增材制造简史

这篇文章受Wohlers Report 2024最新发布的相关文档启发，仅对增材历史做类似的简单重述，希望对刚进入增材制造的从业者有帮助。

增材制造(Additive Manufacturing，简称AM)技术，也被称为3D打印技术，起源于20世纪60年代末。尽管当时这项技术还十分原始，但经过半个多世纪的发展，如今已经成长为一个蓬勃发展的高科技产业，在工业制造、医疗、航空航天等领域发挥着越来越重要的作用。

本文将回顾增材制造技术的发展历程，探讨其中的关键事件、重要人物以及具有里程碑意义的技术突破。

增材制造技术的雏形可追溯到1960年代末。1967年，丹麦人 Swainson申请了一项专利，提出利用两束不同波长的激光在树脂中的交点处固化材料，从而制造三维物体的方法。尽管这一设想并未真正实现，但为后来的光固化增材制造奠定了基础。

20世纪70年代初，Formigraphic Engine公司尝试利用双激光方法制造三维物体，并在1974年演示了利用一个原始系统制造三维物体的过程。这可能是世界上第一个商业化的增材制造项目。但受限于当时的技术水平，这一项目并未取得突破性进展。

与此同时，日本名古屋市工业研究所的Hideo Kodama 发明了利用单束激光固化光敏树脂的方法。1980年5月，他在日本申请了一项专利，但由于未能通过审查，专利最终失效。尽管如此，Kodama在随后发表的两篇论文中详细阐述了他的实验方法，成为了全世界最早公开发表的有关增材制造技术的文献资料。

1982年，3M公司的Alan Herbert发表了题为「固体物体生成」的论文，描述了利用氩离子激光束扫描光敏树脂表面制造小型基本形状的系统。尽管3M公司最终决定不将这项技术商业化，但Herbert的工作进一步验证了增材制造的可行性。

真正将增材制造技术推向商业化的，是3D Systems公司的联合创始人Charles Hull。1984年8月，Hull申请了一项名为「利用光固化法制造三维物体的设备」的专利。1986年3月，专利获得批准。

同年，Hull与Raymond Freed共同创立了3D Systems公司。1987年底，3D Systems将第一台商用光固化增材制造设备SLA-1作为Beta版系统交付客户，预示着增材制造技术正式进入商业应用阶段。

需要指出的是，在20世纪80年代中后期，除了美国的3D Systems，以色列、日本、法国等国的企业和研究机构也纷纷投身于增材制造技术的研发，虽然其商业化进程不如3D Systems那样顺利，但都为增材制造技术的发展做出了重要贡献。

日本在光固化增材制造领域的探索尤为引人注目。继Kodama之后，大阪府立产业技术综合研究所的Yoji Marutani于1984年发明了一种新的光固化成型方法，并申请了专利。随后，包括三菱重工、NTT数据通信、东洋电机制造等在内的多家日本企业联合成立了CMET公司，负责将该技术产业化。1988年，CMET推出了SOUP系列光固化快速成型机，成为亚洲首台商用增材制造设备。

与此同时，索尼与日本合成橡胶公司合资成立了D-MEC公司，于1989年推出了Solid Creation System增材制造系统，在亚洲市场与CMET形成竞争之势。1991年，三井造船公司也推出了COLAMM光固化成型系统。

总的来看，20世纪80年代是增材制造技术发展的萌芽期。尽管这一时期推出的商用设备数量有限，产业规模也十分有限，但各国研究人员和企业在探索增材制造的基本原理和关键技术方面做了大量工作，为后来的快速发展奠定了基础。进入90年代，随着计算机技术和材料科学的进步，增材制造技术迎来了新的突破，开始在更广阔的领域崭露头角。

20世纪90年代，增材制造技术进入了快速发展期。一批新的增材制造工艺和设备不断涌现，行业应用范围逐步拓展。

1991年，Stratasys公司推出了熔融沉积成型(FDM)技术和设备，开创了熔融挤出式增材制造的先河。FDM工艺利用加热喷嘴将热塑性丝材料熔化并挤出，通过逐层堆叠形成三维实体。由于其工艺简单，材料种类丰富，FDM很快成为最常用的增材制造方法之一。

同年，以色列Cubital公司推出了Solider 5600固态地面固化(SGC)系统。SGC利用紫外线选择性固化光敏树脂，每固化一层便在其上铺设一层新的液态树脂，避免了重复浸泡造成的材料浪费。Helisys公司则推出了层叠实体制造(LOM)设备，采用激光切割与粘合相结合的方式，将薄片材料(如纸张、塑料片)层层堆叠粘合，制造三维物体。

1992年，DTM公司(现已被3D Systems收购)推出了选择性激光烧结(SLS)技术。SLS利用高功率激光束扫描粉末材料表面，使粉末选择性熔化/烧结，形成坚实的三维实体。这种粉末床熔融增材制造方法很快成为塑料、金属等多种材料增材制造的主流工艺之一。

进入21世纪，数字化设计、材料科学、激光技术等领域的进步推动增材制造技术加速发展，广泛应用于工业、医疗、文化创意等行业。一大批从事增材制造设备和服务的企业如雨后春笋般涌现，行业市场规模快速扩张。

一些重要的技术创新和产品不断涌现：Objet公司(已被Stratasys收购)在2000年推出PolyJet 3D打印技术，通过喷射光敏聚合物并用紫外光固化来制造高精度零件；Z Corporation(已被3D Systems收购)在2005年推出Spectrum Z510系统，首次实现全彩色喷射黏合3D打印；2006年，Arcam公司推出电子束熔融(EBM)金属增材制造系统A1，成为金属3D打印的开创性企业之一；2009年，Stratasys推出首款FDM台式3D打印机uPrint。

金属增材制造技术在2010年前后取得重大突破，EOS、SLM Solutions、Renishaw等企业相继推出金属激光熔融成型设备，在航空航天、医疗植入、汽车等高端制造领域崭露头角，带动了增材制造在关键核心领域的应用。

2010年代中后期，工业级和桌面级增材制造设备的界限日渐模糊。以Stratasys的F123系列和Ultimaker为代表的高品质桌面级FDM设备开始进入专业应用领域；Carbon、Formlabs等初创公司则推出高精度光固化桌面设备，在牙科、消费品等领域快速普及。

随着各种专利的陆续到期，开源3D打印设备蓬勃发展。RepRap、Makerbot等开源项目降低了3D打印的使用门槛，为更多用户参与增材制造实践创造了条件。2013年，Stratasys对Makerbot的收购引发业界广泛关注。

进入2020年代，增材制造产业进一步向规模化、专业化方向发展。3D Systems、Stratasys、EOS等业内领先企业加快在金属增材制造、大尺寸成型、自动化等方面的布局。GE、西门子、HP等跨国企业巨头也纷纷进军增材制造领域，推动产业整合与技术创新。增材制造与人工智能、5G、机器人等前沿技术加速融合，数字化智能制造成为发展新方向。

纵观增材制造技术半个多世纪的发展历程，我们可以清晰地看到，这项技术经历了从实验室到商业化、从小众走向大众的发展轨迹。随着材料、工艺、软件、应用等各个层面的持续进步，增材制造正在成为制造业的「新引擎」，重塑传统制造模式，推动产业向智能化、个性化、服务化转型升级，未来可期。

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