3D列印技術的早期發展歷程

2021-02-24 3D列印文化博物館
在3D列印技術到來之前，人類的三維製造技術過程都是刪減的，也就是從一大塊材料中雕刻或加工物品，我們把這種工藝稱之為「減材製造」。任何工藝的發展史都不是線性的，要了解3D列印技術，我們需要深入探索3D列印技術最早的起源。

2011年，來自美國德州大學奧斯汀分校的約瑟夫·比曼從照相雕塑和地貌成形技術兩個角度追溯了3D列印從19世紀中期到20世紀70年代的歷史。

其中，照相雕塑是指先用相機和鏡頭獲取物體外形，然後模擬照相製版法製造出物體。該技術始於1863年François Willème被授予照相雕塑專利之時。

照相雕塑

地貌成形技術是指先用線性方式描繪物體的外形，再用線性形式複製出該物體。這種工藝始於1890年，是將地形等高線層壓到一系列的蠟片中，並根據等高線切割蠟片。

比曼根據這兩種技術差異將3D列印的發展主要分為兩個方向。一個是用分層物體製造的方式進行3D列印，比如FDM技術；另一個（照相雕塑）則利用光照使光敏樹脂固化，比如SLA技術。

後來班傑明·切維頓將照相雕塑機進行了改進，於1884年獲得了縮放雕塑的雕塑印表機專利。切維頓的機器現在收藏在倫敦科學博物館。

1838年，法國工程師兼設計師阿希爾·科拉斯利用縮放雕塑設備製成的羅伯特·騷塞（Robert Southey）先生的浮雕。（愛丁堡大學圖書館）

如今切維頓的許多雕塑作品至今仍可以找到，加拿大安大略美術館就有他的200多件作品。於此同時，法國工程師兼設計師阿希爾·科拉斯利用縮放儀研究出另一種雕塑的製作方法。前面提到的製造設備被認為是數控銑床的前身。而數控銑床則是3D印表機的前身。

加拿大安大略美術館裡的雕塑作品

在前面提到的第一種工藝——照相雕塑技術中，發明人威廉在巴黎建了一個工作室，從1863年到1868年一直在運作。美國人卡洛·貝斯建議在威廉的製作工藝中加入明膠使雕刻品更為柔和，把一層層膨脹膠質疊放起來，製造出浮雕效果。但現在來看這種工藝並不可行，因為在添加新層時，上一疊層可能已經收縮變硬了。

感光材料的發展，起源於1839年蒙戈·龐頓發現鉻合金硬化材料開始，直至20世紀早期利用陶瓷照相製作浮雕瓷磚，這些工藝為20世紀的快速成型工藝奠定了基礎，標誌著光敏樹脂浮雕工藝的誕生，它是現代3D列印技術的重要組成部分。

在早期的照相浮雕製作工藝中，人們通過加入感光明膠，一旦經過水洗後，明膠就會形成有色調的浮雕：亮區凸出來，暗區凹進去。比較有代表性的作品是約翰·湯普森於1877年製作的「倫敦街頭生活」，這也是最早的社會紀實攝影之一。

約翰·湯普森，「倫敦街頭生活」，1877

為了製作出更具立體感的三維物體，工程師奧託·芒茲申請了「照相凹版記錄」專利。通過依次曝光一層照相乳劑，通過光照使之固化，以此來製造三維物體。待曝光照片用光敏樹脂來進行處理，圖片在曝光後硬化。

奧託·芒茲「照相凹版記錄」專利圖解，美國專利2775758

直到20世紀60年代，光敏樹脂才開始在印刷界廣泛使用。光敏樹脂材料的廣泛運用，為1986年第一臺光固化3D印表機的發明奠定了基礎。

全球第一臺SLA光固化3D印表機

除了材料的發展，3D列印技術的發展史也與工程技術的發展密不可分，特別是數控銑床（CNC）以及計算機輔助技術（CAD）。在未來我們會從工程的角度來與你一起探討3D列印的發展。

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