如果你有一台可造万物的机器，你会用它做什么？在英国，技术人员通过扫描奥运短跑运动员的脚和脚踝，把数据输入计算机，计算机经过几步简单的计算后，技术人员就能够3D打印出专属每个运动员的新鞋，这双鞋符合运动员的体形、体重、步态和偏好。
在世界的另一端，美国国家航空航天局在亚利桑那州的沙漠中测试了一艘火星飞船，飞船甲板上装有定制的3D打印金属部件。这些部件大多形状复杂，有许多曲线和镂空，除了3D打印机，其他任何设备都生产不出来。
在日本，一位准妈妈想要纪念其首次超声波检测，她的医生编辑她的超声图像，并3D打印出栩栩如生的胎儿模型。结果，一个透明硬塑料块中就出现了一个前卫的3D打印微小胎儿塑料模型。
这些制造奇迹不断发生。在不远的将来，人们将3D打印出活体组织、富含营养的食品及完全组装好的电子元件成品。本书旨在讲述一种全新的产品生产模式，在下面的章节中，我们将用简练的语言解释3D打印技术及其设计工具。对于一些爱好技术的读者，我们有几章会深入描绘3D打印技术的现状和未来。然后，我们还探讨了其对下游经济、个人和环境的影响。
3D打印开辟了新的前沿领域。随着普通民众也能够设计和生产电动工具，制造业和商业模式将发生巨大变革，知识产权法将彻底失效。
图2–1?用石质材料打印的全尺寸长凳
图片来源：Andrea Morgante and Enrico Dini, D-Shape
有些人清楚地记得自己是在什么地方观看的人类首次登月，还有些人对柏林墙轰然倒塌后几周里的混乱状况记忆犹新，我却记得我第一次听到3D打印时的
情景。
那是20世纪80年代末在一场乏味的制造工程研讨会上。教室里很暖和，不幸的是教授的声音低沉、单调而舒缓，我和同学们昏昏欲睡。
教室的门“砰”的一声打开，打破了这个下午讲座上昏昏欲睡的平静。一名陌生男子冲进了教室，这位奇怪的闯入者声称他是库比特系统公司（Cubital Systems）的推销员。我们以前从来没有听说过这家公司，而这家公司却是当时世界上仅有的销售3D打印机的两家公司之一。
这名顶着一头乱发的推销员不断地晃动着一个塑料物体，并声称一场制造业革命正在酝酿之中。“我手里握着制造业的未来！”他大声叫道，“这个塑料物体是由一种能够‘打印’塑料的激光打印出来的。”
出于好奇，我和同学们凑过去想知道他为什么会来我们班上。我们的教授察觉到了我们的兴趣，明智地将课堂交给了这位活跃的闯入者。后来我们才知道，库比特推销员是我们教授邀请的客座讲师。
真是一个喜欢炫耀的人，他一本正经地顿了一下，欣赏着我们的困惑。在安静之后，他让一个学生转动塑料物体露出的曲柄。当同学使劲转动曲柄时，我能听到课堂上钟表的清脆“咔哒”声，时间是那么难熬。在设备内部，复杂的链锁齿轮彼此牵引地运转着。
我们昏昏欲睡的大脑挣扎着苏醒过来，我们彼此低声问道：“他刚才是说他用激光打印出了那个东西吗？”我们学的是磨齿齿轮，我们试图弄明白这一意想不到的表演是怎么发生的。
图2–2?得克萨斯大学卡尔·德卡德和约瑟夫·比曼发明的
?第一台选择性激光烧结打印机（约1986年）
图片来源：Carl Deckard and Joe Beaman
当推销员曝出另一条爆炸性消息时，我们变得更加困惑了。他说：“你们这里所看到的所有齿轮、把手、旋钮都不是组装出来的，它们都是按照一个个单独的、预装配的不同部件一起有序打印出来的。”
当这位精力充沛的闯入者要愉快地结束他的演讲时，教室里混乱的“嗡嗡”声变得越来越大，他甩出了最后的数据观点：一台计算机，而不是一个人，可以在整个生产过程中充当一双“手”操控这台神奇的机器。推销员翻遍了他的包，掏出一张纸，在我们面前挥动了几下。这张纸上显示的是一台计算机的照片，计算机屏幕上是与刚才他向我们展示的塑料物体相同的设计文件。
库比特系统公司推销员笑着问我们是否有问题要问，我们都精神起来，争先恐后地向他发问。他说他用激光“打印”出了所有的塑料部件，这是什么意思呢？什么样的制造设备能够将部件一次性生产出来，而不需要进行组装呢？它能打印塑料以外的其他材料吗？还有，当然了，个人购买这样一台设备要花多少钱？
传统制造感觉瞬间过时。
我仍然记得那一天，这位客座讲师的热情演说使我确信，这种神奇的设备确实会引发一场产品制造和设计的革命。我从来没有见过物体的软件设计（我当时刚刚迷上设计软件，而且兴趣越来越浓）与其实体表现之间联系如此紧密。
那一天是20年前，我们预料的革命没有如期迅速爆发。几年后，库比特系统公司停业了。如同许多开创性技术一样，库比特系统公司的3D打印工艺过于复杂和低效，机器设备昂贵，利润率敏感的制造企业难以接受。
我有时想知道库比特系统公司关门后，那位推销员去了哪里。他的推销说辞毫无修饰，却能直达目标。普通民众能够像编辑数码照片一样毫不费力地撕裂、混合并打造实体物体，这只是时间问题。
打印三维物体：哈利·波特的魔杖复活了
如同童话故事里的魔杖，3D打印能让我们掌控物理世界。3D打印赋予了普通人强大新颖的设计和生产工具，人们可以获得专业设计师和制造业大企业所独有的设计和制造能力。
在未来的3D打印世界里，无论何时何地，人们需要什么就可以打印什么。当然，技术虽然好，也要看人们怎样应用。有人可能会用来制造武器或不受监管甚至有毒的新药。我们的环境也可能很快被满足各种需求的打印塑料产品垃圾所充斥。生物打印带来的伦理挑战将比干细胞引发的争议更复杂。黑市商人则会受到利益驱使，通过制造和销售有故障的机器零件来快速赚取黑心利润，那些豆腐渣工程在关键时刻往往会出问题。
大多数人第一次听到3D打印时，他们就想到了那些老式的、常见的桌面打印机。喷墨打印机和3D打印机最大的区别是维度问题，桌面打印机是二维打印的，在平面纸张上喷涂彩色墨水，而3D打印机可以制造拿在手上的三维物体。
3D打印机依据计算机指令，通过层层堆积原材料制造产品。在人类历史的大部分时间里，我们通过切割原料或通过模具成型制造新的实体物品。
3D打印的技术名称是“增材制造”，这是对实际打印过程比较贴切的描述。3D打印独特的制造技术让我们能够生产前所未有的各种形状的物品。
3D打印不是一种新技术，3D打印机已在制造机加工车间默默地工作了几十年。在过去的几年里，由于受到计算能力、新型设计软件、新材料、创新推动及互联网进步的推动，3D打印技术发展迅速。
计算机在3D打印过程中发挥关键作用，没有计算机发出的指令，3D打印机就会瘫痪。3D打印机正常运作的前提是要输入一个设计好的电子蓝图或设计文件，它们负责告诉3D打印机在哪里放置原材料。事实上，没有连接计算机及设计文件的3D打印机是没有用处的，就像没有存储音乐的iPod。
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。
3D打印机不像传统制造机器那样通过切割或模具塑造制造物品。通过层层堆积形成实体物品的方法从物理的角度扩大了数字概念的范围。对于要求具有精确的内部凹陷或互锁部分的形状设计， 3D打印机是首选的加工设备，它可以将这样的设计在实体世界中实现。
3D打印部件和产品正在蔓延到日常生活中。你的汽车仪表盘的设计就借助了3D打印原型，确保各部件紧密地配合在一起。如果你戴助听器， 3D打印可以使用光学扫描数据，捕捉你内耳的精确形状，实现定制生产。
牙科诊所借助X射线不到一个小时就可以打印定制的牙冠。在体内安装用钛和陶瓷打印的假膝盖已经风靡世界。如果你有幸乘坐波音公司的新型飞机—波音787梦想飞机，你已经将生命托付给至少32种3D打印的部件。
3D打印技术的秘密可以概括如下：就将复杂设计变成实体物品而言，3D打印机比其他生产模式（如人工生产或机器生产）更精确、更通用，可以将一个复杂的设计通过组合不同的原材料以过去不可能的方式制造成实物。
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。
走向数字化和模拟化：跨越虚拟世界和实体世界的鸿沟
20世纪90年代中期，电子商务和数字媒体还处于起步阶段。在充满奇妙预测的1995年畅销书《数字化生存》（Being Digital）中，作者尼古拉斯·尼葛洛庞帝预测道：“娱乐原子”正在消亡。在数字媒体粉墨登场的几年前，尼葛洛庞帝准确预测了娱乐传媒的实体形态（传统的图书出版、光碟租赁和大型电视网络）将面临与恐龙同样的命运。
集中控制的大众媒体和图书出版的消亡只是开始。20世纪末，信息开始走向数字化。21世纪，虚拟世界将与实体世界更紧密地联系在一起。
虚拟世界是一个可以在其中自由选择的地方。在视频游戏里，人物可以跨越建筑物、长出新的手臂、变身成为不同的实体形状。虚拟世界也很容易编辑和修订。虽然改变一棵真树的树皮颜色是不可能的事，但在数码照片中改变树的颜色却很简单。虚拟世界的行为可以被编程。如果实体对象的详细信息可以通过设计文件捕捉，设计的数字“原料”就可以模块化，由屏幕上微小的离散光点或像素构成。
3D打印技术将跨越虚拟世界与实体世界的鸿沟。当然，怀疑论者会立即指出，数字世界和实体世界已经有了一些交汇点。毕竟设计和制造工艺已经由计算机驱动了数十年，现在大规模生产几乎实现了完全自动化（除了最后一步，即劳动密集型装配流水线）。
虚拟世界和实体世界的融合将是一个缓慢而微妙的过程，这一过程具有阶段性。首先，我们要获取实体物品的形状；其次，我们上升到新阶段，控制其材料组成；最后，我们要控制实体物品的行为。
掌控产品形状：现实生活中不可能的形状也能制造
3D打印机可以详细阐释数字化设计文件，带我们到接近充满丰富的创造力和自由的虚拟世界。如果你看动画片，显然，屏幕上的画面就是在用计算机设计的：恐龙在现代化的地铁站里漫步，状如秃鹰的飞行机器战士用致命激光扫射所经之处。
如果影片在动画和现实之间来回切换，对观众来说，在计算机绘制的充满丰富想象的多彩世界和现实生活中显然有一个明确的界限。欣赏3D打印的前景和风险的方法之一是思考掌控材料世界的铁律。由于3D打印机分层形成物品，它们可以塑造过去只有在自然界存在的形状，曲线、镂空与复杂的内腔制造将成为可能。
目前的挑战是原子以不可预知的方式走到了一起。数字设计在计算机屏幕上令人震惊，但理论上被制造出来后随时会坍塌，因为它不能突破重力和材料限制。相比之下，数字世界让我们放飞想象的翅膀，自由创造。数字世界急需制造出现实生活中不可能的形态。
控制材料构成：实体物品能不能也变成数字世界的“1”和“0”
在融合的第二阶段，3D打印会给我们带来对物质构成和材料构成的精确控制。多材料3D打印机将为新产品的生产打开大门，这种新产品由严格控制的原材料构成，其整体性能将大于部分之和。
试想在一个水彩调色盘中，将蓝色和黄色混合，可以形成无数深浅不同的绿色。在自然界中，22种氨基酸以不同的方式组合，创造出可以形成惊人物种的蛋白质。配备精确的设计文件的多材料3D打印机，可以将熟悉的原材料混合成全新的组合。
随着3D打印技术的不断发展，我们将看到很多由当前不可行的材料混合制成的物体。我们将看到可以自我修复的机器部件，或者看到可以将其长度延伸近10倍的无线网格。医疗设备将对特定病人的血型做出回应，或检测其体温变化。
控制材料组成的第二个渠道与第一个稍有不同。有一天3D打印机会制造出可控的材料。在虚拟世界中，所有的信息无论多么复杂，最终都可归结为它的本质，那就是两个基本单位：1或0。
相反，实体物品由丰富的、非模块化的螺旋结构的原材料制成，它的基本单位是原子，不那么规则且难以控制。由于材料在实体世界具有多样性，很难有意义地捕捉数字形式的“模拟”材料。结果是，模拟材料很难被精确地复制、控制和编程。
不兼容的原子是制造商的噩梦。诚然，3D打印机不能粉碎开放的原子，使它们更具可塑性。但是，3D打印机可以做的是将一度不能兼容的原材料巧妙地结合在一起，打印成单一的物品。
电子电路一直都臭名昭著，因为人们必须先单独制造出内部的陶瓷和塑料零件，然后加以组装，才能形成电子电路的金属部件。事实是，制作电路关键部件的原材料必须通过单独的制造机器生产出来，这决定了电路板是平坦的，由多个薄层构成。
如果电子电路的组件不受制于彼此不兼容的影响，我们可以创造出各种形状和样式的电路。如果我们能将导电和非导电材料组装在3D打印机里，我们可以制造出各种形状和大小的电路。我们可以打印内置电路的机械装置，这些装置和生物世界一样复杂。
实现对材料组成控制的另一种方式是体素化。体素是等效的实体像素，它可以是微小的、固体材料的碎片，也可能是微小的容器，可以容纳你放入的任何
东西。
我们正在了解由体素制成的3D打印物品。由体素制成的物品可以替代构成大多数实体材料的模拟材料。如果你用体素制造物品，你就离像可编程物品一样制造物品更近了一步。控制实体物品的材料组成打开了通往下一阶段（即控制实体物品行为）的大门。
打印智能物品：机器人将过时
拿厨房的木桌为例，如果你用光学扫描仪扫描它的外表面，你可以把扫描获得的数据转换成设计文件。一旦将桌子的实体尺寸转换成数字格式，就可以轻易使用设计软件暂时获得对桌子设计的控制。
你可以先编辑桌子的设计文件，然后3D打印出一张新桌子。然而，除非你用数十亿个体素进行打印，否则新桌子将是模拟的。它的材料、它的部件和组片将仍然是原生的、非智能的、连续的和被动的。如果你能用体素3D打印出新桌子，那么新的世界可能就会出现。
随着电子元件的尺寸继续缩小，计算能力不断提高，总有一天我们能够3D打印出含有微小电路的体素。就像图形的像素，其完美的集合会创建优美的高分辨率的数字图像一样，完美的体素集合可以制造智能的、有活力的实体物品。
体素催生出活跃的智能原材料。与今天我们能3D打印的非智能部件不同，未来我们能打印出智能系统，例如一部可使用的手机。3D打印机将创造出智能面料、现成机器人的生命形式和能够学习、响应和思考的机器。我们可以打印带有数字智能内涵的实体物品。
未来有一天，3D打印将把人工智能从计算机拓展到现实世界，机器人将成为过去时。半机器人在20世纪90年代就成为文化遗迹，未来取决于可以编程的物质以及本质可以编程并可以被3D打印的原材料。
麻省理工学院教授尼尔·格申费尔德在《当鞋子开始思考》（When Things Start to Think）一书中预言，可编程物质有自己的思想。数字处理能力将真正地找到自己的腿，走进物质世界。3D打印可编程物质将形成自己的实体，具备机械和触觉能力。
也许有一天，3D打印机器人的生命形态会被具有电池、传感器和电路大脑的3D打印机打印出来。新生的3D打印机器人将从打印台上迈出不太稳当的第一步，并让自身的电路学习周围的运行方式。也许有一天3D打印机器人会使用它们的3D打印机发明新功能，给它们的“生育机器”做体检来校验或替换打印部件。
“请把我的鞋子传真过来”：3D打印机能做到
当我们毫不费力地对实体和虚拟形态进行移形，并且实体物品顺利地在比特和原子间转换时，最终的融合就到来了。在线文档也可以以同样的方式打印在纸上、扫描然后再打印，总有一天实体物品会转换为比特和原子然后再转换回来。
在《数字化生存》一书中，尼葛洛庞帝提到，实体世界不容易转换成数字格式。原子很重，运费较高。实体存储占用空间。原子按照预先定义的方式牢牢结合在一起。
尼葛洛庞帝写道：“如果你制作毛衣或中餐，我们将它们转换成比特需要很长的时间。‘将我传上去，斯科蒂！’虽然这是一个美好的梦想，但几个世纪内都不可能成真。在此之前你只能依赖联邦快递、自行车、运动鞋将你的原子从一个地方运到另一个地方。”
可能有一天，3D打印机会成为最重要的传真机。如果虚拟世界和实体世界真的不相互排斥，我们可以毫不费力地将物品从一个地方传到另一个地方。几年前我还是研究生时，我的几个同事就在认真研究如何做到这一点，他们研发光学扫描技术并测试这些技术在原始的3D打印机上的精度。
我很佩服他们的想象力，即使在今天看来，它仍然是未来数十年的事情。不过，据我所知，他们未能在核心挑战方面取得突破：首先，光学扫描只能获取拍摄对象的表面细节，大多数对象都有重要的内部结构；其次，他们只能打印由单一材料制成的简单的无生命物体。
现在，我们可以“传真”简单的实体物品。我曾和一个同事（考古学教授）一起开展一个研究项目，他从事几千年前楔形文字的译解研究。为了开展研究，他经常前往中东各国的考古遗址。
最近我的这位同事从国外归来，一直为不能将珍贵信息带回家困扰。古楔形文字是宝贵文物，发现者会及时交给所在国政府。考古学家们试图通过拍照或精心刻画字符的形状捕捉一些信息，遗憾的是真实的东西不能带回。
我和我的同事决定做一个实验，看看我们能否将宝贵的楔形文字从一个地方传真到另一个地方。我们认为可以用CT扫描他收集的几个楔形文字，然后将扫描数据转换成设计文件，并通过3D打印机创建楔形文字的副本。
我们认为如果实验成功，下次我同事去国外时可以说服地方当局让他用CT扫描当地的宝贵文物，然后他可以将设计信息发送到附近（或远处）的3D打印机上与其他人分享。他可以为文物所属国家提供宝贵的保存服务，因为他们也可以存储楔形文字CT扫描件和3D打印副本的数据。
我们发现，“传真”楔形文字相当简单：首先，我们将CT扫描数据转换成设计文件；其次，我们3D打印出楔形文字的不同尺寸、不同材料的复制品。
最重要的是，在楔形文字传真实验过程中我们获得了一个意想不到的收获，即CT扫描可以捕捉楔形文字字样的外部和内部。几百年前，研究人员就已经了解到许多楔形文字以镂空的方式书写，但到现在为止，看到内部结构的唯一方法是打碎（从此就破坏了）它。CT扫描和3D打印楔形文字副本的一个好处是，你可以愉快地将复制品敲碎读出内部书写的内容。
3D打印的十大优势
预测未来是有风险的。写这本书时，我们就3D打印前景采访了一些人，发现了一些即将显现的潜在优势。来自各个行业、具有不同背景和专业技术水平的人用类似的方式描述，3D打印帮助他们减少主要成本、时间和复杂性障碍。
我们将获取的信息归纳为十项优势，希望能帮助一些个人和企业充分利用3D打印技术。
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。
图2–6
注：打印功能部件。3D打印剪刀“开箱即用”，不需要组装或打磨。
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。
图2–7
注：图中的部件看起来像组装的砖块，实际上是预先组装3D打印出的塑料制品，一次成型。
图片来源：Printed on ZPrinter 650 courtesy of 3D Systems
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。
以上部分优势目前已经得到证实，其他的会在未来的一二十年（或三十年）成为现实。3D打印突破了原来熟悉的历史悠久的传统制造限制，为以后的创新提供了舞台。在以下的章节中，我们将探讨3D打印技术如何改变我们的工作、饮食、医疗、学习、创新和娱乐。首先，让我们走进制造和设计的世界，在那里3D打印技术削弱了规模经济的铁律。
