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       你需要一把功能強大的錘子？你需要一雙精致無比的鞋子？你需要給孩子準備奇異的玩具？你需要一頓精美的晚餐？只管打印出來就行了。美國康奈爾大學(xué)機械工程與計算機科學(xué)技術(shù)教授胡迪·利普森領(lǐng)銜創(chuàng)作的這本書講述了3D打印技術(shù)的突破性發(fā)展，以及3D打印技術(shù)將如何應(yīng)用在學(xué)校、廚房、醫(yī)院等場所的。

　　作為全球3D打印研究的權(quán)威專家，作者經(jīng)過長期卓有成效的研究，并走訪了多位來自各個行業(yè)的學(xué)者，這部生動而有趣的書帶給你的不僅僅是極大的震撼，還有更多的觀察與思考——3D打印這個全新的世界將給你帶來什么。

　　哈利·波特的魔杖復(fù)活了

　　如果你有一臺可造萬物的機器，你會用它做什么？在英國，技術(shù)人員通過掃描奧運短跑運動員的腳和腳踝，把數(shù)據(jù)輸入計算機，計算機經(jīng)過幾步簡單的計算后，技術(shù)人員就能夠3D打印出專屬每個運動員的新鞋，這雙鞋符合運動員的體形、體重、步態(tài)和偏好。

　　在世界的另一端，美國國家航空航天局在亞利桑那州的沙漠中測試了一艘火星飛船，飛船甲板上裝有定制的3D打印金屬部件。這些部件大多形狀復(fù)雜，有許多曲線和鏤空，除了3D打印機，其他任何設(shè)備都生產(chǎn)不出來。

　　在日本，一位準媽媽想要紀念其首次超聲波檢測，她的醫(yī)生編輯她的超聲圖像，并3D打印出栩栩如生的胎兒模型。結(jié)果，一個透明硬塑料塊中就出現(xiàn)了一個前衛(wèi)的3D打印微小胎兒塑料模型。

　　這些制造奇跡不斷發(fā)生。在不遠的將來，人們將3D打印出活體組織、富含營養(yǎng)的食品及完全組裝好的電子元件成品。

　　如同童話故事里的魔杖，3D打印能讓我們掌控物理世界。3D打印賦予了普通人強大新穎的設(shè)計和生產(chǎn)工具，人們可以獲得專業(yè)設(shè)計師和制造業(yè)大企業(yè)所獨有的設(shè)計和制造能力。

　　“在未來的3D打印世界里，無論何時何地，人們需要什么就可以打印什么。”金模網(wǎng)CEO、亞洲制造業(yè)冠軍聯(lián)盟負責(zé)人羅百輝表示，3D打印機依據(jù)計算機指令，通過層層堆積原材料制造產(chǎn)品。在人類歷史的大部分時間里，我們通過切割原料或通過模具成型制造新的實體物品。3D打印的技術(shù)名稱是“增材制造”，這是對實際打印過程比較貼切的描述。3D打印獨特的制造技術(shù)讓我們能夠生產(chǎn)前所未有的各種形狀的物品。3D打印不是一種新技術(shù)，3D打印機已在制造機加工車間默默地工作了幾十年。在過去的幾年里，由于受到計算能力、新型設(shè)計軟件、新材料、創(chuàng)新推動及互聯(lián)網(wǎng)進步的推動，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速。當(dāng)然，技術(shù)雖然好，也要看人們怎樣應(yīng)用。有人可能會用來制造武器或不受監(jiān)管甚至是有毒的新藥。我們的環(huán)境也可能很快被滿足各種需求的打印塑料產(chǎn)品垃圾所充斥。生物打印帶來的倫理挑戰(zhàn)將比干細胞引發(fā)的爭議更復(fù)雜。黑市商人則會受到利益驅(qū)使，通過制造和銷售有故障的機器零件來快速賺取黑心利潤，那些豆腐渣工程在關(guān)鍵時刻往往會出問題。

　　大多數(shù)人第一次聽到3D打印時，他們就想到了那些老式的、常見的桌面打印機。噴墨打印機和3D打印機最大的區(qū)別是維度問題，桌面打印機是二維打印的，在平面紙張上噴涂彩色墨水，而3D打印機可以制造拿在手上的三維物體。　　

　　計算機在3D打印過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，沒有計算機發(fā)出的指令，3D打印機就會癱瘓。3D打印機正常運作的前提是要輸入一個設(shè)計好的電子藍圖或設(shè)計文件，它們負責(zé)告訴3D打印機在哪里放置原材料。事實上，沒有連接計算機及設(shè)計文件的3D打印機是沒有用處的，就像沒有存儲音樂的iPod。

　　3D打印過程如下：3D打印機在設(shè)計文件指令的導(dǎo)引下，先噴出固體粉末或熔融的液態(tài)材料，使其固化為一個特殊的平面薄層。第一層固化后，3D打印機打印頭返回，在第一層外部形成另一薄層。第二層固化后，打印頭再次返回，并在第二層外部形成另一薄層。如此往復(fù)，最終薄層累積成為三維物體。

　　3D打印機不像傳統(tǒng)制造機器那樣通過切割或模具塑造制造物品。通過層層堆積形成實體物品的方法從物理的角度擴大了數(shù)字概念的范圍。對于要求具有精確的內(nèi)部凹陷或互鎖部分的形狀設(shè)計，3D打印機是首選的加工設(shè)備，它可以將設(shè)計在實體世界中實現(xiàn)。

　　3D打印部件和產(chǎn)品正在蔓延到日常生活中。你的汽車儀表盤的設(shè)計就借助了3D打印原型，確保各部件緊密地配合在一起。如果你戴助聽器，3D打印可以使用光學(xué)掃描數(shù)據(jù)，捕捉你內(nèi)耳的精確形狀，實現(xiàn)定制生產(chǎn)。

　　牙科診所借助X射線不到一個小時就可以打印定制的牙冠。在體內(nèi)安裝用鈦和陶瓷打印的假膝蓋已經(jīng)風(fēng)靡世界。如果你有幸乘坐波音公司的新型飛機——波音787夢想飛機，你已經(jīng)將生命托付給至少32種3D打印的部件。

　　3D打印技術(shù)的秘密可以概括如下：就將復(fù)雜設(shè)計變成實體物品而言，3D打印機比其他生產(chǎn)模式（如人工生產(chǎn)或機器生產(chǎn)）更精確、更通用，可以將一個復(fù)雜的設(shè)計通過組合不同的原材料以過去不可能的方式制造成實物。

　　如今，一般家用3D打印機可以制造鞋盒大小的塑料物品。工業(yè)領(lǐng)域的3D打印機可以制造大到汽車、小到肉眼幾乎無法看到的針頭等物品。有些研究人員開始嘗試用3D打印機打印小型房屋大小的混凝土結(jié)構(gòu)。而在微觀的角度，另外一些研究人員已經(jīng)打印出肉眼幾乎看不到細節(jié)的物體。

　　引入3D打印技術(shù)的一個風(fēng)險將是對消費者安全的威脅。雖然至今還沒有人受到來自3D打印機在打印時出現(xiàn)故障或由3D打印機本身帶來（至少忽視了）的傷害。

　　這是一個某天可能會出現(xiàn)在法庭上的場景，在這種假設(shè)下，錯誤在哪一方呢？汽車發(fā)燒友美好地憧憬著，在地下室車間，3D打印機能夠制作一個用戶定制的方向盤。毫無疑問，這個打印出來的方向盤并沒有經(jīng)過質(zhì)量和安全檢測。這些設(shè)計文件可以在一個廣受歡迎的出售新奇汽車附件的網(wǎng)站上買到。

　　業(yè)余汽車愛好者在線出售打印出來的方向盤，它的買家買到后將其安裝在汽車上。幾個星期后，他發(fā)現(xiàn)在高速行駛時要向左急轉(zhuǎn)彎，根據(jù)用戶量身打印出來的方向盤就會脫離，不過為時已晚，買家已經(jīng)車毀人亡。

　　與其他經(jīng)歷了技術(shù)快速發(fā)展的行業(yè)一樣，3D打印行業(yè)也將遇到新的法律挑戰(zhàn)和新形式的消費者安全和犯罪活動。法律變更的速度越來越慢，但技術(shù)不會坐等法律的改變。技術(shù)越強大，可能出現(xiàn)的濫用情況就越新奇和深遠。

　　3D打印引入的法律挑戰(zhàn)在公共意識邊緣閃現(xiàn)。我們剛剛開始探索這一前沿領(lǐng)域，不久的將來3D打印的有關(guān)法律將會產(chǎn)生。

　　敏捷制造：既好，又快，還省

　　預(yù)測未來是有風(fēng)險的。寫這本書時，我們就3D打印前景采訪了一些人，發(fā)現(xiàn)了一些即將顯現(xiàn)的潛在優(yōu)勢。來自各個行業(yè)、具有不同背景和專業(yè)技術(shù)水平的人用類似的方式描述，3D打印幫助他們減少主要成本、時間和復(fù)雜性障礙。

　　我們將獲取的信息歸納為十項優(yōu)勢，希望能幫助一些個人和企業(yè)充分利用3D打印技術(shù)。

　　優(yōu)勢1：制造復(fù)雜物品不增加成本。就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造成本越高。對3D打印機而言，制造形狀復(fù)雜的物品成本不增加，制造一個華麗的形狀復(fù)雜的物品并不比打印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。制造復(fù)雜物品而不增加成本將打破傳統(tǒng)的定價模式，并改變我們計算制造成本的方式。

　　優(yōu)勢2：產(chǎn)品多樣化不增加成本。一臺3D打印機可以打印許多形狀，它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。傳統(tǒng)的制造設(shè)備功能較少，做出的形狀種類有限。3D打印省去了培訓(xùn)機械師或購置新設(shè)備的成本，一臺3D打印機只需要不同的數(shù)字設(shè)計藍圖和一批新的原材料。

　　優(yōu)勢3：無須組裝。3D打印能使部件一體化成型。傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)建立在組裝線基礎(chǔ)上，在現(xiàn)代工廠，機器生產(chǎn)出相同的零部件，然后由機器人或工人（甚至跨洲）組裝。產(chǎn)品組成部件越多，組裝耗費的時間和成本就越多。3D打印機通過分層制造可以同時打印一扇門及上面的配套鉸鏈，不需要組裝。省略組裝就縮短了供應(yīng)鏈，節(jié)省在勞動力和運輸方面的花費。供應(yīng)鏈越短，污染也越少。

　　優(yōu)勢4：零時間交付。3D打印機可以按需打印。即時生產(chǎn)減少了企業(yè)的實物庫存，企業(yè)可以根據(jù)客戶訂單使用3D打印機制造出特別的或定制的產(chǎn)品滿足客戶需求，所以新的商業(yè)模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產(chǎn)，零時間交付式生產(chǎn)能最大限度地減少長途運輸?shù)某杀尽?br />
　　優(yōu)勢5：設(shè)計空間無限。傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠制造的產(chǎn)品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如，傳統(tǒng)的木制車床只能制造圓形物品，軋機只能加工用銑刀組裝的部件，制模機僅能制造模鑄形狀。3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設(shè)計空間，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形狀。

　　優(yōu)勢6：零技能制造。傳統(tǒng)工匠需要當(dāng)幾年學(xué)徒才能掌握所需要的技能。批量生產(chǎn)和計算機控制的制造機器降低了對技能的要求，然而傳統(tǒng)的制造機器仍然需要熟練的專業(yè)人員進行機器調(diào)整和校準。3D打印機從設(shè)計文件里獲得各種指示，做同樣復(fù)雜的物品，3D打印機所需要的操作技能比注塑機少。非技能制造開辟了新的商業(yè)模式，并能在遠程環(huán)境或極端情況下為人們提供新的生產(chǎn)方式。

　　優(yōu)勢7：不占空間、便攜制造。就單位生產(chǎn)空間而言，與傳統(tǒng)制造機器相比，3D打印機的制造能力更強。例如，注塑機只能制造比自身小很多的物品，與此相反，3D打印機可以制造和其打印臺一樣大的物品。3D打印機調(diào)試好后，打印設(shè)備可以自由移動，打印機可以制造比自身還要大的物品。較高的單位空間生產(chǎn)能力使得3D打印機適合家用或辦公使用，因為它們所需的物理空間小。

　　優(yōu)勢8：減少廢棄副產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比，3D打印機制造金屬時產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工的浪費量驚人，90％的金屬原材料被丟棄在工廠車間里。3D打印制造金屬時浪費量減少。隨著打印材料的進步，“凈成型”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。

　　優(yōu)勢9：材料無限組合。對當(dāng)今的制造機床而言，將不同原材料結(jié)合成單一產(chǎn)品是件難事，因為傳統(tǒng)的制造機床在切割或模具成型過程中不能輕易地將多種原材料融合在一起。隨著多材料3D打印技術(shù)的發(fā)展，我們有能力將不同原材料融合在一起。以前無法混合的原料混合后將形成新的材料，這些材料色調(diào)種類繁多，具有獨特的屬性或功能。

　　優(yōu)勢10：精確的實體復(fù)制。數(shù)字音樂文件可以被無休止地復(fù)制，音頻質(zhì)量并不會下降。未來，3D打印將數(shù)字精度擴展到實體世界。掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)將共同提高實體世界和數(shù)字世界之間形態(tài)轉(zhuǎn)換的分辨率，我們可以掃描、編輯和復(fù)制實體對象，創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)化原件。

　　以上部分優(yōu)勢目前已經(jīng)得到證實，其他的會在未來的一二十年（或30年）成為現(xiàn)實。3D打印突破了原來熟悉的歷史悠久的傳統(tǒng)制造限制，為以后的創(chuàng)新提供了舞臺。在后面的章節(jié)中，我們將探討3D打印技術(shù)如何改變我們的工作、飲食、醫(yī)療、學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和娛樂。