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近年来，我们经常能听到“3D”这个名词，且往往跟高科技联系在一起，如3D显示、3D电影、3D扫描、3D打印等。按理说，人类每天就生活在三维空间中，3D对我们来说本应是一个再寻常不过的概念。3D之所以被认为是“高科技”，很大程度上归因于我们通过高科技的数字化手段，使得客观世界中的3D实体能够在虚拟世界中得以高精度重建（3D扫描）、智能化编辑（3D设计）、真实感高清展示（3D显示），乃至重新返回至客观世界（3D打印）。就学科专业而言，3D技术横跨计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、复杂系统与自动控制、数据挖掘与机器学习、工程材料学、光机电一体化等，是名副其实的“技术密集型”高科技。
3D打印（三维打印）是 增材制造 技术（ AM，Additive Manufacturing ）的俗称。 3D打印，名为 “ 打印 ” ，实为 “ 制造 ” ，结合智能数字化，更可实现 “ 创造 ” ！ 实际上，在大量的英文文献中，3D打印（3D Printing）常被称作3D Fabrication（3D制造），这更准确地描述了3D打印的本质。
与传统的“切削去除材料”的加工技术（如3D雕刻）完全不同，3D打印以经过智能化处理后的3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可热熔黏合材料，通过分层加工、叠加成型的方式“逐层增加材料”来生成3D实体。由于可采用各种各样的材料（液体、粉末、塑料丝、金属、沙子、纸张，甚至巧克力、人体干细胞等），而且可以自由成型（任意复杂的中空镶嵌形状），所以3D打印机是名副其实的“ 万能制造机 ”。
图1-1是一幅关于3D打印的漫画，一个人把自己给打印了出来，相信一定会让你印象深刻。接下来，就让我们一起体验3D打印带来的造物奇迹吧！
图1-1 一幅关于3D打印的漫画，一个人打印出了自己（图片来源：《经济学人》）
如图1-2所示的这些雕塑是由Bathsheba Grossman用复杂的激光烧结而成的。对于要求具有复杂的内部中空、凹陷、互锁或者有大量规则细节图案的形状加工，3D打印机是首选的制造设备。智能数字化设计（图1-2左1）可对零件进行优化，减轻重量，同时保持原有强度和其他关键性能。由于是一次成型，使产品成为一个整体，这样也 减少 （或 免除 ） 零部件的装配 。
图1-2 3D打印出的任意复杂设计形状，传统制造工艺无法加工（图片来源：Bathsheba Sculpture）
如图1-3所示，3D打印的衣服和鞋子亮相巴黎时装周。仔细查看衣服上无数精细花纹，我们可以知道：精美的手工刺绣和针线活已被智能数字化和3D打印取而代之。
在材料上，服装师们也已经有了更多、更好的选择，比如Materialise公司最新研发的TPU92A-1合成材料，可用于设计很酷的时装：这种材料拥有非常好的弹性和韧性，能够在受到高强外力的情况下快速恢复原来形状。
3D打印不仅可以用来制造独具个性的高跟鞋（图1-3右上角），还可以帮助设计师实现更多灵感。图1-3右下角的这双鞋的设计灵感来自大自然中的树根，3D打印技术能够建立错综复杂、相互交织的须状鞋跟，模仿树根在脚下扭曲和盘旋。这是其他任何一项制造技术都做不到的。
图1-3 3D打印的衣服和鞋子闪耀亮相巴黎时装周（图片来源：Reuters）
耐克（Nike）“Vapor Laser Talon”跑鞋，如图1-4所示，抛弃了传统制鞋工艺，使用3D打印制造，只有158.7g（相当于3枚鸡蛋的重量），可以帮助运动员在草地赛场上“飞”起来。这款鞋子仅在7个月之内，就已经试做、试用了成百上千双，直到最终满意定型。传统工艺在如此短的时间内根本无法做到，只能通过3D打印来实现。
图1-4 耐克的定制跑鞋，仅3枚鸡蛋重，让运动员找到“飞一样”的感觉（图片来源：Nike）
3D打印的OpenReflex胶片单反相机（如图1-5所示），成本相当便宜（不到200元人民币），只需要15小时的3D打印及1小时的组装就能使用了。这台相机虽然只能使用1/60s快门，却可以兼容任何镜头，可谓相当强悍，其主要部件都是用ABS材料打印的。
俄罗斯大皇冠是为1762年凯瑟琳的加冕礼打造的。它作为官方权力的象征，每任君王都需要戴着它。通过智能数字化扫描和设计，3D打印机已精确复制出原版皇冠，如图1-6所示。复制品采用WIC-100树脂以及14K白金打造。由于使用了3D打印机，将制造时间由预计的一年缩短到两个月，而且所达到的精准度超越了手艺人采用的常规方式。
图1-5 3D打印的胶片单反相机，成本不到200元（图片来源：Thingiverse）
图1-6 沙俄大皇冠完美复制品采用3D打印珠宝钻石（图片来源：Envisiontec）
维也纳科技大学推出的“纳米级3D打印机”可打印出纳米级的物件，让很多人惊叹的微雕作品现在就可以通过这台打印机轻松搞定。如图1-7所示，我们看到的是3D打印出的维也纳圣史蒂芬大教堂和F1赛车模型，直径不超过人类的头发丝，比一粒沙子还小。纳米级3D打印机使用液态树脂，通过激光使树脂硬化成型，此技术被称为 双光子光刻（2PP，双光子聚合、二光子平板印刷TPL） ，而且打印速度非常快，可达5m/s，创造出了一个新的世界纪录。
图1-7 纳米级3D打印问世，实现微雕制作（图片来源：维也纳科技大学）
美国国家航空航天局（NASA）宇航员前往火星需要携带大量食物，3D打印机可以按照“数字菜谱”混合各种粉末，制造色香味俱全且营养可口的太空食品。食物原料从藻类、甜菜叶及昆虫等可持续资源中提取，经过脱水处理后，保质期可延至30年左右。这个计划很快就会得以实现，不信？请看看目前3D打印机所打印出来的各种饼干、巧克力和糖品，如图1-8所示，诱人否？荷兰建筑师Janjaap Ruijssenaars所主导的3D打印项目如图1-9所示，这将是全球首个3D打印的大型建筑物。他的计划是打印6m×9m的模块框架，这些模块由沙子和无机黏结剂组成，然后使用钢纤维混凝土填充，最终的产品将是一幢二层楼。这是一个“莫比乌斯带”（Möbius Band）式的建筑（它没有正反面之分，即曲面是不可定向的Non-Orientable，在上面一直走，可一次走完所有面）。由于采用了创新的3D技术进行打造，因此它将成为一座兼具延伸性和适用性的建筑。与此同时，麻省理工学院（MIT）的研究人员正在开展另一项研究，如何利用3D打印在一天之内打印出房屋主要结构，而利用传统的建筑团队则需要一个月的时间才能完成。
图1-8 3D打印机所打印出来的各种饼干、巧克力和糖品（图片来源：Evil Mad Scientist Lab）
图1-9 荷兰建筑师设计的“莫比乌斯环”建筑，将采用3D打印进行建造
（图片来源：Janjaap Ruijssenaars）
如图1-10所示，美国研究人员花了4个月设计时间，3D打印出无人飞机，巡航时速可达到45英里，成本仅2 000美元。该飞机翼展约2m，所有零部件都是通过3D打印机制造出来的。经打磨喷漆处理之后，外形也非常时尚。而在5年前，光制造塑料涡扇发动机的成本就约为25万美元，还需要花上两年时间。
图1-10 3D打印出的无人飞机，巡航时速45英里，成本仅2 000美元（图片来源：弗吉尼亚大学）
美国重型机车厂OCC，利用大型的商用3D打印机成功打造出一款咆哮的“中国龙”型摩托车，如图1-11所示。该车由一位中国客户定制，龙头部分由3DS Max软件设计后，输出到3D打印机一次打印成型，然后直接组装和整合到机车上就可以了，大大简化了龙头的设计和生产周期，同时也极大地降低了制造成本。劳斯莱斯，纯手工打造？可以肯定的是，手工打造以后将不再显得那么金贵。
图1-11 3D打印出的一款咆哮的“中国龙”型摩托车（图片来源：OCC）
随着外科修复科技的日益发展与手术理念的日渐人性化，假肢不仅很舒适而且也可以很时尚！如图1-12所示，由于每个人的身材和喜好不同，所以需要进行完全个性化的定制。首先使用3D扫描仪取得用户腿部详细数据，然后根据用户自身数据、年龄、性别、特殊要求等，设计出适合的假肢款式，用户觉得满意后，再通过3D打印机进行制造。
图1-12 3D打印出的时尚假肢，根据用户身体和喜好完全个性化定制（图片来源：3D Systems）
如图1-13所示的这只美洲雕2005年曾被误伤，从此生活不能自理。如今，通过3D扫描嘴喙的残缺部分并使用SolidWorks软件对数字化模型进行编辑处理，然后再用尼龙聚合物材料将假体3D打印出来。于是，这只海雕得以顺利回归了大自然。从图片上可以看到，鹰嘴具有精细的内部中空结构，而3D打印的再造能力丝毫不亚于最好的整形医生。
图1-13 3D打印帮助美洲雕再造完美的鹰嘴（图片来源：Nate Calvin）
之前已有报道3D打印可制造出真正有触觉的生物人耳（不只是装饰性的模型）。现在，普林斯顿大学的研究人员利用3D打印的细胞和纳米粒子，结合小型线圈天线软骨组织创造了一只仿生耳，如图1-14所示，竟能够听到超越人类所能听到的无线频率！以后，生物打印机将使用病人自身的干细胞，那么器官移植后的排异反应将会减小。随着整个世界逐渐变得越来越电子化和数字化，我们将制造出一些新型器官，以便和手机、便携式电脑进行直接交流。
图1-14 3D打印的硅树脂仿生耳，人类未来可获“第六感”（图片来源：普林斯顿大学）
美国国家航空航天局（NASA）使用直接金属激光烧结的3D打印技术制作了火箭喷射器部件，如图1-15左边所示。据悉可承受1 400磅每平方英尺的压力并可耐6 000华氏度的高温。而且该喷射器在削减成本方面迈出了一大步，因为它仅由2个零件组成，而此前传统技术制造的同类喷射器由115个零件组成。而更让人唏嘘的是，美国加州大学的学生也用3D打印制造了一种微型火箭进行了成功的点火测试，如图1-15右边所示，他们在短短8个月内就完成了火箭金属发动机的设计，且火箭的全部制造费用只有6 800美元。
图1-15 左：NASA利用3D打印技术制作的火箭喷射器部件；右：学生也用3D打印制作微型火箭
（图片来源：NASA、UCSD）
3D打印技术集概念设计、技术验证与生产制造于一体，这必将极大缩小武器装备从“概念”到“定型”的时间差，从而加快武器装备的更新周期，如图1-16所示。据媒体报道，歼-10战斗机研发用了近10年时间，而运用3D打印技术后，我国仅用3年就推出了第一款舰载机歼-15。目前，3D打印技术已被全面应用于第一款本土隐形战斗机歼-20和第五代战斗机歼-31的研发中。不容置疑，3D打印技术正在制造空军发展的“中国速度”。
图1-16 3D打印技术用于战斗机研发（图片来源：vx.com）
再说个喜庆点的案例。你完全可以自己在计算机上设计戒指的形状，打印出专属的订婚戒指，如图1-17所示。拿着这样的戒指求婚，相信没有一个女孩会说不。
图1-17 3D打印的戒指和吊坠（图片来源：Shapeways）
目前在北京、西安、武汉等地都相继开设了3D照相打印馆。本书第5章“3D智能数字化与3D照相馆：科学与艺术的结合”将从零起步、手把手地教你开设3D照相馆，包括3D人像扫描和3D打印塑像，如图1-18所示。
图1-18 从左至右：笔者本人的照片、3D数字化模型；3D打印后的头像
打印了3D头像，再打印个3D头盔吧！国外一名叫Ryan Brooks的创客，用塑料打印出了钢铁侠头盔，如图1-19所示。整个开发和微调过程大约花了100小时。头盔采用Adafruit加速度传感器和Arduino Pro迷你伺服机构，可自动开启或关闭头盔的面罩。
图1-19 国外创客打印的钢铁侠头盔（图片来源：Ryan Brooks）
最后再介绍“宅男”们的最爱——人体模型制作。如图1-20上方所示，日本的DIY爱好者借助3D数字化技术和3D打印技术制作了动漫形象的立体人偶。而如图1-20下方所示，日本东京一家公司利用3D打印技术，对新娘进行克隆，制作出仿真模型，以留住她们人生当中最美好的时刻。相信在未来，这个方向将大有可为。
图1-20 3D打印技术进行仿真人体模型制作（图片来源：Danny Choo）
通过以上的一番体验，你是不是开始感觉到 3D打印已经渗透进我们生活中的 “ 衣食住行 ”等各个方面了呢？实际上， 3D 打印可广泛用于 工业制造、珠宝首饰、玩具设计、机器人、生物医学、建筑与城市规划、食品制作、航空航天、考古科研 等领域。以音乐乐器为例，目前大多数乐器，如吉他、小提琴、喇叭、钢琴等，已经有几百年都没再改进过。而使用 3D 打印，你不仅可以自由设计出奇形怪状的创意乐器（比如将一把马头琴变成印有你自己 3D 头像的琴），而且更重要地，你可以 发挥3D打印轻松制造任意复杂空腔（共鸣腔）的优势 ，设计制造出一把发声效果最佳的、属于我们21世纪的新型乐器，演奏属于我们这个全新智造时代的新乐章！