3D打印:從想象到現實

3D打印:從想象到現實

原圖鏈接來自搜狗的圖片

這本書講述了3D打印技術的突破性發展，以及3D打印技術將如何應用在學校、廚房、醫院等場所的。這本書預測，不遠的未來，我們完全可以用電腦把自己想要的東西設計出來，然後進行三維打印，就像我們現在可以在線編輯文檔一樣。通過電子設計文件或設計藍圖，3D打印技術將會把數字信息轉化為實體物品。當然，這還不是3D打印的全部，3D打印最具魔力的地方是，它將給材料科學、生物科學帶來翻天覆地的變化，最終的結果是科學技術和創新呈現爆發式的變革。

3D打印機本是一種相對粗陋的製造機器，從工廠誕生，然後走進了家庭、企業、學校、廚房、醫院、甚至時尚T台。但是一旦將3D打印機與當今發達的數字技術相結合，奇蹟就發生了。

目錄

基本內容

書名：3D打印:從想象到現實

作者：胡迪•利普森 (Hod Lipson) 梅爾芭•庫曼 (Melba Kurman) 賽迪研究院專家組(譯者)

ISBN：9787508638584

出版社：中信出版社

出版日期：2013-04-15

定價：49.00元

分類：經濟管理，行業經濟

內容簡介

你需要一把功能強大的錘子？你需要一雙精緻無比的鞋子？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。《3D打印:從想象到現實》帶你走進3D打印的世界，認識一下當下這個最酷的東西——它將從想象變成現實，並帶來一場深刻的社會革命。

精彩點評

對普通讀者來說，這本書可以使他們最快速、最全面、最具前景的了解3D打印，並且啟發他們思考這種技術與自己的關係。對科學研究者來說，這本書可以使他們更全面的認識3D打印可能應用的領域以及主要空白，從而加速3D打印技術的發展和應用。對於科學政策決策者，這本書可以參考來制訂3D打印技術的規劃，同時也有助於考慮哪些研究領域可以介入。

推薦

《3D打印:從想象到現實》向你揭開了3D打印神秘面紗：讓傳統製造瞬間過時，規模經濟的鐵律從此被打破跨越虛擬世界與實體世界的鴻溝，一場產品製造和設計的革命即將開始，它將顛覆我們的物理世界。一場產品製造的革命、設計的革命、材料的革命、生物的革命、知識產權的革命即將由3D打印引爆。

3D打印技術的遠大前景即將展開：跨越虛擬世界與實體世界的鴻溝；規模經濟的鐵律從此被打破；3D打印將把人工智能從計算機拓展到現實世界，機器人將成為過去時……

在中國：3D打印概念股橫空出世，萬眾矚目；各大媒體集中、熱烈報道；工信部、科技部紛紛制定政策推動3D打印產業化。

3D打印機與當今發達的數字技術相結合，再加上互聯網的普及以及微小而成本低廉的電子電路的廣泛使用，技術和社會革新由此爆發。

全球第一本全面講述3D打印的作品，3D打印風靡全球，第三次工業革命的序幕拉開了！

文摘

第1章

這是科幻嗎，不，它將成為現實

地點：你的生活空間。

時間：從現在到幾十年後。

即使將來，早上起床仍然是件難受的事。

剛出爐的全麥藍莓鬆餅的香味從廚房食品打印機里飄出。製作有機低糖鬆餅的「墨盒」在市場被作為奢侈品銷售。配方由各有所長的麵包技師提供，技師們來自著名的飯店和度假酒店。

當你第一次向你爺爺展示食品打印機時，他認為是自動蛋糕機—20世紀80年代起風靡廚房的美食家電。他不明白，為什麼直到他結婚紀念日當天，你才想起要打印加工食品。為了慶祝這一紀念日，你不惜代價準備了豪華食品「墨盒」，為他和你奶奶打印慶祝晚餐，包括新鮮的金槍魚排、蒸粗麥粉和每片圖案都不同的螺旋形巧克力—摩卡—樹莓奶油蛋糕。

健康保險公司將你的食品打印機升級到高級醫療模式以後，你的控制血糖的飲食管理變得更容易了。專門為糖尿病患者推出的新醫療級食品打印機通過一個微型皮膚植入物監測你的血糖並讀取無線信號流。當你早上醒來時，食物快速成型機接收到早上第一個讀數，然後對你的數字化早餐的含糖量進行相應調整，以保持營養均衡。

早餐後，該瀏覽新聞了。頭條新聞是關於救援被困井下一周的幾名礦工的最新進展。他們所在的礦井坍塌，將他們埋在了地下。首支救援隊試圖將他們救出，但救援工具差點兒引發了一場致命的瓦礫崩塌。

幸運的是，採礦公司遵守了聯邦安全法規，並給礦工配備了規範的安全裝備。3D安全打印機是一個標準的工具，礦工將其隨身攜帶到礦井深處。在他們下井前，技術人員會確保每台打印機的關鍵零部件都有更新的設計文件。3D安全打印機與其他機械被帶到礦井深處，以備部件斷裂後可以迅速更換。

今天，關於礦難的追蹤報道稱，便攜式3D安全打印機居然成為救災英雄，這真是匪夷所思。一連好幾天，被困礦工通過時斷時續的無線連接與地面上的技術人員保持通話。兩班人馬（一個在地上，一個在地下）正在共同努力，優化打印機需更換部分的設計藍圖。這應該是一個短暫、標準的救援行動，現在卻變得複雜起來。打印一些更換部件本來是很容易的。救援工作被推遲的原因在於：礦井內的濕度高得出乎意料，損壞的部件被更換後發生了彎曲。

好消息是，礦井的情況今天看起來更樂觀。記者解釋說，第三次嘗試打印的更換部件在礦業公司總部通過了模擬條件下的壓力測試。今天，礦工將在地下按更新的設計藍圖打印。如果奏效，今晚就可以開始修復損壞的機器。

當你離開家去工作，起重機和形單影隻的施工人員在街對面的一塊空地上默默勞作。你鄰居的建設項目成為鄰里的談資。幾個星期前，他推倒老式的木房子，要建造一幢新的生態友好型豪宅。

鄰居在郵箱邊向你揮手，還給你看了他的房屋介紹。新家是一家名為「泡沫之家」的公司開發的一個豪華模型，兩個多星期就可以完工。該公司的產品目錄稱，每所房屋的牆壁均內置氣象傳感器，屋頂在最後完工後，將在頂部安裝太陽能電池板，牆壁的配線和銅管已經就位。

你和鄰居一起看工程起重機在新的地基上慢慢操作一個巨大的噴嘴。噴嘴掃描景觀，依據設計藍圖，擠出混凝土和一些合成建築材料。施工人員的職責是確保施工期間工地上沒有人走動。裝備的「大腦」是一台小型計算機，在施工過程中指揮工程起重機。

鄰居一直以極大的興趣關注着施工進程，看着房子的牆壁慢慢成形。想起一個關於早期工廠自動化老掉牙的笑話：「在那個時代，你要運作一家工廠，一個男人和一條狗足矣。男人負責餵狗，如果這個男人試圖碰任何東西，狗就咬他。」

到目前為止，慢慢成形的房子看起來非常漂亮，牆壁呈曲線形，裝飾有幾何圖案、柔和的曲線和鏤空。沒有人能夠建造有這樣構架的房子，不管有多少人參與施工。目前還沒有人看到新房子的內部構造，但聽說你的鄰居定製了設計內壁，讓它看起來很像老式的磚混結構。

最後，你到了辦公室，着手處理數月以來在你的領導下進行的長期調查工作的最終階段的細節部分。你的團隊被安排進行一項新型的低價更換人體器官的黑市調查。越來越多的急需更換器官的患者從未經認證的生物打印醫療服務機構購買更換器官。在公眾的頭腦中，生物打印人體器官仍然是一個有爭議的話題，比你爺爺那一代的人體幹細胞、人工流產或克隆呈現出更明顯的兩極化。

獲得更換的器官變得太容易了。高分辨率的全身掃描的成本在過去幾年大幅下降。人們樂於在20多歲儲存人體器官並保存相關數據，萬一出了問題，他們可以快速更換器官。有時候，他們的關節會出一點兒毛病。現實生活中，「人體設計文件」最常用於整容手術，重新找回光滑緊緻的皮膚和年輕的身體。

生物打印是沒有問題的。事實上，大多數人認為，生物打印是一項挽救生命的技術。我們面臨的挑戰是怎樣整治這些日益繁榮的黑市。對全新的打印器官的生產進行規範是很難的，因為生物打印的成本已經大幅下降。每年，醫院和外科診所都會賣掉過時的生物打印機，去年，黑市商人以不到一輛新車的價格搶購了一台。

在調查過程中，你會了解到大部分黑市機構實際上運作得很好。問題出在錯誤的設計文件，或者不負責任的器官廠商偷工減料，不在無菌的打印環境下操作。最近的一個案例是，一些病人死於未經認證的「低能器官」，這些病人購買這些器官是為了提高他們的運動能力並改善自己的外貌，他們的家人對到底該起訴誰感到迷茫：無良製造商、生物「墨盒」供應商、器官設計師，還是設計認證商？

從那些本意善良的、想要當醫治者的人到那些利慾薰心的無良血肉販子，他們都屬於黑市生物打印商的範疇。有能力的黑市商人能夠幫助病人以低價獲取重要的新器官，因此被一些人稱為「英雄」。其他一些人則痛斥器官商人出售給患者重要器官時唯利是圖，尤其是在新打印器官屬於粗製濫造之作的情況下。

在結束一天的工作後，你順便去了一趟女兒就讀的中學。你是今年一個科學展的家長發起人。你女兒的老師告訴你，3D打印機正在破壞科學展的文化。懶惰的學生幾乎不費吹灰之力、無須任何技巧就能夠通過3D打印製造複雜的物品—他們需要的只是一個良好的設計文件。許多家境貧寒的學生沒有家用3D打印機，因此他們無法進行設計實踐，而設計實踐是他們參與公平競爭所必需的。

還有另一種扭曲。老師解釋說，今年的科學展，家長要做清理服務。去年科學展後，學校的保潔員抱怨健身房地板上散落着很多雜亂無章的打印碎片。更糟的是，幾天後，學生和教師被幾十個鼠標大小的成品機器人絆倒，這些機器人在學校的走廊上叮噹翻滾。一些打印機器人存儲了預編程的入門知識，另一些可移動機器人似乎已經掌握了一些未經授權的、豐富多彩的智慧。

你和你女兒回到家後，你的愛人分享了好消息：他的3D製造企業剛剛獲准進入航空航天雲製造網絡。雲製造是一種取代大規模生產的新的生產方式，它像雲計算一樣，是一個分散式和大規模批量式並行的生產模式。大企業從幾個經審查合格的小製造企業生產網絡訂購所需的部件和服務，這些小製造企業可以聯手製造專門的部件。

雲製造正迅速應用於電子、醫療和航空航天等行業，這些行業的企業需要複雜的、高精密度的而不是大批量的部件。小製造企業形成的雲製造網絡為大企業節省了費用。雲製造網絡往往靠近客戶，這樣打印部件的運輸距離就縮短了。這些企業將產品部件的設計進行數字存儲，每次只生產一個或者幾個部件。雲製造網絡在區域經濟中已經無處不在，這樣，專門的小型製造商和服務商就創造了當地的就業機會。

你愛人的企業是由數家小製造企業組成的雲製造網絡中的一員，為軍用和商用飛機製造商製造專業燃料噴射器。為了獲准進入這個專門網絡，他的企業必須證明具有在指定時間內通過3D打印生產飛機部件的製造能力。製造網絡對這些部件樣品進行抽樣壓力測試，測試結果還不錯。經過一番利潤率和製造能力的談判，他的企業獲准進入了該網絡。

最後，一天終於落幕。你兒子喜歡在他就寢前刷牙，然後躺在床上聽你給他講故事。今晚你會發現，其他都像往常一樣，但他的牙刷莫名其妙地消失了。他覺得可能是昨天落在他朋友家了。你可以跑到商店給他買一把新牙刷，但現在有一個更簡單的方法。

你啟動家用Fabber，讓你兒子快速查看幾種不同的牙刷設計。幾家不同的公司在Fabber網站上出售他們的設計，你兒子已經想好他想要的品牌—通過討價還價以99美分買了下來，他喜歡牙刷柄上有幾種不同的卡通人物。你在網上付款，通過將小魔杖載入Fabber，掃描了你兒子的指標—手的大小和嘴張開時的形狀。

然後，Fabber開始打印。在其發光屏幕上，設計參數表像電影那樣滾動—從牙刷程序的設計者到擁有卡通設計版權的公司。新牙刷可以在15分鐘內製作完成。

在Fabber打印過程中，你給兒子講睡前故事。這是關於過去的日子，那些「當我在你這個年齡時」的故事之一。他將信將疑，很難相信你年輕時，每把牙刷看起來都是一樣的。現在，如果你從互聯網上訂購東西，僅需要24小時就可以送貨上門。

「哇！」他禮貌地說，「那麼要是回到過去，生活一定很不容易啊！」

第2章

一台幾乎可造萬物的機器

如果你有一台可造萬物的機器，你會用它做什麼？在英國，技術人員通過掃描奧運短跑運動員的腳和腳踝，把數據輸入計算機，計算機經過幾步簡單的計算後，技術人員就能夠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，飛船甲板上裝有定製的3D打印金屬部件。這些部件大多形狀複雜，有許多曲線和鏤空，除了3D打印機，其他任何設備都生產不出來。

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

這些製造奇蹟不斷發生。在不遠的將來，人們將3D打印出活體組織、富含營養的食品及完全組裝好的電子元件成品。本書旨在講述一種全新的產品生產模式，在下面的章節中，我們將用簡練的語言解釋3D打印技術及其設計工具。對於一些愛好技術的讀者，我們有幾章會深入描繪3D打印技術的現狀和未來。然後，我們還探討了其對下游經濟、個人和環境的影響。

3D打印開闢了新的前沿領域。隨着普通民眾也能夠設計和生產電動工具，製造業和商業模式將發生巨大變革，知識產權法將徹底失效。

圖2–1 用石質材料打印的全尺寸長凳

圖片來源：Andrea Morgante and Enrico Dini, D-Shape

有些人清楚地記得自己是在什麼地方觀看的人類首次登月，還有些人對柏林牆轟然倒塌後幾周里的混亂狀況記憶猶新，我卻記得我第一次聽到3D打印時的情景。

那是20世紀80年代末在一場乏味的製造工程研討會上。教室里很暖和，不幸的是教授的聲音低沉、單調而舒緩，我和同學們昏昏欲睡。

教室的門「砰」的一聲打開，打破了這個下午講座上昏昏欲睡的平靜。一名陌生男子衝進了教室，這位奇怪的闖入者聲稱他是庫比特系統公司（Cubital Systems）的推銷員。我們以前從來沒有聽說過這家公司，而這家公司卻是當時世界上僅有的銷售3D打印機的兩家公司之一。

這名頂着一頭亂髮的推銷員不斷地晃動着一個塑料物體，並聲稱一場製造業革命正在醞釀之中。「我手裡握着製造業的未來！」他大聲叫道，「這個塑料物體是由一種能夠『打印』塑料的激光打印出來的。」

出於好奇，我和同學們湊過去想知道他為什麼會來我們班上。我們的教授察覺到了我們的興趣，明智地將課堂交給了這位活躍的闖入者。後來我們才知道，庫比特推銷員是我們教授邀請的客座講師。

真是一個喜歡炫耀的人，他一本正經地頓了一下，欣賞着我們的困惑。在安靜之後，他讓一個學生轉動塑料物體露出的曲柄。當同學使勁轉動曲柄時，我能聽到課堂上鐘錶的清脆「咔噠」聲，時間是那麼難熬。在設備內部，複雜的鏈鎖齒輪彼此牽引地運轉着。

我們昏昏欲睡的大腦掙扎着甦醒過來，我們彼此低聲問道：「他剛才是說他用激光打印出了那個東西嗎？」我們學的是磨齒齒輪，我們試圖弄明白這一意想不到的表演是怎麼發生的。

圖2–2 得克薩斯大學卡爾•德卡德和約瑟夫•比曼發明的

第一台選擇性激光燒結打印機（約1986年）

圖片來源：Carl Deckard and Joe Beaman

當推銷員曝出另一條爆炸性消息時，我們變得更加困惑了。他說：「你們這裡所看到的所有齒輪、把手、旋鈕都不是組裝出來的，它們都是按照一個個單獨的、預裝配的不同部件一起有序打印出來的。」

當這位精力充沛的闖入者要愉快地結束他的演講時，教室里混亂的「嗡嗡」聲變得越來越大，他甩出了最後的數據觀點：一台計算機，而不是一個人，可以在整個生產過程中充當一雙「手」操控這台神奇的機器。推銷員翻遍了他的包，掏出一張紙，在我們面前揮動了幾下。這張紙上顯示的是一台計算機的照片，計算機屏幕上是與剛才他向我們展示的塑料物體相同的設計文件。

庫比特系統公司推銷員笑着問我們是否有問題要問，我們都精神起來，爭先恐後地向他發問。他說他用激光「打印」出了所有的塑料部件，這是什麼意思呢？什麼樣的製造設備能夠將部件一次性生產出來，而不需要進行組裝呢？它能打印塑料以外的其他材料嗎？還有，當然了，個人購買這樣一台設備要花多少錢？

傳統製造感覺瞬間過時。

我仍然記得那一天，這位客座講師的熱情演說使我確信，這種神奇的設備確實會引發一場產品製造和設計的革命。我從來沒有見過物體的軟件設計（我當時剛剛迷上設計軟件，而且興趣越來越濃）與其實體表現之間聯繫如此緊密。

那一天是20年前，我們預料的革命沒有如期迅速爆發。幾年後，庫比特系統公司停業了。如同許多開創性技術一樣，庫比特系統公司的3D打印工藝過於複雜和低效，機器設備昂貴，利潤率敏感的製造企業難以接受。

我有時想知道庫比特系統公司關門後，那位推銷員去了哪裡。他的推銷說辭毫無修飾，卻能直達目標。普通民眾能夠像編輯數碼照片一樣毫不費力地撕裂、混合併打造實體物體，這只是時間問題。

打印三維物體：哈利•波特的魔杖復活了

如同童話故事裡的魔杖，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計和生產工具，人們可以獲得專業設計師和製造業大企業所獨有的設計和製造能力。

在未來的3D打印世界裡，無論何時何地，人們需要什麼就可以打印什麼。當然，技術雖然好，也要看人們怎樣應用。有人可能會用來製造武器或不受監管甚至有毒的新藥。我們的環境也可能很快被滿足各種需求的打印塑料產品垃圾所充斥。生物打印帶來的倫理挑戰將比幹細胞引發的爭議更複雜。黑市商人則會受到利益驅使，通過製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鍵時刻往往會出問題。

大多數人第一次聽到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打印機最大的區別是維度問題，桌面打印機是二維打印的，在平面紙張上噴塗彩色墨水，而3D打印機可以製造拿在手上的三維物體。

3D打印機依據計算機指令，通過層層堆積原材料製造產品。在人類歷史的大部分時間裡，我們通過切割原料或通過模具成型製造新的實體物品。

3D打印的技術名稱是「增材製造」，這是對實際打印過程比較貼切的描述。3D打印獨特的製造技術讓我們能夠生產前所未有的各種形狀的物品。

3D打印不是一種新技術，3D打印機已在製造機加工車間默默地工作了幾十年。在過去的幾年裡，由於受到計算能力、新型設計軟件、新材料、創新推動及互聯網進步的推動，3D打印技術發展迅速。

計算機在3D打印過程中發揮關鍵作用，沒有計算機發出的指令，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計好的電子藍圖或設計文件，它們負責告訴3D打印機在哪裡放置原材料。事實上，沒有連接計算機及設計文件的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打印機在設計文件指令的導引下，先噴出固體粉末或熔融的液態材料，使其固化為一個特殊的平面薄層。第一層固化後，3D打印機打印頭返回，在第一層外部形成另一薄層。第二層固化後，打印頭再次返回，並在第二層外部形成另一薄層。如此往復，最終薄層累積成為三維物體。

3D打印機不像傳統製造機器那樣通過切割或模具塑造製造物品。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字概念的範圍。對於要求具有精確的內部凹陷或互鎖部分的形狀設計，3D打印機是首選的加工設備，它可以將這樣的設計在實體世界中實現。

3D打印部件和產品正在蔓延到日常生活中。你的汽車儀錶盤的設計就藉助了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打印可以使用光學掃描數據，捕捉你內耳的精確形狀，實現定製生產。

牙科診所藉助X射線不到一個小時就可以打印定製的牙冠。在體內安裝用鈦和陶瓷打印的假膝蓋已經風靡世界。如果你有幸乘坐波音公司的新型飛機—波音787夢想飛機，你已經將生命託付給至少32種3D打印的部件。

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

如今，一般家用3D打印機可以製造鞋盒大小的塑料物品。工業領域的3D打印機可以製造大到汽車、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構。而在微觀的角度，另外一些研究人員已經打印出肉眼幾乎看不到細節的物體。

走向數字化和模擬化：跨越虛擬世界和實體世界的鴻溝

20世紀90年代中期，電子商務和數字媒體還處於起步階段。在充滿奇妙預測的1995年暢銷書《數字化生存》（Being Digital）中，作者尼古拉斯•尼葛洛龐帝預測道：「娛樂原子」正在消亡。在數字媒體粉墨登場的幾年前，尼葛洛龐帝準確預測了娛樂傳媒的實體形態（傳統的圖書出版、光碟租賃和大型電視網絡）將面臨與恐龍同樣的命運。

集中控制的大眾媒體和圖書出版的消亡只是開始。20世紀末，信息開始走向數字化。21世紀，虛擬世界將與實體世界更緊密地聯繫在一起。

虛擬世界是一個可以在其中自由選擇的地方。在視頻遊戲裡，人物可以跨越建築物、長出新的手臂、變身成為不同的實體形狀。虛擬世界也很容易編輯和修訂。雖然改變一棵真樹的樹皮顏色是不可能的事，但在數碼照片中改變樹的顏色卻很簡單。虛擬世界的行為可以被編程。如果實體對象的詳細信息可以通過設計文件捕捉，設計的數字「原料」就可以模塊化，由屏幕上微小的離散光點或像素構成。

3D打印技術將跨越虛擬世界與實體世界的鴻溝。當然，懷疑論者會立即指出，數字世界和實體世界已經有了一些交匯點。畢竟設計和製造工藝已經由計算機驅動了數十年，現在大規模生產幾乎實現了完全自動化（除了最後一步，即勞動密集型裝配流水線）。

虛擬世界和實體世界的融合將是一個緩慢而微妙的過程，這一過程具有階段性。首先，我們要獲取實體物品的形狀；其次，我們上升到新階段，控制其材料組成；最後，我們要控制實體物品的行為。

掌控產品形狀：現實生活中不可能的形狀也能製造

3D打印機可以詳細闡釋數字化設計文件，帶我們到接近充滿豐富的創造力和自由的虛擬世界。如果你看動畫片，顯然，屏幕上的畫面就是在用計算機設計的：恐龍在現代化的地鐵站里漫步，狀如禿鷹的飛行機器戰士用致命激光掃射所經之處。

如果影片在動畫和現實之間來回切換，對觀眾來說，在計算機繪製的充滿豐富想象的多彩世界和現實生活中顯然有一個明確的界限。欣賞3D打印的前景和風險的方法之一是思考掌控材料世界的鐵律。由於3D打印機分層形成物品，它們可以塑造過去只有在自然界存在的形狀，曲線、鏤空與複雜的內腔製造將成為可能。

目前的挑戰是原子以不可預知的方式走到了一起。數字設計在計算機屏幕上令人震驚，但理論上被製造出來後隨時會坍塌，因為它不能突破重力和材料限制。相比之下，數字世界讓我們放飛想象的翅膀，自由創造。數字世界急需製造出現實生活中不可能的形態。

控制材料構成：實體物品能不能也變成數字世界的「1」和「0」

在融合的第二階段，3D打印會給我們帶來對物質構成和材料構成的精確控制。多材料3D打印機將為新產品的生產打開大門，這種新產品由嚴格控制的原材料構成，其整體性能將大於部分之和。

試想在一個水彩調色盤中，將藍色和黃色混合，可以形成無數深淺不同的綠色。在自然界中，22種氨基酸以不同的方式組合，創造出可以形成驚人物種的蛋白質。配備精確的設計文件的多材料3D打印機，可以將熟悉的原材料混合成全新的組合。

隨着3D打印技術的不斷發展，我們將看到很多由當前不可行的材料混合製成的物體。我們將看到可以自我修復的機器部件，或者看到可以將其長度延伸近10倍的無線網格。醫療設備將對特定病人的血型做出回應，或檢測其體溫變化。

控制材料組成的第二個渠道與第一個稍有不同。有一天3D打印機會製造出可控的材料。在虛擬世界中，所有的信息無論多麼複雜，最終都可歸結為它的本質，那就是兩個基本單位：1或0。

相反，實體物品由豐富的、非模塊化的螺旋結構的原材料製成，它的基本單位是原子，不那麼規則且難以控制。由於材料在實體世界具有多樣性，很難有意義地捕捉數字形式的「模擬」材料。結果是，模擬材料很難被精確地複製、控制和編程。

不兼容的原子是製造商的噩夢。誠然，3D打印機不能粉碎開放的原子，使它們更具可塑性。但是，3D打印機可以做的是將一度不能兼容的原材料巧妙地結合在一起，打印成單一的物品。

電子電路一直都臭名昭著，因為人們必須先單獨製造出內部的陶瓷和塑料零件，然後加以組裝，才能形成電子電路的金屬部件。事實是，製作電路關鍵部件的原材料必須通過單獨的製造機器生產出來，這決定了電路板是平坦的，由多個薄層構成。

如果電子電路的組件不受制於彼此不兼容的影響，我們可以創造出各種形狀和樣式的電路。如果我們能將導電和非導電材料組裝在3D打印機里，我們可以製造出各種形狀和大小的電路。我們可以打印內置電路的機械裝置，這些裝置和生物世界一樣複雜。

實現對材料組成控制的另一種方式是體素化。體素是等效的實體像素，它可以是微小的、固體材料的碎片，也可能是微小的容器，可以容納你放入的任何東西。

我們正在了解由體素製成的3D打印物品。由體素製成的物品可以替代構成大多數實體材料的模擬材料。如果你用體素製造物品，你就離像可編程物品一樣製造物品更近了一步。控制實體物品的材料組成打開了通往下一階段（即控制實體物品行為）的大門。

打印智能物品：機器人將過時

拿廚房的木桌為例，如果你用光學掃描儀掃描它的外表面，你可以把掃描獲得的數據轉換成設計文件。一旦將桌子的實體尺寸轉換成數字格式，就可以輕易使用設計軟件暫時獲得對桌子設計的控制。

你可以先編輯桌子的設計文件，然後3D打印出一張新桌子。然而，除非你用數十億個體素進行打印，否則新桌子將是模擬的。它的材料、它的部件和組片將仍然是原生的、非智能的、連續的和被動的。如果你能用體素3D打印出新桌子，那麼新的世界可能就會出現。

隨着電子元件的尺寸繼續縮小，計算能力不斷提高，總有一天我們能夠3D打印出含有微小電路的體素。就像圖形的像素，其完美的集合會創建優美的高分辨率的數字圖像一樣，完美的體素集合可以製造智能的、有活力的實體物品。

體素催生出活躍的智能原材料。與今天我們能3D打印的非智能部件不同，未來我們能打印出智能系統，例如一部可使用的手機。3D打印機將創造出智能面料、現成機器人的生命形式和能夠學習、響應和思考的機器。我們可以打印帶有數字智能內涵的實體物品。

未來有一天，3D打印將把人工智能從計算機拓展到現實世界，機器人將成為過去時。半機器人在20世紀90年代就成為文化遺蹟，未來取決於可以編程的物質以及本質可以編程並可以被3D打印的原材料。

麻省理工學院教授尼爾•格申費爾德在《當鞋子開始思考》（When Things Start to Think）一書中預言，可編程物質有自己的思想。數字處理能力將真正地找到自己的腿，走進物質世界。3D打印可編程物質將形成自己的實體，具備機械和觸覺能力。

也許有一天，3D打印機器人的生命形態會被具有電池、傳感器和電路大腦的3D打印機打印出來。新生的3D打印機器人將從打印台上邁出不太穩當的第一步，並讓自身的電路學習周圍的運行方式。也許有一天3D打印機器人會使用它們的3D打印機發明新功能，給它們的「生育機器」做體檢來校驗或替換打印部件。

「請把我的鞋子傳真過來」：3D打印機能做到

當我們毫不費力地對實體和虛擬形態進行移形，並且實體物品順利地在比特和原子間轉換時，最終的融合就到來了。在線文檔也可以以同樣的方式打印在紙上、掃描然後再打印，總有一天實體物品會轉換為比特和原子然後再轉換回來。

在《數字化生存》一書中，尼葛洛龐帝提到，實體世界不容易轉換成數字格式。原子很重，運費較高。實體存儲占用空間。原子按照預先定義的方式牢牢結合在一起。

尼葛洛龐帝寫道：「如果你製作毛衣或中餐，我們將它們轉換成比特需要很長的時間。『將我傳上去，斯科蒂！』雖然這是一個美好的夢想，但幾個世紀內都不可能成真。在此之前你只能依賴聯邦快遞、自行車、運動鞋將你的原子從一個地方運到另一個地方。」

可能有一天，3D打印機會成為最重要的傳真機。如果虛擬世界和實體世界真的不相互排斥，我們可以毫不費力地將物品從一個地方傳到另一個地方。幾年前我還是研究生時，我的幾個同事就在認真研究如何做到這一點，他們研發光學掃描技術並測試這些技術在原始的3D打印機上的精度。

我很佩服他們的想象力，即使在今天看來，它仍然是未來數十年的事情。不過，據我所知，他們未能在核心挑戰方面取得突破：首先，光學掃描只能獲取拍攝對象的表面細節，大多數對象都有重要的內部結構；其次，他們只能打印由單一材料製成的簡單的無生命物體。

現在，我們可以「傳真」簡單的實體物品。我曾和一個同事（考古學教授）一起開展一個研究項目，他從事幾千年前楔形文字的譯解研究。為了開展研究，他經常前往中東各國的考古遺址。

最近我的這位同事從國外歸來，一直為不能將珍貴信息帶回家困擾。古楔形文字是寶貴文物，發現者會及時交給所在國政府。考古學家們試圖通過拍照或精心刻畫字符的形狀捕捉一些信息，遺憾的是真實的東西不能帶回。

我和我的同事決定做一個實驗，看看我們能否將寶貴的楔形文字從一個地方傳真到另一個地方。我們認為可以用CT掃描他收集的幾個楔形文字，然後將掃描數據轉換成設計文件，並通過3D打印機創建楔形文字的副本。

我們認為如果實驗成功，下次我同事去國外時可以說服地方當局讓他用CT掃描當地的寶貴文物，然後他可以將設計信息發送到附近（或遠處）的3D打印機上與其他人分享。他可以為文物所屬國家提供寶貴的保存服務，因為他們也可以存儲楔形文字CT掃描件和3D打印副本的數據。

我們發現，「傳真」楔形文字相當簡單：首先，我們將CT掃描數據轉換成設計文件；其次，我們3D打印出楔形文字的不同尺寸、不同材料的複製品。

最重要的是，在楔形文字傳真實驗過程中我們獲得了一個意想不到的收穫，即CT掃描可以捕捉楔形文字字樣的外部和內部。幾百年前，研究人員就已經了解到許多楔形文字以鏤空的方式書寫，但到現在為止，看到內部結構的唯一方法是打碎（從此就破壞了）它。CT掃描和3D打印楔形文字副本的一個好處是，你可以愉快地將複製品敲碎讀出內部書寫的內容。

3D打印的十大優勢

預測未來是有風險的。寫這本書時，我們就3D打印前景採訪了一些人，發現了一些即將顯現的潛在優勢。來自各個行業、具有不同背景和專業技術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、時間和複雜性障礙。

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

優勢1：製造複雜物品不增加成本。就傳統製造而言，物體形狀越複雜，製造成本越高。對3D打印機而言，製造形狀複雜的物品成本不增加，製造一個華麗的形狀複雜的物品並不比打印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。製造複雜物品而不增加成本將打破傳統的定價模式，並改變我們計算製造成本的方式。

圖2–6

註：打印功能部件。3D打印剪刀「開箱即用」，不需要組裝或打磨。

優勢2：產品多樣化不增加成本。一台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。傳統的製造設備功能較少，做出的形狀種類有限。3D打印省去了培訓機械師或購置新設備的成本，一台3D打印機只需要不同的數字設計藍圖和一批新的原材料。

優勢3：無須組裝。3D打印能使部件一體化成型。傳統的大規模生產建立在組裝線基礎上，在現代工廠，機器生產出相同的零部件，然後由機器人或工人（甚至跨洲）組裝。產品組成部件越多，組裝耗費的時間和成本就越多。3D打印機通過分層製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鏈，節省在勞動力和運輸方面的花費。供應鏈越短，污染也越少。

優勢4：零時間交付。3D打印機可以按需打印。即時生產減少了企業的實物庫存，企業可以根據客戶訂單使用3D打印機製造出特別的或定製的產品滿足客戶需求，所以新的商業模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產，零時間交付式生產能最大限度地減少長途運輸的成本。

圖2–7

註：圖中的部件看起來像組裝的磚塊，實際上是預先組裝3D打印出的塑料製品，一次成型。

圖片來源：Printed on ZPrinter 650 courtesy of 3D Systems

優勢5：設計空間無限。傳統製造技術和工匠製造的產品形狀有限，製造形狀的能力受制於所使用的工具。例如，傳統的木製車床只能製造圓形物品，軋機只能加工用銑刀組裝的部件，制模機僅能製造模鑄形狀。3D打印機可以突破這些局限，開闢巨大的設計空間，甚至可以製作目前可能只存在於自然界的形狀。

優勢6：零技能製造。傳統工匠需要當幾年學徒才能掌握所需要的技能。批量生產和計算機控制的製造機器降低了對技能的要求，然而傳統的製造機器仍然需要熟練的專業人員進行機器調整和校準。3D打印機從設計文件里獲得各種指示，做同樣複雜的物品，3D打印機所需要的操作技能比注塑機少。非技能製造開闢了新的商業模式，並能在遠程環境或極端情況下為人們提供新的生產方式。

優勢7：不占空間、便攜製造。就單位生產空間而言，與傳統製造機器相比，3D打印機的製造能力更強。例如，注塑機只能製造比自身小很多的物品，與此相反，3D打印機可以製造和其打印台一樣大的物品。3D打印機調試好後，打印設備可以自由移動，打印機可以製造比自身還要大的物品。較高的單位空間生產能力使得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。

優勢8：減少廢棄副產品。與傳統的金屬製造技術相比，3D打印機製造金屬時產生較少的副產品。傳統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裡。3D打印製造金屬時浪費量減少。隨着打印材料的進步，「淨成形」製造可能成為更環保的加工方式。

優勢9：材料無限組合。對當今的製造機器而言，將不同原材料結合成單一產品是件難事，因為傳統的製造機器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。隨着多材料3D打印技術的發展，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後將形成新的材料，這些材料色調種類繁多，具有獨特的屬性或功能。

優勢10：精確的實體複製。數字音樂文件可以被無休止地複製，音頻質量並不會下降。未來，3D打印將數字精度擴展到實體世界。掃描技術和3D打印技術將共同提高實體世界和數字世界之間形態轉換的分辨率，我們可以掃描、編輯和複製實體對象，創建精確的副本或優化原件。

以上部分優勢目前已經得到證實，其他的會在未來的一二十年（或三十年）成為現實。3D打印突破了原來熟悉的歷史悠久的傳統製造限制，為以後的創新提供了舞台。在以下的章節中，我們將探討3D打印技術如何改變我們的工作、飲食、醫療、學習、創新和娛樂。首先，讓我們走進制造和設計的世界，在那裡3D打印技術削弱了規模經濟的鐵律。

後記

就在我們夜以繼日地翻譯胡迪·利普森先生和梅爾芭·庫曼女士的《3D打印：從想象到現實》一書時，國內主流媒體正在對3D打印進行大篇幅報道，一時間4D打印赫然登場，由此國內3D和4D打印相關股票全線飄紅。是炒作，還是憧憬？我們強烈感受到正在從事的翻譯工作的意義。因為我們知道，我們正在翻譯的這本書能夠全面解答什麼是3D打印、3D打印技術的現狀以及未來的前景。

首先，我們說它是一本本着務實的精神、通過長期實地調查和面對面專訪後寫出的書，不是基於邏輯推理和實驗室想象。其次，它是一本實效性很強的書，所引案例都發生在近期，具有現實的參考價值。最後，更重要的是，作者長期在行業前沿參與實踐，不僅具有專業人士的洞察力，而且與目前世界上為數不多的3D打印研發機構和商業公司保持着良好的溝通，能夠把握最新的動態，了解技術的進展，共享應用的喜悅。

很榮幸，中信出版社再次委託我們翻譯如此重要的科技著作。

也很欣慰，中信出版社的領導和責任編輯相信我們可以在兩個月內高質量地完成這本書的翻譯工作。考慮到本書的專業性和深度，在賽迪研究院黨委書記宋顯珠的親自領導下，我們從相關研究所和賽迪翻譯公司抽調技術骨幹和學者，成立了專家翻譯組。感謝翻譯組全體同人的共同努力，我們縮短了春節長假，終於在早春三月迎來了本書付梓出版。相信本書的及時出版一定有助於揭示3D打印技術的真相，有助於促進政府主管部門制定相關政策，有助於推動國內相關研究和開發走向深入。

本書第l～7章的初稿翻譯由裝備工業研究所的左世全、金偉、王鳳麗、許斌、張艷、張弛和朱帥負責，第8－11章由原材料工業研究所的袁開洪、李丹、李茜和張海亮負責，第12和13章由工業經濟研究所的劉春長、梁一新、張厚明和劉世磊負責，第14章由財經研究所的秦海林和關兵負責。初稿形成後，由國際合作處王樂、薛載斌全面負責集中統稿和校訂。此外，還要感謝賽迪翻譯公司的譯審專家和中信出版社的資深編輯，正是他們淵博的知識和慷慨的指導為本譯稿的質量和可讀性提供了可靠的保障。