3D打印的诞生

点击量:897 发布时间:2017-04-17 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
3D打印使得生产单个物品与批量生产几乎一样便宜,这就削弱了规模经济。它对社会影响的深远程度可能同1750年的蒸汽机,1450年的印刷机和1950年的晶体管一样,没人能轻易预料。它迅速发展着,对每个相关领域都产生着巨大的影响。
——《经济学人》,2011年2月10日
3D打印的诞生
很多人以为3D打印是一项现代社会才诞生的技术。其实3D打印技术的雏形在19世纪中期就已经显现,那个时候被称为快速成型技术。早期的快速成型技术可以追溯到两个技术领域:照相雕刻和地形地势图。
1.最早的3D打印技术:照相雕刻
1859年,就在第十六任美国总统亚伯拉罕·林肯上任的前一年,法国巴黎的一位艺术家威廉·弗朗索瓦(François Willème)(1830-1905)开始研究如何模仿真人来制造雕像,他的方法叫做照相雕刻(Photosculpture)。现在看起来,这种方法非常接近目前3D打印所使用的各种技术:3D扫描、建立模型、再分层制造。
他面临的第一个难点,就是如何收集被拍摄者的三维数据。今天我们知道,可以用计算机建模CAD软件,或者用激光扫描设备来获取“点云数据”(point cloud),从而获取完整的三维数据。而在1859年,获取三维数据是很棘手的。
3D打印的诞生
面对这个难题,弗朗索瓦想到了借助摄影术来获取目标对象的三维数据。这种技术需要使用一个圆形平台,让真人真物位于平台中心,将24台照相机围成一个360度的环,每两台照相机相距15度,然后24台照相机同时进行拍摄,获取不同角度的照片。尽管拍摄成像的分辨率相对今天来说比较粗糙,但是拍摄出来的相片集已经包含了被拍摄者完整的三维数据。我们今天的3D扫描技术,都是通过收集和记录从物体表面反射的电磁辐射,以便存储用于三维模型的数据。我们现在回过头来看弗朗索瓦的这项技术,尽管比较原始,但是其实与我们现代的主流三维扫描原理并无太大差别。对于那个时代来说,是一项很了不起的发明。
3D打印的诞生
我们知道3D打印是一个把材料层层增加、堆叠的过程。为了获取每一层的信息数据,弗朗索瓦把每张拍摄的相片投影到一个大屏幕中,然后他需要把制造每一层的图形转换成动态数据。实现这个功能的是一个当时已经存在250年的技术:一个与切割机相连接的比例绘图仪。这也是数控(numerical control)的前身。人们在比例绘图仪的一端跟踪操控每一张相片轮廓,另一端切割木头薄片,比例绘图仪能够改变原始投影的大小,可以任意放大或缩小。最后把所有的木头薄片层层堆叠,重叠起来,并由熟练的工匠或艺术家进行整体艺术加工,一个活灵活现、颇似真人的三维雕像便完成了。这就是照相雕刻,或者叫光刻工艺(Photosculpture)。从图中雕塑中我们可以看到,弗朗索瓦的这项技术尽管比较简单,但是已经开始显露出3D打印的雏形。

3D打印的诞生3D打印的诞生
拿破仑的波兰夫人玛丽·瓦莱弗斯卡(de la comtesse Walewska)的雕像
弗朗索瓦的技术与今天的3D打印十分相似:一,采集目标对象的三维数据,并进行切片分层;二,利用每一层的切片信息来构建真实的材料层,并层层堆叠直到物体成形。1864年,弗朗索瓦因为他的发明被授予专利,公开号US43822A。
3D打印的诞生
2.地貌学的起源:蜡板层叠的诞生
地图是我们了解世界的重要方式之一。传统的二维平面地图并不能展示更多的人工或自然的地理细节,因此早在一百多年前,就有人在探索具有三维结构的地形地势图了。
3D打印的诞生
前奥地利军官Joseph Blanther于1859年出身于奥地利,当他19岁时,他就成为了奥地利军队的中尉。1878年12月12日,因为在战役中的出色表现,他被皇帝弗朗茨·约瑟夫(Emperor Franz Josef)封为爵士。
1892年,Blanther发明了用蜡板层叠的方法制作等高线地形图的技术并被授予专利。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,进行平滑处理。这种方法能够根据等高线指示,制作具有正负海拔之分的三维表面。在这些表面进行适当的背衬之后,印刷压制纸张来构建地势图。
3D打印的诞生
今天我们的3D打印技术已经能够让普通人在家里制作出任何地方的三维地形图了,比较有名的有R&DTechnologies,作为全球知名的3D打印企业Stratasys在新英格兰的分销商之一,他们创建了一个STL文件生成器,可以通过Google地球输出地形图的3D数据,然后直接打印出来。
3D打印的诞生
我们今天来看Willème开创的照相雕塑以及Blanther发明的地势图,尽管当时的技术不能跟今天相提并论,但是已经构建了3D打印的雏形,为今后的3D打印技术突破打下了良好的基础。人类文明就是建立在一代一代科学的成果上。我们今天所看到的世界,就是以前的人们利用科学技术和文化知识作为材料,像3D打印一样,构建出一层一层,层叠而出的世界。这个世界是一个层累的文化结构,今天的我们,踩在这个文化结构的最顶端,依然在不断进步,不断往上堆叠人类的文明成果。3D打印的前景,也随着人类技术的进步迭代而变得更加明朗。
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