Lịch sử phát triển của in 3D
Công nghệ in 3D được biết đến vào cuối những năm 1980,với cái tên là công nghệ Rapid Prototyping (RP). Bởi vì các quy trình ban đầu được hình thành như là một phương pháp nhanh chóng và hiệu quả về chi phí để tạo nguyên mẫu để phát triển sản phẩm trong ngành. Đặc biệt hơn,người xin cấp bằng sáng chế đầu tiên cho công nghệ RP này là DR.Kodama, người Nhật Bản vào tháng 5-1980. Thật không may cho DR.Kodama là tài liệu sáng chế đầy đủ của ông lại không nộp đúng thời hạn 1 năm sau khi nộp đơn,điều tệ hại hơn là người duyệt đơn cho ông lại là 1 luật sư sáng chế. Tuy nhiên, về mặt thực tế, nguồn gốc của in ấn 3D có thể được bắt nguồn từ năm 1986, khi bằng sáng chế đầu tiên được cấp cho thiết bị tạo khối (SLA). Bằng sáng chế này thuộc về Charles (Chuck) Hull, người đầu tiên đã phát minh ra máy SLA vào năm 1983. Hull cũng là người đồng sáng lậpTổng Công ty Hệ thống 3D - một trong những tổ chức lớn nhất và giàu có nhất hoạt động trong ngành in 3D hiện nay.
Hệ thống 3D thương mại đầu tiên với công nghệ RP, SLA-1, được giới thiệu vào năm 1987 và sau khi thử nghiệm nghiêm ngặt, hệ thống này đã được bán vào năm 1988.Là 1 công nghệ mới điển hình,SLA có thể tuyên bố họ là người dẫn đầu trong công nghệ RP, tuy nhiên nó không phải là công nghệ RP duy nhất trong sự phát triển vào thời điểm này, vì vào năm 1987, Carl Deckard, người đang làm việc tại Đại học Texas, đã đệ trình bằng sáng chế tại Hoa Kỳ cho quá trình gia công bằng laser thêu kết (Selective Laser Sintering - SLS) RP. Bằng sáng chế này đã được cấp vào năm 1989 và SLS sau đó được cấp phép cho DTM .Inc, sau đó được mua lại bởi 3D Systems. Năm 1989 cũng là năm Scott Crump, đồng sáng lập của Stratasys Inc. đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho Fused Deposition Modeling (FDM) - công nghệ độc quyền mà công ty vẫn giữ ngày hôm nay. Bằng sáng chế FDM đã được ban hành cho Stratasys năm 1992. Tại Châu Âu, năm 1989 cũng chứng kiến sự hình thành của EOS GmbH tại Đức, do Hans Langer thành lập. Sau một quá trình SL, sự tập trung nghiên cứu và phát triển của EOS được đặt rất nhiều vào quy trình thiêu kết laser (LS), điều này tiếp tục vượt xa hơn nhưng thứ ban đầu. Ngày nay, các hệ thống EOS được công nhận trên toàn thế giới về chất lượng sản xuất cho các ứng dụng sản xuất và chế tạo công nghiệp bằng in 3D. EOS đã bán hệ thống 'Stereos' đầu tiên vào năm 1990. Quá trình thiêu kết kim loại laser trực tiếp của công ty (DMLS) bắt nguồn từ một dự án ban đầu với một bộ phận của Electrolux Finland, sau đó được EOS mua lại.
Các công nghệ và quy trình in 3D khác cũng đang nổi lên trong những năm này, cụ thể là Sản xuất bằng hạt Ballistic (BPM) được cấp bằng sáng chế bởi William Masters, Laminated Object Manufacturing (LOM) ban đầu được cấp bằng sáng chế bởi Michael Feygin, Solid Ground Curing (SGC) do Itzchak Pomerantz et. Al và 'in ba chiều' (3DP) ban đầu được cấp bằng sáng chế bởi Emanuel Sachs et al. Và do đó những năm chín mươi đầu chứng kiến sự gia tăng số lượng các công ty cạnh tranh trong thị trường RP nhưng chỉ còn tồn tại 3 công ty gốc cho tới nay - 3D Systems, EOS và Stratasys.
Trong suốt những năm 1990 và đầu những năm 2000, một loạt các công nghệ mới tiếp tục được giới thiệu, vẫn tập trung hoàn toàn vào các ứng dụng công nghiệp và trong khi chúng vẫn là các quy trình cho các ứng dụng mẫu, R & D cũng đang được tiến hành bởi các nhà cung cấp công nghệ tiên tiến hơn cho các dụng cụ cụ thể, Ứng dụng sản xuất trực tiếp. Điều này chứng kiến sự xuất hiện của các thuật ngữ mới, cụ thể là chạy dao nhanh (RT), là khuôn nhanh và sản suất nhanh (RM) .
Trong các hoạt động thương mại, Sanders Prototype (sau Solidscape) và ZCorporation được thành lập vào năm 1996, Arcam được thành lập vào năm 1997, Objet Geometries ra mắt vào năm 1998, MCP Technologies (một nhà máy sản xuất chân không OEM) giới thiệu công nghệ SLM vào năm 2000, EnvisionTec đã Được thành lập vào năm 2002, ExOne được thành lập vào năm 2005 như là công ty con từ tập đoàn Corporation và Sciaky Inc đã đi tiên phong trong quá trình phụ gia riêng của mình dựa trên công nghệ hàn chùm điện tử độc quyền của mình. Các công ty này đều phục vụ cho hàng ngũ các công ty phương Tây hoạt động trên toàn cầu. Thuật ngữ cũng đã phát triển với sự gia tăng của các ứng dụng sản xuất và thuật ngữ được chấp nhận cho tất cả các quy trình là sản xuất phụ gia (AM). Đáng chú ý, đã có nhiều sự phát triển song song diễn ra ở bán cầu phía Đông. Tuy nhiên, những công nghệ này, tuy có ý nghĩa quan trọng với bản thân và được hưởng một số thành công ở địa phương, nhưng thực sự không ảnh hưởng đến thị trường toàn cầu vào thời điểm đó.
Trong những năm gần đây, ngành bắt đầu có dấu hiệu đa dạng hóa khác biệt với hai lĩnh vực trọng tâm cụ thể được xác định rõ ràng hơn ngày nay. Thứ nhất, đã có kết quả cao của in ấn 3D, hệ thống vẫn còn rất đắt tiền, được hướng tới sản xuất cho các ngành yêu cầu giá trị lớn,thiết kế lớn,phức tạp . Điều này vẫn đang tiếp diễn và đang phát triển - nhưng kết quả bây giờ chỉ bắt đầu trở nên rõ ràng trong các ứng dụng sản xuất trong ngành hàng không, ô tô, y tế và đồ trang sức, vì nhiều năm nghiên cứu và phát triển đã trở nên phong phú hơn. Một khoản kinh phí lớn vẫn còn nợ hoặc theo các thoả thuận đã không được công bố (NDA). Ở đầu kia của quang phổ, một số nhà sản xuất hệ thống in ấn 3D đã và đang phát triển "khái niệm người mô hình", như chúng đã được gọi vào thời điểm đó. Cụ thể, đây là những máy in 3D giữ trọng tâm vào việc cải thiện phát triển khái niệm và tạo mẫu chức năng, được phát triển đặc biệt là các phòng thân thiện với người dùng và các hệ thống tiết kiệm chi phí. Sự mở đầu cho các máy tính để bàn ngày nay. Tuy nhiên, những hệ thống này vẫn còn rất nhiều đối với các ứng dụng công nghiệp.
Nhìn lại điều này còn khá bình yên trước cơn bão
Với thị trường - máy in 3D ngày nay được xem là đang nằm ở tầm trung - một cuộc chiến giá cả xuất hiện cùng với sự cải tiến gia tăng về độ chính xác, tốc độ và vật liệu in.
Trong năm 2007, thị trường đã chứng kiến hệ thống đầu tiên dưới 10.000 đô la từ Hệ thống 3D, nhưng điều này chưa bao giờ đạt được kết quả đáng kể. Điều này một phần do bản thân hệ thống, nhưng cũng ảnh hưởng đến thị trường khác. Đỉnh cao tại thời điểm đó là để có được một máy in 3D dưới 5000 đô la - điều này đã được nhiều người trong ngành, người sử dụng và nhà bình luận nhìn nhận là chìa khóa mở ra công nghệ in 3D cho nhiều đối tượng hơn. Mặc dù vậy, năm 2007 thực sự là năm đánh dấu bước ngoặt cho công nghệ in 3D - mặc dù ít người nhận ra nó vào thời điểm đó - như hiện tượng RepRap đã bắt đầu. Tiến sĩ Bowyer đã đưa ra khái niệm RepRap về một máy in 3D nguồn mở, tự sao chép vào đầu năm 2004, và hạt giống đã được nảy nở trong những năm tiếp theo với một cú sệt nặng từ nhóm của ông tại Bath, đáng chú ý là Vik Oliver và Rhys Jones, người đã phát triển Khái niệm thông qua để làm việc nguyên mẫu của một máy in 3D bằng cách sử dụng quá trình lắng đọng. Năm 2007 là năm các chồi bắt đầu hiển thị thông qua và phong trào này đã bắt đầu tăng khả năng hiển thị.
Nhưng đến tháng 1 năm 2009, mẫu máy in 3D thương mại có sẵn đầu tiên và dựa trên khái niệm RepRap đã được chào bán. Đây là máy in BfB RapMan 3D. Tiếp theo là Makerbot Industries vào tháng 4 năm đó, những người sáng lập đã tham gia rất nhiều vào việc phát triển RepRap cho đến khi họ rời khỏi triết lý nguồn mở sau khi đầu tư rộng rãi. Từ năm 2009, một loạt máy in tương tự đã xuất hiện với các điểm bán hàng độc đáo (USPs) và họ tiếp tục làm như vậy. Sự lưỡng cực thú vị ở đây là, trong khi hiện tượng RepRap đã tạo ra một thị trường máy in 3D hạng thương mại hoàn toàn mới, đặc tính của cộng đồng RepRap là về phát triển mã nguồn mở cho việc in 3D và giữ được thương mại hóa ngay lập tức.
Năm 2012 là năm mà các quy trình in ấn 3D đã được giới thiệu ở mức nhập khẩu của thị trường. The B9Creator (sử dụng công nghệ DLP) ra mắt trong tháng sáu, tiếp theo là Form 1 (sử dụng bản đồ khối) vào tháng Mười Hai. Cả hai đều được đưa ra thông qua trang web Kickstarter - và cả hai đều đã rất thành công.
Kết quả của sự phân kỳ thị trường, những tiến bộ đáng kể ở cấp độ công nghiệp với khả năng và ứng dụng, sự gia tăng đáng kể nhận thức và sự phát triển trong suốt phong trào sản xuất ngày càng tăng, năm 2012 cũng là năm mà nhiều kênh truyền thông chính thống khác đã chọn cho công nghệ này. Năm 2013 là năm tăng trưởng và hợp nhất đáng kể. Một trong những động thái đáng chú ý nhất là việc mua lại Makerbot của Stratasys.
Một số người cho rằng cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 2, thứ 3, và thậm chí đôi khi là một cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4, điều mà không thể phủ nhận là tác động của việc in ấn 3D đối với khu vực công nghiệp và tiềm năng rất lớn mà công nghệ in 3D thể hiện cho tương lai của người tiêu dùng.Tiềm năng sẽ tiếp tục đang mở ra trước mắt chúng ta.
The earliest 3D printing technologies first became visible in the late 1980’s, at which time they were called Rapid Prototyping (RP) technologies. This is because the processes were originally conceived as a fast and more cost-effective method for creating prototypes for product development within industry. As an interesting aside, the very first patent application for RP technology was filed by a Dr Kodama, in Japan, in May 1980. Unfortunately for Dr Kodama, the full patent specification was subsequently not filed before the one year deadline after the application, which is particularly disastrous considering that he was a patent lawyer! In real terms, however, the origins of 3D printing can be traced back to 1986, when the first patent was issued for stereolithography apparatus (SLA). This patent belonged to one Charles (Chuck) Hull, who first invented his SLA machine in 1983. Hull went on to co-found 3D Systems Corporation — one of the largest and most prolific organizations operating in the 3D printing sector today.
3D Systems’ first commercial RP system, the SLA-1, was introduced in 1987 and following rigorous testing the first of these system was sold in 1988. As is fairly typical with new technology, while SLA can claim to be the first past the starting post, it was not the only RP technology in development at this time, for, in 1987, Carl Deckard, who was working at the University of Texas, filed a patent in the US for the Selective Laser Sintering (SLS) RP process. This patent was issued in 1989 and SLS was later licensed to DTM Inc, which was later acquired by 3D Systems. 1989 was also the year that Scott Crump, a co-founder of Stratasys Inc. filed a patent for Fused Deposition Modelling (FDM) — the proprietary technology that is still held by the company today, but is also the process used by many of the entry-level machines, based on the open source RepRap model, that are prolific today. The FDM patent was issued to Stratasys in 1992. In Europe, 1989 also saw the formation of EOS GmbH in Germany, founded by Hans Langer. After a dalliance with SL processes, EOS’ R&D focus was placed heavily on the laser sintering (LS) process, which has continued to go from strength to strength. Today, the EOS systems are recognized around the world for their quality output for industrial prototyping and production applications of 3D printing. EOS sold its first ‘Stereos’ system in 1990. The company’s direct metal laser sintering (DMLS) process resulted from an initial project with a division of Electrolux Finland, which was later acquired by EOS.
Other 3D printing technologies and processes were also emerging during these years, namely Ballistic Particle Manufacturing (BPM) originally patented by William Masters, Laminated Object Manufacturing (LOM) originally patented by Michael Feygin, Solid Ground Curing (SGC) originally patented by Itzchak Pomerantz et al and ‘three dimensional printing’ (3DP) originally patented by Emanuel Sachs et al. And so the early nineties witnessed a growing number of competing companies in the RP market but only three of the originals remain today — 3D Systems, EOS and Stratasys.
Throughout the 1990’s and early 2000’s a host of new technologies continued to be introduced, still focused wholly on industrial applications and while they were still largely processes for prototyping applications, R&D was also being conducted by the more advanced technology providers for specific tooling, casting and direct manufacturing applications. This saw the emergence of new terminology, namely Rapid Tooling (RT), Rapid Casting and Rapid Manufacturing (RM) respectively.
In terms of commercial operations, Sanders Prototype (later Solidscape) and ZCorporation were set up in 1996, Arcam was established in 1997, Objet Geometries launched in 1998, MCP Technologies (an established vacuum casting OEM) introduced the SLM technology in 2000, EnvisionTec was founded in 2002, ExOne was established in 2005 as a spin-off from the Extrude Hone Corporation and Sciaky Inc was pioneering its own additive process based on its proprietary electron beam welding technology. These companies all served to swell the ranks of Western companies operating across a global market. The terminology had also evolved with a proliferation of manufacturing applications and the accepted umbrella term for all of the processes was Additive Manufacturing (AM). Notably, there were many parallel developments taking place in the Eastern hemisphere. However, these technologies, while significant in themselves and enjoying some local success, did not really impact the global market at that time.
During the mid noughties, the sector started to show signs of distinct diversification with two specific areas of emphasis that are much more clearly defined today. First, there was the high end of 3D printing, still very expensive systems, which were geared towards part production for high value, highly engineered, complex parts. This is still ongoing — and growing — but the results are only now really starting to become visible in production applications across the aerospace, automotive, medical and fine jewellery sectors, as years of R&D and qualification are now paying off. A great deal still remains behind closed doors and/or under non-disclosure agreements (NDA). At the other end of the spectrum, some of the 3D printing system manufacturers were developing and advancing ‘concept modellers’, as they were called at the time. Specifically, these were 3D printers that kept the focus on improving concept development and functional prototyping, that were being developed specifically as office- and user-friendly, cost-effective systems. The prelude to today’s desktop machines. However, these systems were all still very much for industrial applications.
Looking back, this was really the calm before the storm.
At the lower end of the market — the 3D printers that today are seen as being in the mid range — a price war emerged together with incremental improvements in printing accuracy, speed and materials.
In 2007, the market saw the first system under $10,000 from 3D Systems, but this never quite hit the mark that it was supposed to. This was partly due to the system itself, but also other market influences. The holy grail at that time was to get a 3D printer under $5000 — this was seen by many industry insiders, users and commentators as the key to opening up 3D printing technology to a much wider audience. For much of that year, the arrival of the highly-anticipated Desktop Factory — which many predicted would be the fulfillment of that holy grail — was heralded as the one to watch. It came to nothing as the organization faltered in the run up to production. Desktop Factory and its leader, Cathy Lewis, were acquired, along with the IP, by 3D Systems in 2008 and all but vanished. As it turned out though, 2007 was actually the year that did mark the turning point for accessible 3D printing technology — even though few realized it at the time — as the RepRap phenomenon took root. Dr Bowyer conceived the RepRap concept of an open source, self-replicating 3D printer as early as 2004, and the seed was germinated in the following years with some heavy slog from his team at Bath, most notably Vik Oliver and Rhys Jones, who developed the concept through to working prototypes of a 3D printer using the deposition process. 2007 was the year the shoots started to show through and this embryonic, open source 3D printing movement started to gain visibility.
But it wasn’t until January 2009 that the first commercially available 3D printer – in kit form and based on the RepRap concept – was offered for sale. This was the BfB RapMan 3D printer. Closely followed by Makerbot Industries in April the same year, the founders of which were heavily involved in the development of RepRap until they departed from the Open Source philosophy following extensive investment. Since 2009, a host of similar deposition printers have emerged with marginal unique selling points (USPs) and they continue to do so. The interesting dichotomy here is that, while the RepRap phenomenon has given rise to a whole new sector of commercial, entry-level 3D printers, the ethos of the RepRap community is all about Open Source developments for 3D printing and keeping commercialization at bay.
2012 was the year that alternative 3D printing processes were introduced at the entry level of the market. The B9Creator (utilising DLP technology) came first in June, followed by the Form 1 (utilising stereolithography) in December. Both were launched via the funding site Kickstarter — and both enjoyed huge success.
As a result of the market divergence, significant advances at the industrial level with capabilities and applications, dramatic increase in awareness and uptake across a growing maker movement, 2012 was also the year that many different mainstream media channels picked up on the technology. 2013 was a year of significant growth and consolidation. One of the most notable moves was the acquisition of Makerbot by Stratasys.
Heralded as the 2nd, 3rd and, sometimes even, 4th Industrial Revolution by some, what cannot be denied is the impact that 3D printing is having on the industrial sector and the huge potential that 3D printing is demonstrating for the future of consumers. What shape that potential will take is still unfolding before us.
