【3D打印：从想象到现实】
最初见到3D打印还是在生活大爆炸里面，Howard用kinect扫描了一遍Raj然后就可以制作出一个小Raj模型，简直不要太神奇。这本书下载了也很长时间了，但是一直没有特别的愿望去翻开。但是昨天见导师的时候说学院打算购置一台3D打印机和最新的kinect来开展这方面的研究，我的热血一下就被点燃了，所以就从这本书，开始我在3D打印世界的探索吧。
在此之前我对于3D打印的了解基本上来自于网上的各种文章，看完这本书之后，觉得其实有很多之前的认知是不准确甚至是不对的。这本书比较全面地介绍了关于3D打印的方方面面，也让我有了一些新的想法。
什么是3D打印是我们需要第一个弄清楚的问题，书中的定义是这样的：
3D（Three Dimensions）打印是一种通过材料逐层添加制造三维物体的变革性、数字化增材制造技术，它将信息、材料、生物、控制等技术融合渗透，将对未来制造业生产模式与人类生活方式产生重要影响。
而更加令我吃惊的是，似乎最近才比较火热的3D打印，在一些欧美发达国家的应用已经相当普遍，而在中国这边似乎都刚刚起步，保守来说，至少要落后国外将近5年了。所以作为国内可能算是比较早接触到3D打印机的学生，我觉得自己有责任更加努力，如果可能的话，可以让大家提到3D打印的时候，能想到除了欧美之外，还有中国。
虽然现在可能在国内能看到3D打印的痕迹并不多，但是我相信再未来，3D打印会有其一席之地的，因为这种全新的创造事物的思维，将会开启第三次工业革命。既然我们没有能够赶上前两次，那么这次序幕的拉开，我又正好能做点什么，我定当尽我所能，为了更好的明天而努力。
3D打印的趋势
3D打印已蔓延至日常生活的每个角落。越来越多的事实表明，3D打印机已不再是设计师和科学家的专属机器，它已经从实验室和工厂逐渐走出来，并且走进学校和家庭，与我们每个普通人的生活息息相关
3D打印将波及各行各业。一些传统行业将受到3D打印技术的冲击而逐渐萎缩，然而我们必须意识到3D打印同样会催生大量前所未有的行业和巨大机遇。
3D打印催生众多新机会，同时也带来很多新挑战。我们必须认识到在3D打印创造无数新机会的同时，它也带来了许多前所未有的挑战：3D打印行业的人才培养问题，现有设计软件与3D打印的不匹配问题，3D打印物品的版权和知识产权纠纷问题，以及3D打印设备和3D打印产品的质量安全问题，还有就是3D打印产品对公共安全和环境构成的威胁，等等。这些问题迫切需要3D打印业界人士、产业经济研究者、法律工作者以及公共事务管理者通过共同努力来解决。
3D打印将改变现有产业结构，冲击中国经济模式。3D打印技术将会给中国产业经济带来一些直接的负面影响。首先，正如作者在书中提到的，随着中国制造业劳动力成本上涨，基于3D打印技术和互联网平台的全球云制造模式将体现出更廉价、更快捷并且更绿色环保的优势，这将极有可能取代现有的中国制造模式。其次，3D打印的广泛应用使得整个产品研发过程都可以在企业内部进行，这将使研发周期缩短并且很好地保护了设计方案。然而，对于大量依靠模仿而生存且缺乏原创设计力量的中国微小企业来说，这无疑是一个沉重的打击。
我们都知道现在国内的产业结构其实是粗放的，这种经济模式带来的诸多问题目前已逐渐显现出来，环境污染就是之一。而如果能趁着这一次的机会进行转身，就很有可能让将来的发展空间更大。
3D打印过程如下：3D打印机在设计文件指令的导引下，先喷出固体粉末或熔融的液态材料，使其固化为一个特殊的平面薄层。第一层固化后，3D打印机打印头返回，在第一层外部形成另一薄层。第二层固化后，打印头再次返回，并在第二层外部形成另一薄层。如此往复，最终薄层累积成为三维物体。
如今，一般家用3D打印机可以制造鞋盒大小的塑料物品。工业领域的3D打印机可以制造大到汽车、小到肉眼几乎无法看到的针头等物品。有些研究人员开始尝试用3D打印机打印小型房屋大小的混凝土结构。而在微观的角度，另外一些研究人员已经打印出肉眼几乎看不到细节的物体。
3D打印技术的十项优势
优势1：制造复杂物品不增加成本。就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言，制造形状复杂的物品成本不增加，制造一个华丽的形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本。制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，并改变我们计算制造成本的方式。
优势2：产品多样化不增加成本。一台3D打印机可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。传统的制造设备功能较少，做出的形状种类有限。3D打印省去了培训机械师或购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。
优势3：无须组装。3D打印能使部件一体化成型。传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后由机器人或工人（甚至跨洲）组装。产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本就越多。3D打印机通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套铰链，不需要组装。省略组装就缩短了供应链，节省在劳动力和运输方面的花费。供应链越短，污染也越少。
优势4：零时间交付。3D打印机可以按需打印。即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求，所以新的商业模式将成为可能。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。
优势5：设计空间无限。传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。
优势6：零技能制造。传统工匠需要当几年学徒才能掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，然而传统的制造机器仍然需要熟练的专业人员进行机器调整和校准。3D打印机从设计文件里获得各种指示，做同样复杂的物品，3D打印机所需要的操作技能比注塑机少。非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式。
优势7：不占空间、便携制造。就单位生产空间而言，与传统制造机器相比，3D打印机的制造能力更强。例如，注塑机只能制造比自身小很多的物品，与此相反，3D打印机可以制造和其打印台一样大的物品。3D打印机调试好后，打印设备可以自由移动，打印机可以制造比自身还要大的物品。较高的单位空间生产能力使得3D打印机适合家用或办公使用，因为它们所需的物理空间小。
优势8：减少废弃副产品。与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。传统金属加工的浪费量惊人，90%的金属原材料被丢弃在工厂车间里。3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。
优势9：材料无限组合。对当今的制造机器而言，将不同原材料结合成单一产品是件难事，因为传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起。随着多材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。
优势10：精确的实体复制。数字音乐文件可以被无休止地复制，音频质量并不会下降。未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界。扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。
尽管有这么多的优势，但是在短期内，3D打印并不可能取代现在的大规模生产。稍微懂得一点经济学的同学都知道，大规模生产的高效率，可以增加利润，降低成本，但与此同时带来的问题就是如果你需要各种各样的产品或者想让产品能够自由定制的话，那么就需要多开生产线，但是多开一条生产线所带来的成本，需要大规模的生产才可以赚回来，人家工厂肯定不愿意为了一个只做一件的产品搭建生产线。这样的特点也决定了3D打印即使优点多多也无法取而代之。
个性化优势是3D打印有的，因为只要有设计文件，打印出来的东西是什么是没有其他额外成本的，但是就像手工艺人的作品，总是没有办法大量产出的，也就是说3D打印目前没有办法承载规模经济，而如果无法达到规模经济，3D打印能走的路就是小众个性高边际收益的路子。这个是使用3D打印的时候需要知道的，如果你想要大批量生产某种东西，那么不用想，工厂的流水线是你最好的选择，但是如果你是要展示概念或者改进产品，那这个时候3D打印则是绝佳的选择。
我还记得当时自己做牙齿矫正时候取牙膜的痛苦和折腾，因为固定牙套必须跟身体紧密精确的结合，但是如果使用3D打印，轻轻松松进行一次扫描就可以方便地制作出来，并且保存起来也比较方便。
但是现在之所以3D打印还仅仅是叫好不叫座，或者说在3D打印的普及之路上还有一座大山：缺乏杀手级应用程序。缺乏一种让简单、便捷和容易操作的生产方式。可能是因为3D打印本身还没有进入完全成熟期，我们现在对于技术的关注大于应用，可能过几年这个情况就会得到扭转，所以现在正是开始积累技术和应用经验的好时机。
谁能最先开发出一套体系完整、用户友好的应用平台，就可以创造新市场、赢得百万千万的用户，我觉得这是我们现在应该着手开始的方向。
3D打印的分类
3D打印有两大家族，第一个家族通过沉积原材料层制造物体，第二个家族通过黏合原材料制造物体。
第一个家族我们称之为“选择性沉积打印机”—将原材料沉积为层，这类打印机通过某种注射器或打印头注射、喷洒或挤压液体、胶状物或粉末状的原材料。家庭或办公室应用的通常是沉积型3D打印机，这是因为激光或工业热风枪相对来说容易产生危险。
第二个家族是将原材料黏合在一起（不是放置或沉积）的打印机，通常是利用激光或在原材料中加入某种黏合剂来实现，这类打印机被称作“选择性黏合打印机”—利用热或光固化粉末或光敏聚合物。不知道你是否还记得那个推销员的话，他告诉我和我的同学：他是在一台机器上利用激光打印出他的模型的。
选择性沉积打印机的工作过程和原理
首先，我们探讨使用打印头沉积原材料的选择性沉积打印机。所用原材料可以是遇到打印台就会变硬的软塑料、原始的饼干面团或是特殊医疗凝胶里的活细胞。如果你在媒体上看到过诸如MakerBot的消费类3D打印机，你可能已经见过上述这种打印机了。 这类打印机所应用的打印技术的正规学名是FDM（熔融成型）。FDM打印机是斯科特·克伦普于20世纪80年代发明的，他凭借该技术创立了公司。如果一台机器被称作“FDM打印机”，那就意味着这台打印机会通过打印头挤出某种软质材料。 打印头开始工作前，这种类型的3D打印过程已经开始了数个步骤。第一步是定位软件设计文件，该文件可以告知3D打印机的内置软件（就是常说的“固件”）需要打印什么。一旦设计文件准备就绪，用户便将笔记本电脑连接到打印机，并将设计文件保存为能被3D打印机的内置软件读取并使用的特殊格式。
一旦打印机固件开始读取文件，它将计算出打印头的机械路径和动作。例如，打印头需要知道在哪里沉积出外形的轮廓，以及在哪里喷射多少材料等。 3D打印机固件完成操作计划后，物理打印过程就可以开始了。沉积材料的打印头通常沿着一系列的水平、垂直轨道（工程师们称作“桁架”）移动。沉积第一层时，打印头先勾勒出要打印物体的轮廓。第一层勾勒出物体的基础，就像在咖啡杯底部用铅笔描画出其形状。然后打印头来回扫描以填充轮廓，就像孩子在图画书中按形状填充颜色一样。 第一层打印完成后，打印头会略微抬起，然后回落并开始第二层打印。3D打印机持续重复该过程，耐心地打印出设计文件所描绘物体的每个横截面，这一过程可能持续数小时甚至几天。 3D打印家族的这个分支的优点在于其打印技术可以简化为技术含量相对较低的版本。简化版本的成本低、可使用的材料范围广。任何可以通过喷嘴挤压的原材料都可以进行3D打印。霜状白糖、奶酪和饼干面团是热爱美食的打印爱好者喜爱的原材料。另一种新兴的打印材料是“活体墨水”，它是一种特殊医疗凝胶中的活细胞混合物，医学研究人员使用这种医疗凝胶研究生物打印。
选择性沉积打印机的主要缺点在于它只能打印可以通过打印头挤出或挤压的材料。熔化的金属或玻璃必须在不同的条件下成形，目前市场上大部分选择性沉积打印机使用的材料是为其特制的一种塑料。3D打印塑料以意大利面状的细条形式按卷出售，其末端直接连接打印机，在打印机中融化并通过打印头挤出。
选择性沉积打印机家族的另一成员是LENS（激光工程化净成形），将材料粉末吹入精心引导的高功率激光束。错过光束的粉末会落在一边，遇到激光焦点的粉末会立即融化并融合到增长部分的表面。因此，当激光的焦点扫描过打印对象的轮廓，打印头吹出更多的粉末时，部件就会一层一层地逐渐增长。 这种工艺的优点在于它可以用硬质材料（例如钛和不锈钢）制造物体。这种金属“打印”发明之前，由于3D打印只能使用塑料（聚合物）材料，因此大型产业并不是很重视3D打印。像LENS这样的金属打印工艺出现后，航空航天、汽车等大型产业开始对3D打印产生兴趣。现在，通过LENS技术，人们可以使用硬金属材料制造复杂的物体，例如具有内部冷却通道的钛涡轮叶片。
最后介绍的一种选择性沉积打印机是LOM（分层实体制造）打印机。LOM打印机不使用打印头生成层，而是像它名字所描述的，将材料薄片层压成一个单独的三维实体。 LOM工艺由设计文件开始，进行打印工作的不是打印头而是刀具或激光束。在设计文件的指引下，刀具将实体外形的轮廓从纸、塑料或金属的材料薄片中切出。想象将一个咖啡杯放在一张纸片上，沿着杯底的形状切出轮廓。 切完一张薄片后，LOM打印机将切出的部分放至一边，铺入一张新的黏合薄片开始下一层的切割。打印机将切好的纸、塑料或金属薄片堆叠在一起，当制作对象的所有横截面都切好后，将这些切片层按压融合为一个三维实体。LOM打印机制造的一些铝箔模型是利用强大的超声波振动使片材之间产生摩擦力，从而整合为密实的整体。
选择性黏合工艺打印机的工作原理和过程
3D打印机的第二个主要家族是由使用选择性黏合工艺的打印机构成的，这种工艺将原材料融化或凝固为层，许多早期的商业打印机使用的就是这种方法。需要指出，该方法的两种变体得到了广泛应用：SL（立体光刻）和LS（激光烧结）。
SL（立体光刻）是最早商用的3D打印方法之一。想象一下，一个装有液体聚合物的小桶放置于公寓冰箱大小的打印机内部，打印机在一种特殊塑料的表面扫出一束激光。这种塑料是光敏聚合物，当其暴露于UV光下会硬化。每次激光扫描循着所打印形状的轮廓和横截面逐层进行。 每次激光扫描后，可移动的台面会将已打印的部分下沉1毫米。打印的部分下沉到液体中，新的光敏聚合物覆盖其顶部。有些SL打印机以相反的方式工作，激光向上瞄准聚合物，然后抬起（而不是下沉）打印的物体使其底部（而不是顶部）被新鲜液体浸没。 物体通过该方法3D打印出来后，还有其他工作需要做。多余的材料需要洗掉，有些物体表面还需要手工打磨，有时还要根据打印需求将物体放入紫外线“微波炉”中进一步固化。 SL打印的优势在于激光作业快速、精确。多束激光可并行工作，其分辨率比挤压式3D打印头更高。当今的工业级3D打印机可生产出精细的模型和零部件，层薄仅为10微米，比一张薄纸片还要薄。随着光敏聚合物原材料质量的提升，以及应用范围的不断扩大，SL打印机可生产出更多具有特殊材料属性的物体。
SL打印的缺点在于吸入未固化的光敏聚合物粉尘会中毒，而且光敏聚合物并不像工业注塑成型所使用的热塑性塑料那样结实耐用。由于维护SL打印机的激光器十分复杂且成本高昂，对于大多数家庭用户来说，SL打印机过于昂贵。但是使用来自蓝光光盘的低成本UV激光器的廉价机器市场可能会有所增长。目前的SL打印机一次只能打印一种材料。
选择性LS（激光烧结）由得克萨斯大学研究员卡尔·德卡德和约瑟夫·比曼于20世纪80年代发明。选择性LS使用类似于SL打印机的技术，所不同的是其不使用液态光敏聚合物，而是使用粉末。 和SL一样，很多人很难将LS打印工艺视为一种“打印工艺”。这种打印机以高功率激光束在粉床表面扫描，激光照射到的粉末融化，打印机内部的滚筒在粉床顶部刷上一层新的粉末并将打印台降低1毫米。 用粉末代替液体材料进行打印有其优势：一个用粉末打印出来的物体不太可能在打印过程中倒塌，因为未熔化的粉末可作为其内部支撑。在一些情况下，未使用的松散粉末可回收再利用。由于大部分原材料都可制成粉末形式，比如尼龙、钢、青铜和钛，因此粉末材料应用范围更广。 就缺点而言，使用LS打印机制造的物体表面往往不光滑、多孔。目前LS打印机还不能同时打印不同类型的粉末，不适合家庭或办公室使用。由于某些粉末若处理不当会引发爆炸，所以LS打印机必须使用氮气填充密封腔。
最后，LS打印是高温过程，刚刚打印完的物体不能立刻从机器中取出。视打印层的尺寸和厚度的不同，大型物体可能需要一天的冷却时间。
3D打印的格式
设计文件必须可以和3D打印机的内置软件准确交流，打印机的内置软件（或固件）会告诉其机械组件如何操作。为3D打印准备一个完整的设计文件并不是一项简单的工作。
在3D打印中，不是输入糟糕的设计文件就能打印出糟糕的物体，而是你输入糟糕的设计文件，什么都打印不出来。在3D打印中，如果你得到的是糟糕的设计文件，那你最终什么也打印不出来，或是比什么也得不到更糟糕的情况就是浪费了昂贵的原材料。
客户提交了他们的设计文件后，接下来约翰便会将文件转换为3D打印的特殊格式STL（标准镶嵌语言）。STL是一种业内标准的有着几十年历史的文件格式，它是由SL打印的发明者、3D系统公司的创始人查克·赫尔创造的，STL文件格式有点儿类似于PostScript文件格式，PostScript可将计算机文件转换为二维打印机能识别和处理的文件格式。
在设计文件转换为STL格式后，STL将设计对象的数字形状“包装”在虚拟的表面之内，我们称之为“网格”，其由成千上万（有时数百万）个连锁多边形组成。表面网格上的每个连锁多边形（常用的是三角形）都携带着物体的形状信息。在设计文件转换中，全部的设计表面包括物体可以接触到空气的任何部分，不是工程师的人可能会对此感到些许困惑。例如，一个物体的表面设计既包括物体的外表面，也包括其空心处的内表面。 当STL转换完成，新包装的STL文件的虚拟表面必须是防水的，这有点儿类似于给物体涂上一层防水密封剂。一个防水的STL文件的表面网格可以精确而完整地覆盖和捕捉到设计表面的曲线和内部镂空。就像在密封防水麂皮鞋上的孔洞或缝隙一样，STL文件表面网格的缝隙将会在后续过程中引起问题。
一旦STL准备就绪，连接CAD和CAM的桥梁已经基本完成。即将进行3D打印的物体在完成表面防水网格包装后，还要为其最终阶段做准备：分层制造过程。在此STL文件将完成它的最后一部分工作，打印机固件读取STL文件，将数字网格“切”为虚拟的薄层，这对应着将来3D打印的物理薄层。 STL文件每个虚拟切片都反映着最终打印物体的一个横截面。还记得沿着咖啡杯底描出轮廓吗？该轮廓就等于STL文件中的一个单独的“薄片”的轮廓，也对应着一个单独的3D打印层。轮廓跟踪完成后，打印机需要进行光栅前后扫描以填满内部轮廓，就像填满着色薄中的所有形状。
更换和升级STL文件的一个可用的方法是采用基于XML（可扩展标记语言）的新标准—AMF（增材制造格式）。开诚布公地讲，AMF标准是我与其他人一起合作开发的，我理所当然支持它。我与一群3D打印机制造商、CAD软件供应商以及专家级用户一起开发了AMF标准。我们成立了一家国际机构开展合作，该机构负责技术标准（美国材料与试验协会颁布）的制定和实施。 AMF保留了STL格式的曲面网状结构，但新增加了功能来反映设计软件和3D打印机的先进性。例如，AMF文件格式可以处理不同颜色、不同类型的材料，创建格子结构以及处理其他详细的内部结构（这正是增材制造的巨大优势之一）。与STL采用的平面三角形相比，曲面三角形可以更准确、更简洁地描述曲面。 2010年5月标准机构正式通过AMF标准，但对一个标准的最终测试是其能否被广泛地采用。在写作本书时，该标准尚未被3D打印厂商所采用。这个过程可能需要数年。我们正踯躅于鸡和蛋的悖论：CAD厂商和3D打印公司都等着看是否有人愿意在新格式上赌一把，而放弃又老又乏的战马—STL格式。
3D打印机使用的材料
大部分3D打印机制造商会提供他们自己的专有材料。在ABC成像公司，约翰向我展示盛满打印粉末的存储桶时，他将3D打印塑料的成本比喻为“剃须刀和刀片”的商业模式，他说：“就像吉列，它免费赠送剃须刀，但你只能从吉列买到合适的刀片。”
塑料是最常用的打印材料，塑料工程师把塑料分成两大类：热塑性塑料和热固性聚合物。它们之间的区别很容易记住，想象为奶酪与鸡蛋的区别。热塑性塑料像奶酪一样加热融化，但其内部结构并不改变，所以它们可以反复融化使用。而热固性聚合物像鸡蛋一样加热后固化，而且内部结构发生改变，因此只能使用一次，不能融化分解为可重复使用的液体。
大多数消费类3D打印机（通过打印头沉积原材料）使用一种名为ABS的热塑性材料，与乐高玩具的材料相同。大部分SL打印机使用光敏热固性聚合物，LS打印机使用热塑性粉末。
3D打印的设计软件
设计软件和3D打印技术的共同飞跃改变了人们设计与制造物体的方式。然而，这二者之间的关系在向着单边发展。3D打印的进步依赖于设计软件，设计软件的进步并不依赖于3D打印。事实上，设计软件现在才开始认真地把3D打印作为一种可行的设计媒介。
如今，用于3D打印的设计软件主要分为两类。第一类设计软件被称为“实体建模”，其使用者为工程师和工业设计师。实体建模为用户提供了一个由现成的立方体、圆柱体、球体和其他标准的物理形状组成的形状库，只需点击几下鼠标就可以将这些形状剪裁、拉伸或是组合在一起。提供这个现成的形状库是为了可以快速地启动设计工序。通过使用形状库，用户可以将这些预先设定的形状调整和改变为独特的设计。 第二类设计软件被称为“曲面建模”，最早被卡通动画师所采用。最近，视频游戏和图形公司也开始采用曲面建模。当用图形库中现成的形状无法满足卡通形象或想象世界的设计需求时，曲面建模就有了用武之地。
3D打印应用于教育
对设计和3D打印进行广泛思考带来的另外一个好处是，它们作为教学工具能够帮助在主流教育中表现不好的学生。“理论第一”的教育方法不是每个人都擅长的，一些学生在没有看到或者触摸到学习实物的情况下，很难掌握抽象概念。
3D打印打开了创作可操作教学模型的可能性。按照用户要求设计的3D打印的可操作教学模型，使教师具有制作独一无二教学工具的能力，而这些在标准课程大纲里没有。教师能够分享和加强其他3D打印的可操作性，并在他们自己的课程计划上采用。
总结
3D打印方兴未艾这个事情大家应该已经没有什么疑问，问题就在于，我们要如何做才能赶上第三次工业革命的班车，要如何才能拿到船票。我想这里值得去探索的东西太多太多，我很高兴母校已经准备开始上路，更高兴自己能够参与其中。
一个人若是心里的火种被点燃，在黑夜中也不会迷失方向，因为他的眼中已有了光明！