在快速原型制造技术中(上世纪60年代，杜邦推出了光固化技术，用激光制造固态物体)

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文/清月夜话

编辑/清月夜话

这是在上世纪60年代末尝试使用激光来制造固态物体，通过使用光固化树脂。这个尝试发生在美国俄亥俄州哥伦布市的Battelle纪念研究所。在这个创新性的实验中，两束不同波长的激光被指向一透明容器中的树脂交叉点。

在树脂池中，激光束交叉点的地方，树脂交联并固化成固体。在上世纪50年代，杜邦已经推出了树脂的光固化技术。与这个方法相似，斯温森在1967年在丹麦申请了一个名为“全息成像产生3D图像的方法”的专利，他的程序也是基于双激光束方案。

从1967年到1994年，激光诱导光固化技术正在不断发展，但直到那时还没有将功能齐全的3D打印机推向市场。早在1970年代初，一家名为FormigraphicEngineCo.的公司应用了双激光束交叉点专利，旨在推出第一台商用激光原型机。当时，他们将该技术称为“光化学加工”。

然而，这家公司在1974年成功展示了3D物体的制造。后来，Formigraphic成为了OmtecReplication，并在DARPA资助下领导了类似技术的发展。随着这个十年的结束，DynellElectronicsCorp.获得了一些关于固态摄影的专利。

他们的发明描述了用机器或激光在任何软材料上切割横截面，通常是纸板或塑料，通过计算机控制将这些横截面逐层堆叠，形成3D物体。

现在，这种技术被称为层叠物体制造。Dynell在1977年与UnitedTechnologiesCorp.合并。他们的合并是独立的，并被称为SolidPhotography。这家公司开设了一个名为Sculpture的附属零售店，到1981年中期已经改名为RoboticVision。

光固化技术的出现

根据许多来源的报道，日本名古屋市工业研究所的工作人员HideoKodama是最早发明单光束激光固化方法之一的人。

在1980年中期，他在日本申请了一个专利，但不幸的是，由于日本专利申请程序的要求，该专利未能进入审查阶段而过期。Kodama显然在获得额外的研究和开发资金方面遇到了困难。

在1981年，他发表了一篇题为“自动制造三维模型的三维显示方案”的论文，以及另一篇题为“用光固化聚合物自动制造三维塑料模型的方法”的论文，详细概述了他的工作，并向公众开放了这项技术。

在他的实验中，使用水银灯将紫外线投射到一种名为Tevistar?的光敏光固化树脂中，这种树脂由Teijin生产。在Kodama的创新技术中，使用黑白膜作为掩模，精确确定对紫外线照射的区域，从而定义每个横截面。

x-y绘图仪的应用，以及光纤作为紫外线的载体。他的方法被CMET公司应用于SOUP530、600和850立体光固化系统。

引用了一句话：“如果固化的层被浸入液体中，其顶部深度等于要固化的层的厚度，其顶部表面将被未固化的液态聚合物覆盖...”，实际上描述了立体光固化技术的主要核心步骤。Kodama的实验和论文被认为是全球首次成功应用增材制造技术的例证。

然而，真正可在市场上购买的增材制造技术首次出现在1987年，由3DSystems开发的光固化立体造型。他们的工艺涉及使用紫外激光束固化薄层光敏液体树脂聚合物。他们推出了SLA-1，成为全球第一台商用可用的增材制造机器。

该系统是SLA250机器的前身，后者成为一款商业成功的产品。SLA250后来被ViperSLA所取代，现在又被ProJet系列SLA打印机所取代。

一年后的1988年，3DSystems和Ciba-Geigy合作，旨在开发立体光固化材料，并推出了第一代丙烯酸酯树脂。杜邦在同年开发了名为Somos的立体光固化系统，并配套合适的树脂。Loctite也曾试图在1980年代末进入SL树脂市场，但在1993年关闭了相应部门。

在1988年和1989年，日本的NTTDataCMET和索尼/D-MEC推出了商业化的立体光固化技术，作为对美国3DSystemsSL的回应。NTTDataCMET将其机器称为固体物体紫外绘图仪，而索尼/D-MEC称其设备为固体创造系统。

索尼在2007年停止了D-MEC的SL系统生产。在1988年，旭电化工推出了适用于CMETSL机器的第一款环氧树脂。在1989年，日本合成橡胶和DSMDesotech开始为索尼/D-MEC的立体光固化机器提供聚合物。

在1990年，德国的ElectroOpticalSystems销售了其第一台Stereos立体光固化系统。同年，Quadrax推出了Mark1000SL系统，该系统采用可见光树脂。随后的一年，帝国化学工业推出了Mark1000的可见光树脂产品。ICI在大约一年后停止销售其树脂，因为与3DSystems有法律问题导致Quadrax解散。

杜邦推出新技术

在1991年，市场上推出了三种增材制造技术，分别是由Stratasys创造的熔融沉积建模，Cubital推出的固体地面固化以及Helisys的层压对象制造FDM利用熔融的热塑性聚合物丝作为材料，逐层构建物体。

SGC使用紫外敏感的液体聚合物，通过电静电调色剂在玻璃板上制作的掩模，每个完整的层通过紫外线固化。LOM使用数字引导的激光切割薄片材料，并将堆叠的层粘合在一起形成3D物体。Cubital和Helisys现已退出市场。

在1992年，DTM推出了选择性激光烧结技术，而TeijinSeiki则推出了Soliform立体光固化系统。SLS利用激光作为极端热源，通过局部熔融粉末材料。

杜邦最初开发了Soliform技术，名为Somos，并将其授权给TeijinSeiki，在东亚部分地区拥有独家分销权。同年，一家名为AlliedSignal的公司推出了用于SL应用的乙烯醚Exactomer树脂聚合物。

在接下来的一年，德国的Soligen推出了名为直接壳体生产铸造的设备。DSPC采用喷墨打印机机制，将液体粘合剂喷射到陶瓷粉末上，形成后续用于熔模铸造的壳体。Soligen使用的专利是由麻省理工学院申请的。

2006年1月，Soligen停止了DSPC系统的生产。同年，Denken推出了一款采用固态激光的SL系统。值得一提的是，Denken的SL系统可能非常紧凑，可以放在实验台上，并且价格相对较低，相比市场上其他SL系统来说。

在1993年，3DSystems和Ciba推出了首款用于SLA的环氧树脂产品，面向商业市场。在同一时期，还推出了QuickCast结构化方案。

uickCast至今仍在使用，它是一种生产中空熔模铸造模具的工艺。在铸造完成后，聚合物模具会燃烧掉，而不会损坏脆弱的陶瓷壳体。在1994年，许多新的增材制造系统进入了市场。Solidscape推出了ModelMaker，许多日本和欧洲公司也推出了许多新的系统。

ModelMaker利用喷墨打印头，能够逐层沉积蜡状材料。为了开拓一个新的市场领域，即珠宝制造商，日本的Meiko生产了一种新颖的小型立体光固化设备。但从2006年起，Meiko不再涉足立体光固化行业。此外，在日本，KiraCorp.推出了它的第一台非立体光固化设备。

该设备名为SolidCenter，实际上是一个完整的LOM系统，具有典型的激光打印机引擎、调色剂、x-y绘图仪和刀具；它能够通过纸张层压制作出类似木材的模型。Kira称SolidCenter为第一台普通纸张3D打印机。

同年1994年，德国的Fockele&Schwarze推出了一台立体光固化机器，但规模有限，而德国的EOS公司推出了一台基于激光烧结技术的打印机EOSINT。日本的Ushio在1995年销售了它的第一台立体光固化机器。

第一台3D打印机

在1996年，Stratasys推出了Genisys机器。这种类型的打印机采用了类似FDM的挤出工艺，但基于IBM沃森研究中心开发的技术。作为立体光固化系统市场的近十年竞争对手，3DSystems在1996年向市场推出了其第一台3D打印机，采用了一种逐层沉积蜡质材料的技术，利用喷墨打印机机制。

同年，一家名为ZCorp.的公司推出了Z402建模3D打印机，针对概念性使用。Z402机器利用了麻粉或石膏粉末和水溶性液体粘合剂，采用麻省理工学院的喷墨打印技术制造模型。

同样在1996年，SchroffDevelopment开始向市场提供价格低于1万美元的半自动纸张层压系统。BPMTechnology也于同年开始销售其PersonalModeler2100型号。该机器采用了一种名为弹丸颗粒制造的工艺，通过喷墨打印头沉积蜡质材料层。然而，该公司在1997年10月停止运营。

在新加坡成立的Kinergy开始销售其Zippy纸张层压系统，其工作方式与LOM工艺类似。AeroMet成立于1997年，是MTSSystemsCorp的子公司。该公司开发了一种名为激光增材制造的工艺，使用高功率激光和钛合金粉末。

直到2005年12月停止运营，AeroMet是航空航天业的3D打印零部件分包商。同年，Ciba从AlliedSignal收购了Exactomer树脂业务。在1998年，位于北京中国的银华激光快速原型制造与模具技术有限公司积极推广其产品。

巧合的是，北京清华大学是这些系统的原始开发者，自1996年以来就已经开发了与FDM和其他增材制造技术类似的工艺。

Autostrade在同一年开始向日本企业销售一种名为E-DARTS的立体光固化系统，价格不超过25,000美元。同样在1998年，Optomec推出了其激光工程净成形金属粉末系统，该机器基于Sandia国家实验室开发的技术。

从那时起，市场开始更加开放，国际上对这类系统的需求也越来越大。在1999年3月，3DSystems推出了一种名为ThermoJet的机器，这是Actua2100的更快、更低成本的版本。当时，3DSystems正在以80万美元的价格销售其SLA7000系统，这是全球范围内塑料材料最昂贵的增材制造系统。

在1999年4月，受摩托罗拉的委托，名为ExtrudeHoneAM业务的公司安装了其第一台ProMetalRTS-300系统，用于制造金属零件。该机器采用了麻省理工学院的3DP喷墨打印技术。

同年，德国的Fockele&Schwarze公开了其用于钢粉的选择性激光熔化系统。该系统是与德国亚琛的Fraunhofer激光技术研究所合作开发的。

同一研究所为R?ders提供了技术支持，他们开发并销售了其控制金属堆积机器。同样在1999年，DSM从杜邦手中收购了Somos分支。

在2000年1月，Helisys宣布丰田机械制作公司将在日本制造和销售LOM系统。同年6月，丰田在东京的一次技术展上展示了基于LOM技术的自有机器。

SandersDesignInternational在2000年1月宣布开发了一种名为RapidToolMaker的系统，并宣布已将RTM技术授权给了名为BussModelingTechnology的德国公司。

BMT以前称为BussMüllerTechnology，其战略计划是制造RTM系统并提供给欧洲市场。当时，BMT宣布制造和销售一款基于粉末和粘合剂技术的彩色3D打印机，该技术由荷兰的AadvanderGeest开发，与ZCorp的3DP过程非常相似。

自21世纪初以来，市场上有许多可用于制造层叠结构的系统，现在称为3D打印结构。现如今，许多价格实惠的系统都可以在开放市场上获得，甚至有些是DIY套件，适用于几乎所有的工业领域，以及娱乐和兴趣爱好，这将在后面的内容中展示出来。

截至2009年，3D打印的层叠技术主要被应用于工业领域，如上文所述。然而，恰好在那时，保护融合沉积建模——现今最简单和最常用的3D打印技术之一的专利到期了。

得益于RepRap项目的使命和愿景，即打造一台自我复制的3D打印机，第一台桌面3D打印机诞生了。

这引发了一股浪潮，许多制造商纷纷效仿，初始价格在2000年初为20万美元的3D打印机突然跌至2000美元以下，消费者3D打印市场在2009年迅速起飞。如今，一台简单的DIY系统只需要约150美元，适合爱好者使用。

自那时以来，3D打印销售和市场一直飞速增长。当然，关键的增材制造专利已经过期，技术对更多有才华的人开放，因此预计在不久的将来会有更多的创新，主要和细分市场将产生巨额收入。

目前全球几乎有30万企业用户和100多万私人3D打印机所有者，这些数字每两年翻一番。3D打印行业仍处于起步阶段，正在不断壮大。在过去的两年中，生产3D打印机的公司数量翻了一番。

根据2017年Wohler的报告，2016年有97家制造商生产和销售增材制造机器和设备，一年后这个数字减少到了62家。2016年全球增材制造行业实现了60.63亿美元的收入，约为预测值的三倍。