【南极熊3D打印文化】你一定不知道的早期3D打印技术发展史（1860-1984）

早期3D打印技术发展史（1860-1984）

3D打印的起源可以追溯到至少两个技术领域：地形学和照相雕塑。

1地形学

1892年，Joseph Blanther发明了用蜡板层叠的方法制作等高线地形图的技术。该方法包括在一系列蜡板上压印地形等高线，然后对蜡板进行切割，将每一层蜡板堆叠起来。

Blanther发明的分层地形图

1940年，Prera提出了一种类似的方法，在硬纸片上切割等高线，然后堆叠并粘贴这些纸片来形成三维地图。1964年，这种方法的改进由Zang提出，他使用了刻有地形细节的透明板。1972年，三菱汽车的Matsubara使用光固化材料在制作地貌地图。在该方法中，将光敏树脂涂覆到耐火颗粒（例如石墨粉末或砂）上，然后将其铺展成片层并加热以形成粘结片材。汞蒸气的光选择性地被扫描到该片材上，被扫描到的部分变得硬化，未扫描到的部分被溶解剂溶解掉。以这种方式形成的许多薄片随后堆叠在一起以形成铸模。1974年，DiMatteo意识到这种堆叠技术能够用来生产传统加工能以制造的零件，包括螺旋桨，机翼，三维凸轮以及用于冲压机的模具成型。在一个实例中，材料的外轮廓由铣刀加工而成，然后通过粘合或螺栓连接。这种加工工艺与19世纪3D打印的早期工作有明显的相似性。

DiMatteo(1974)利用分层堆叠技术设计的模具

1979年，东京大学的Nakagawa教授开始使用层压技术生产实际工具，如下料工具、压制成型工具和注塑工具。特别值得注意的是，Nakagawa教授提到注塑模具中复杂冷却通道的可能性。

2照相雕刻

照相雕刻（photosculpture）最早出现于19世纪，当时已经有很多人在探索如何创作出包括人像在内的三维雕塑。法国人François Willème在1860年成功实现了照相雕刻技术。受试者被放置在圆形室中，由围绕房间的24个照相机同时进行拍摄，然后每台照相机拍下来的照片提供给Willème工作室，工作室里的每名工匠雕刻整个三维雕塑的1/24。

海军上将Farragut，1860

FrançoisWillème在巴黎的雕刻工作室

为了减轻Willème照片雕刻技术的劳动密集的雕刻步骤，1904年，Baese发明了一种使用特殊光照来曝光光敏明胶的技术，当用水处理后，光敏明胶与曝光成比例地膨胀。处理过的明胶周围的环形物被固定在支撑物上，以制成物体的复制品。Monteah于1924年开发了类似的技术并加以改进。

Baese开发的塑料物品的制作过程

在日本早期的一些作品中，Morioka于1935年开发了一种照片雕塑和地形学结合的技术。这种方法使用结构光（黑白光带）来创建物体的轮廓线。这些轮廓线可以被显影成片材并且被切割和堆叠。

Morioka（1935）制作立体模型示意图

1956年，Munz开发了一种具备现有光固化技术的设备系统。这种系统用来分层曝光透明的感光乳剂，每层来自于被扫描物体的横截面。当每一层曝光结束后，通过降低圆筒中的活塞来加入适量的感光乳剂和固定剂。在通过一系列的曝光和固定之后，所得到的实心透明圆柱体包含物体的图像。随后可以手动雕刻或者光化学蚀刻出该三维物体。

由Munz（1956）开发的三维物体图像

3早期的固态成形技术

1977年，Swainson发明了利用两个激光束交叉处的光敏聚合物来复制三维聚合物的方法，从而实现塑料材料的直接制造。同样的研究于1984年在巴特尔实验室（Battelle Laboratories）展开，该研究项目被称为光化学加工（photochemical machining）。尽管当时为这项技术提供了完善的实验室硬件支撑，但是没能够实现商业化。

1977年，Swainson发明的相交激光束

1972年Ciraud提出了一种粉末工艺，与今天的激光表面熔覆技术相似。在制造过程中，小颗粒通过重力，静磁场，静电或者挤出喷嘴覆盖在平台上，随后利用激光，电子束或等离子束对颗粒进行局部加热。被加热的颗粒彼此粘附，形成连续的一体。可以使用多个激光束，以便增加颗粒之间粘合的强度。

Ciraud(1972)提出的粉末激光扫描工艺

1981年，名古屋市工业研究所的Hideo Kodama发明了利用光固化聚合物的三维模型增材制造方法。他研究了三种增材制造的设备方案：

a)利用掩模来控制UV光源的曝光区域，并将模型向下浸入光聚合物液体槽中以便产生新层。

b)同样使用掩模，但将掩模和曝光定位在槽的底部，并向上绘制模型以创建新层。

c)如第1种方法那样浸没模型，但使用x-y绘图仪和光纤来制造新层。

Kodama研究的三种增材制造方法（1981）

同是1981年，Ross F.Housholder注册了类似于激光烧结（SLS）的专利，利用三维软件程序创建3D模型，将数据发送到打印设备实现3D打印。这台设备支持三种材料：石膏粉和沙子的混合物；可熔化的粉末和不会被熔化的支撑材料粉末混合物（打印结束后会高温加热进行硬化处理）；环氧树脂硬化剂混合物。遗憾的是，这项技术未能成功实现商业化。

RossF.Housholder的打印设备专利示意图（1981）

1982年，3M Corporation公司的Herbert创建了一套3D打印系统，利用x-y绘图仪的镜像系统将紫外激光光束投射到光敏树脂层面上。在Herbert的系统里用计算机来控制穿过层面的激光束，然后降低光敏树脂容器1mm左右，加入新的一层液态光敏树脂。

Herbert的光固化工艺示意图（1982）

早期3D打印产品

世界上早期固态成形技术的3D打印的作品长什么样？如图所示，图中的三件作品来自于不同的3D打印设备系统，从左到右依次为Kodama，Herbert，Housholder制造的产品。中间的产品（Herbert）诞生于1979年8月，Kodama和Housholder的产品诞生日期还没有相关历史资料记录。

三件早期的3D打印产品；从左至右的发明者依次为Kodama，Herbert，Housholder

我们可以看到，自20世纪60年代开始，美国在3D打印技术上的制造原理已经非常接近现在的光固化成型技术。但由于受到计算机、激光、材料等领域的技术限制，3D打印迟迟没有实质性的发展。1860至1984年之间，在美国注册的相关技术专利不到20项。

如果你想了解更多的3D打印文化，请关注【创克加科技】