第1章 3D打印的历史及发展
3D打印（3D printing）是一种以数字设计文件为基础，使用可黏合材料如塑料、陶瓷、粉末状金属，通过层层累积的打印方法来构筑物体的快速成型技术，一般是借助数字技术材料打印机进行工作的。3D打印以前常被用于模具制造、工业设计等领域的模型制造，而如今被广泛用于部分产品的直接制造，并且已经有用该技术打印而成的零部件投入使用。该技术在服饰类、土木工程设计和施工、交通运输、航空航天、医疗产业、教育、地理信息系统、武器以及其他领域都有所应用。
3D打印技术以计算机3D设计模型为输入，通过分层离散软件和数字化控制成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式对树脂、陶瓷粉末、塑料、金属粉末、细胞组织等原材料进行预处理，再将其逐层堆积黏结，*终叠加成型得到实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械方式对原材料进行加工的等材、减材制造工艺不同，3D打印先在计算机上构建虚拟立体模型，再将其分为若干个2D平面，然后将处理后的原材料逐层叠加进行生产。这种增材制造工艺大大降低了生产过程的复杂度。3D打印无需繁复的制造工艺、庞杂的生产设备以及众多的人力资源，只需要提前在计算机中建好虚拟模型数据，便可构筑预想的3D实体产品。这就使得更多的人可以利用3D打印技术从事一些生产制造。
1.1 3D打印技术概述及发展史
3D打印并不是21世纪新兴的技术，它起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得到快速发展与拓宽。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。3D立体打印一般是借助数字技术材料打印机来实现实体产品的产出。21世纪以来，数字技术材料打印机的产量与销量随着科学技术的发展极速增长，与此同时，价格也逐年下降。
在20世纪90年代中期出现的3D打印技术，实质上是通过基于光固化和纸层叠加等技术的*新快速成型装置实现的。
1.1.1 3D打印技术的简介
日常生活中，计算机设计的2D图案、文字等虚拟信息可以通过普通打印机呈现在平面纸张上。3D打印机其实和普通打印机在原理上是相同的，只是所用的原材料有所区别。普通打印机是用墨水在纸张上呈现平面图案，而3D打印机则是将真正的原材料如金属粉末、树脂、陶瓷粉末、塑料等分层叠加，呈现3D实体。3D打印机在计算机程序控制下可以把“打印材料”分层堆垛起来，*终把计算机中的虚拟模型变成现实中具体的实物。言简意赅一点，即3D打印机是能够“打印”出真切的3D空间立体物体的一种装置，比如打印建筑物，打印装饰品、打印各种复杂零部件，甚至是生物组织、器官等。这项技术在原理方面参照了普通打印机技术，并且其分层打印的加工过程与喷墨打印相仿，因此被通俗地称为3D立体打印技术。3D打印技术制作的模型如图1.1所示。
图1.1 3D打印技术制作的模型
3D打印机工作过程与打印一份纸质文件相仿：点击计算机程序界面的“打印”按键，相应的数字信息就可以被输送到一台喷墨打印机上，打印机再控制墨水在纸的表面进行喷印，从而呈现一个2D图像。而在3D打印时，除了通过计算机辅助设计（CAD）技术软件进行建模外，还需要使用相关软件对虚拟模型进行一系列数字切片。然后将这些切片的数字信息传输到3D打印机中，打印机就会逐层打印连续且有一定厚度的薄层，并将其叠加起来，直至一个3D实体成型。3D打印机与普通2D打印机*大的不同在于所用的耗材，也就是2D打印机用墨水，3D打印机用的是真正的原材料。3D打印技术制作的高精度模型如图1.2所示。
图1.2 3D打印技术制作的高精度模型
1.1.2 3D打印技术的大事年表
在1860年，法国雕塑家弗朗索瓦 威廉姆（Francois Willeme）设计出一种获取物体3D图像的方法，这种方法是将24台照相机围成360°的圆，并同时进行拍摄，然后用与切割机相连接的比例绘图仪绘制模型轮廓。这种技术被称为照相雕塑（photosculpture）。
1892年，法国人约瑟夫 布兰瑟（Joseph Blanther）首次在公开场合提出使用层叠成型方法制作地形图的构想，随后，Blanther发明了一种使用蜡板层叠成型制作地图的方法，具体操作就是通过在一系列蜡板上压印地形等高线，然后切割蜡板，将其层层堆叠之后，*后进行平滑处理。
以上两件事都是3D打印技术的启蒙性事件。
随后在1940年，佩雷勒提出了与约瑟夫 布兰瑟类似的想法，就是可以沿着等高线轮廓切割硬纸板然后层叠成型制作3D地形图。
在1972年，Matsubara基于佩雷勒的纸板层叠技术构想提出了使用光固化材料。具体的操作方法就是将光敏聚合树脂涂抹在耐火颗粒上面，随后，将这些涂抹有光敏聚合树脂的耐火颗粒填充在叠层之间并进行加热，就会生成对应的板层，紧接着将光线有选择性地照射到板层上，被光线照射到的部分就会发生固化，未被照射到的部分可以使用有机化学溶剂进行清洗并溶解掉，这样依次类推，*后叠加形成设计者需要的立体模型。这种方法适用于难以加工的模型，或者是使用传统工艺铸模比较困难的模型。
在1977年，Swainson提出了可以使用激光对光敏树脂进行选择性照射来制作模型，在同一时期，美国的巴特尔实验室和Schwerzel也开展了类似的研究工作。
在1979年，日本东京大学生产技术研究所的中川威雄（Takeo Nakagawa）教授发明了叠层模型造型法，并且使用该方法进行了模型的制作，成功制作出了一些工具，包括落料模、注塑模和成型模。
1980年，日本名古屋市工业研究所的久田秀夫（Hideo Kodama）发明了利用大桶光敏聚合物成型的3D模型增材制造方法，并于当年的5月申请了该项技术的专利，但久田秀夫教授并没有将其进行商业化。
直到1982年，美国人查尔斯 胡尔（Charles W. Hull）开始尝试将光学技术应用于快速成型领域，并且在1984发明了立体光固化成型（stereo lithography appearance，SLA）打印技术，它的工作原理就是通过激光对光敏树脂进行选择性照射来实现快速成型，这项技术会在后述章节中进行详细讲解。正因为查尔斯 胡尔的杰出贡献，他被称为3D打印之父。这一年也被称为SLA打印技术元年。
在1986年，查尔斯 胡尔利用这项技术成立了3D Systems公司，这是世界上第一家3D打印公司，使用的技术在当时被称作“立体光刻技术”，它的原理就是使用液态光敏树脂和激光进行建模。该公司还发明了STL格式的文件，这种格式的文件可以将传统的CAD模型进行三角化处理，时至今日，这种模式依然是进行3D打印切片的标准模式。
这一年除了查尔斯 胡尔成立了3D Systems公司以外，NSF（美国国家科学基金会）还资助了Helisys公司研发出叠层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）打印技术，这种技术的工作原理是将切割的片材进行黏合，*后形成立体的3D模型，后文也会对该技术进行详细讲解。这一年被称为LOM打印技术元年。
1988年，美国人斯科特 克鲁普（Scott Crump）发明了熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM）打印技术，这种技术的工作原理是将打印所用材料加热至熔融形态，再从喷头处挤出，层层叠加，待冷却后形成所需要的模型。这种技术因为成本低、操作便利的特点受到了3D打印技术爱好者的广泛关注。同年，在美国加利福尼亚大学洛杉矶分校作为访问学者的颜永年回国，建立了清华大学激光快速成型中心，他成为中国快速成型技术的先驱者。这一年被称为FDM打印技术元年，也是3D打印技术开始在国内兴起的一年。
在1989年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的卡尔 德查德（Carl Dechard）发明了SLS打印技术。这种打印技术的全称是选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）打印技术，其工作原理可简述为：通过激光将粉末进行烧结，*后通过层层叠加形成3D模型。卡尔 德查德通过这项技术成立了DTM公司，因此，这一年被称为SLS打印技术元年。
在1989年，斯科特 克鲁普凭借着FDM打印技术创办了Stratasys公司。
在1991年，美国Stratasys公司制造出第一台熔融沉积造型机，美国Helissy公司推出第一台LOM设备，以色列Cubital公司发明了面曝光制程固化（solid ground curing）技术。
在1992年，斯科特 克鲁普创办的Stratasys公司推出了第一台基于FDM技术的3D工业级打印机—“3D造型者”（3D Modeler），这台打印机的推出标志着3D打印技术正式进入商用时代。同年，卡尔 德查德创办的DTM公司推出首台SLS打印机。
在1993年，美国麻省理工学院的伊曼纽尔 赛琪（Emanual Saches）教授发明了3DP（three-dimensional printing）技术。该项技术的工作原理是将金属或者陶瓷粉末黏结成型，建造出3D模型，使用到的黏结材料是黏结剂。两年后，也就是1995年，麻省理工学院将该项技术授权给了Z Corporation并进行了商业应用，随后，该公司基于这项技术开发出了世界上第一台彩色的3D打印机。
1993年，我国成立了第一家3D打印公司。
1994年，瑞典ARCAM公司发明了电子束熔融（electron beam melting，EBM）技术。该项打印技术的工作原理与SLS打印技术类似，都是粉末烧结成型，只不过EBM打印技术是由电子枪来提供能量的。同年，中国西安交通大学的卢秉恒教授开始研发国产3D打印机。
1995年，德国Fraunhofer激光技术研究所（Fraunhofer Institute for Laser Technology，ILT）推出选择性激光熔融（selective laser melting，SLM）技术，该项技术的工作原理是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化，经冷却凝固而成型的一种技术。所以，这一年被称为SLM打印技术元年。
同年的9月18日，西安交通大学的卢秉恒教授及其团队研发的样机在国家科学技术委员会论证会上获得很高的评价，并且为团队争取到“九五”国家重点科技攻关项目资助。我国西北工业大学的黄卫东教授提出了一个关于快速成型技术的新构思：把3D打印技术和同步送粉激光熔覆技术相结合，形成一种新技术，用于直接制造可以承载高强度力学载荷的致密金属零件。
1996年，世界多个3D打印公司如美国3D Systems、美国Stratasys、美国Z Corporation等，分别发布了新的设备，并且从这一年开始，对于这种技术的称呼转变为更简洁明了的“3D打印”技术。所以这一年也可以称为“3D打印”名称的元年。
1997年，德国的EOS公司将其公司内的立体光固化成型业务出售给3D Systems公司。
1999年，Wake Forest再生医学研究所使用3D打印技术配合生物培养技术培养了人造膀胱并将其成功移植到了患者体内，这次手术的成功开创了3D打印技术用于医学中的先河，意味着3D打印器官移植到患者体内的愿望成为现实，所以，这一年也被称为医学生物3D打印元年。
2000年，我国在“863”计划、“973”计划和国家自然科学基金重点项目等开始对激光立体成型立项支持。
2001年，以色列Solidimension公司推出了第一台桌面级别的3D打印机，大大降低了科研人员和其他群众使用3D打印机的门槛。同年，美国3D Systems公司收购了DTM公司。
2002年，美国的Stratasys公司推出Dimension系列桌面级3D打印机，这种打印机使用的技术
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