最终成型。

立体光刻造型(stereolithography)技术优缺点

优点：精度高，可以表现准确的表面和平滑的效果，精度可以达到每层厚度0.05毫米到0.15毫米

缺点：可以使用的材料有限，并且不能多色成型

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)

熔融沉积成型技术，同样是需要把3D的模型薄片化，但是成型的原理不一样。学过高等数学的朋友都知道积分，熔融沉积成型技术，就是把材料用高温熔化成液态，然后通过喷嘴挤压出一个个很小的球状颗粒，这些颗粒在喷出后立即固化，通过这些颗粒在立体空间的排列组合形成实物。



1，喷嘴;2，沉积材料;3，可以多方向移动的平台

熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling，FDM)技术优缺点

优点：成型精度更高、成型实物强度更高、可以彩色成型。

缺点：成型后表面粗糙

其它主要3D打印技术

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering ，SLS)

选择性激光烧结技术，是把3D模型薄片化之后，在一个容器内，让其充满待烧结的材料粉末，这些粉末可以做的很细，然后由大功率的二氧化碳激光，选择最底层的3D切片形状开始烧结，然后平台下移，材料辊则在已经烧结的部分基础之上，再铺上薄薄的一层材料粉末烧结，如此往复，直到整体成型。


SLS技术就是选择性烧结料粉末薄层的一部分

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering ，SLS)技术优缺点

优点：材料的强度非常高，可选材料从金属到聚苯乙烯等等，可选材料范围非常广泛。

缺点：成型精度低，成型后表面粗糙，不能彩色成型。

“三维打印技术”(3 Dimensional Printing techniques)

这一技术和我们今天使用的2D喷墨打印机类似，一样是通过多个喷嘴，喷射成型材料来逐层打印3D实物。其成型材料分为两种，一种是成型用的粉末，另外一种是粘接剂，粘接剂可以很快的固化。

三维打印技术优缺点：

优点：成型精度高，可以彩色成型

缺点：成型表面粗糙，材料强度差，成型后表面细节差

Polyjet与Polyjet矩阵


Polyjet技术的3D打印

这是最近才发明的技术，其中Polyjet矩阵是Object Geomatries公司2007年发布的。其技术原理是喷射超薄层的光固化物，并且可以喷射多种不同的材料，其最薄的层，只有16微米。

技术优缺点：

优点：成型精确、表面光滑、细节丰富、可以彩色成型

缺点：成型材料强度低

3D扫描

如果要进行3D打印，必须有数字化的3D模型才行。除了使用CAD等3D设计软件进行3D建模以外，必须有一种方法，把实物通过扫描的办法，形成数字化的3D模型，那就是3D扫描仪。


手持式3D扫描仪

常见的3D扫描仪有两种，一种是接触式的，一种是非接触式的。目前非接触式的面状光栅3D扫描仪是市场上的重点产品，这是结构光技术、相位测量技术和计算机视觉技术的组合。特点是速度快，精度高(0.03毫米)可扫描的物体体积大。

考古与医学应用

考古与古生物学

众所周知，很多文物非常的珍贵，所以不可能经常的搬动，3D打印技术，则可以复制这些文物，比如陶瓷器、青铜器等，用户可以知道其准确的3D形状，这对于提高文物的鉴赏水平是有帮助的，因为在某个特定历史时期，只会有一些特定的器形。在古生物学领域，可以通过3D打印来复制整个古生物的骨架和造型，让研究人员更立体。


3D打印立体文物

中国是文物大国，但是在历次战乱中，大量的中国文物去了国外，尤其是佛教的造像，很多都身首分离，身子还在国内，但是头首却要么被抢劫，要么被盗卖到了国外，通过3D打印技术，则可以对两部分分别进行3D扫描，通过计算机技术拼接成一整个佛教造像，再3D打印出来，形成完整的形状，还原历史的原貌。

医学

3D打印的医学应用很多，主要是复杂的手术和牙科。

人体本身结构的复杂往往超出我们的想象，有时候外科医生，对一些复杂的手术，往往只能通过CT、核磁共振等医学影像学资料进行可能的判断，进而进行手术，但是有的时候，复杂程度超出想象，手术成功率低。3D打印技术，可以利用已有的医学影像资料，先打印一个3D的病人模型出来，通过在模型上进行模拟，进而确定可行的手术方案。


3D打印帮助牙医给患者带来完美的口腔

牙医是另外一个3D应用的热门领域。在欧美，牙医之所以收入高，是因为这是一个需要凭借经验的工作，很多人在镶牙的时候，都咬过齿模，牙医再凭借经验进行修正。但是如果对患者的口腔进行3D扫描和3D建模、打印，那么就能够很高精度的打印出病人的口腔结构，进行帮助牙医制造出准确的假牙。

建筑、工业等领域应用

建筑

如果不是建筑学专业的人，恐怕没有几个人能够在看建筑图纸的时候就在头脑中构想出建筑物的3D形状。而通过人手工制作建筑模型则往往成本很高，因为欧美国家人工很贵。而通过3D打印技术，则可以很容易、很快的就能在短时间内打印出一个建筑模型，即便客户有修改意见，同样可以短时间内就完成一个的模型，提高设计阶段的效率。


3D打印的伦敦某街区的规划

工业


先3D打印一个等比缩小的实物再生产已经是很多家具企业的标准流程

工业是3D打印应用的核心领域。现如今工业设计非常非常重要，往往是一款产品成败的关键。在从设计到产品化的过程当中，3D打印技术的参与，加速了工业设计的步伐，因为3D打印技术能够快速的实现工业设计的实物化，尤其是汽车等领域，现在已经可以打印出很大的实物，而实物化是设计必不可少的一步，可以让无论是设计师还是企业的决策者非常直观的看到产品的形状，进而做出是否量产的决策。当然，由于选择性激光烧结等技术的存在，还能够进行小批量的生产，因为这一技术可以成型金属，有些时候小批量的3D打印，在成本上是优于数字机床切削或是开模铸造、冲压的。
娱乐业


图为《钢铁侠2》的手部道具，3D打印的产物

在电影中，我们看到过很多演员扮演的类人形的怪物，传统上，诸如好莱坞这样的制片基地，都是通过手工技术来进行这些特殊的造型，但是现如今已经基本都是3D打印模型的天下，很方便就能打印出一个个性化的怪物头套和全身装备，效果可以乱真。

3D打印，打印的未来?

3D打印这个词如今越来越热，并且很快的在全球范围内得到了应用。笔者在广东做工厂的朋友介绍，如今广东那边3D打印一个模型出来，收费大约在500元左右，对于产品的开发成本来说，并不算高昂，现如今4000块左右可以买到的3D打印机，能自己成型小的产品或是零件。

相比2D打印，每年几百亿乃至上千亿美元的市场来说，3D打印每年的市场空间只有几亿到十几亿美元，还是一个孕育中的市场。不过2011年2月的经济学家(The Economist)杂志说道“3D打印技术可以廉价的成型从单品到成千上万个产品，进而破坏规模经济，正如那些3D打印公司所做到的那样……正如1450年的印刷术、1750年的蒸汽机和1950年的晶体管，当时没有人能正确的预见他们在未来广阔的应用前景，没有人能预测3D打印技术的长期影响。3D打印技术已经到来了，它可能在未来破坏每一个它所触及的领域。”


3D打印巨头Stratasys已经于2008年在纳斯达克上市

但是我们看到，对于Stratasys、3D Systems等公司的发展壮大，传统的打印业巨头们都采取了按兵不动的观望状态。对于这些巨头来说，一来传统的2D打印业务目前市场还足够大，二来，这些3D打印公司对这些500强企业来说还足够小，一旦这些传统的打印巨头提起兴趣，在资本市场进行收购，并不是不可能。

文章来源：中关村在线

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