3D打印:从想象到现实.pdf

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书籍描述

编辑推荐
《3D打印:从想象到现实》向你揭开了3D打印神秘面纱:让传统制造瞬间过时,规模经济的铁律从此被打破跨越虚拟世界与实体世界的鸿沟,一场产品制造和设计的革命即将开始,它将颠覆我们的物理世界。一场产品制造的革命、设计的革命、材料的革命、生物的革命、知识产权的革命即将由3D打印引爆。
3D打印技术的远大前景即将展开:跨越虚拟世界与实体世界的鸿沟;规模经济的铁律从此被打破;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……
在中国:3D打印概念股横空出世,万众瞩目;各大媒体集中、热烈报道;工信部、科技部纷纷制定政策推动3D打印产业化。
3D打印机与当今发达的数字技术相结合,再加上互联网的普及以及微小而成本低廉的电子电路的广泛使用,技术和社会革新由此爆发。
全球第一本全面讲述3D打印的作品,3D打印风靡全球,第三次工业革命的序幕拉开了!

名人推荐
3D打印将给几乎所有产品的制造方式带来革命性变化。
——美国总统 奥巴马

媒体推荐
3D打印从表面上看是颠覆了产品的制造方式,但从本质上看却是传统产业面对的挑战和机遇。从某种意义上说,3D打印对现有企业而言,要么是天使,要么是魔鬼。
——张瑞敏海尔集团董事局主席、首席执行官
《3D打印:从想象到现实》是3D打印该领域难得的佳作之一,这本书不拘泥于3D打印工艺技术的细节描述,而是向读者介绍3D打印的理念,重在以发展的眼光、创新的视野,用通俗的语言,从材料、制造、生活、健康、教育、法律、伦理等多种角度,激情而不失科学地展望3D打印技术对未来制造业、未来社会生产模式与人类生活方式可能带来的深刻影响和变革。
——王华明北京航空航天大学教授、中国3D打印技术产业联盟理事长
3D打印实质上是制造业向智能化不断演进的历程,这一技术的阶段性成功,为中国智能制造业的实践展现了光明的前景。
——罗文中国电子信息产业发展研究院院长
利普森教授和库曼女士的这本新书非常及时、全面地总结和分析了3D打印领域的主要话题,并且描绘出了众多非常引人入胜的应用前景和产业机会,使我们相信3D打印时代已经到来,我们的生活、工作以及思考方式都会为之改变,世界经济产业格局也将受其影响。
——李曙光西北工业大学博士后研究员,中国首家3D打印照相馆、3D打印体验馆总策划

作者简介
作者:(美国)胡迪•利普森(Hod Lipson) (美国)梅尔芭•库曼(Melba Kurman) 译者:赛迪研究院专家组

胡迪•利普森(Hod Lipson),全球顶级的3D打印、机器人研究专家,康奈尔大学机械工程与计算机科学技术教授,他还是一家创造机器实验室的负责人,专注于自动化设计和机器制造。他出版过200多本读物,发表过100多场演讲。他在3D打印领域的研究成果,发表在了《自然》、《科学》、《纽约时报》、《发现》等多家杂志和其他媒体上。
梅尔芭•库曼(Melba Kurman),在微软和康奈尔大学有着15年的产品和研发经历,她现在是一家创新公司的总裁。

目录
推荐序一 XI
推荐序二 XIII
推荐序三 XVII
前言 XXI
第1章 这是科幻吗,不,它将成为现实 001
第2章 一台几乎可造万物的机器 009
打印三维物体:哈利•波特的魔杖复活了 014
走向数字化和模拟化:跨越虚拟世界和实体世界的鸿沟 017
“请把我的鞋子传真过来”:3D打印机能做到 021
3D打印的十大优势 023
第3章 灵活制造:既好,又快,还省 029
兼具大规模生产和手工生产的特征 033
更快:从设计到产品交付的时间缩短了 036
更便宜:降低产品开发成本 038
更好:生产出最佳的定制部件 039
按大小对市场进行排列:中国仅占8.5% 040
21世纪的空白画布 041
研究杀手级应用程序 045
轮胎也可以打印了 046
第4章 3D打印的赚钱之道 051
云制造:像蚂蚁工厂 054
创客运动 056
体验经济 058
MakerBot公司 059
Shapeways公司 061
100kGarages公司 063
打印产品有经济效益吗 064
从零起点到规模化生产:3D打印兼职也可做到 065
FabApp:就像iPhone应用程序一样 066
连续定制和产品多样性 067
性和娱乐 068
微型金融和微型工厂 069
第5章 3D打印机是如何打印的 071
基本打印制造过程 073
3D打印机的两大家族 076
喷射、挤压或喷雾打印机 076
融合、凝固、黏合式打印机 080
整理设计文件 085
后处理:3D打印的最后工序 088
3D打印催生原材料革命 089
第6章 设计软件:只要你能想到,就能设计和打印 093
从绘图文字处理器到AutoCAD 095
设计软件:以数字化的方式呈现物理世界 097
让一切皆为可能:设计软件与3D打印的结合 100
设计机器零件:实体建模CAD 102
绘制屏幕上的字符:3D计算机图形软件 103
编辑物理世界就像编辑照片一样 104
设计软件的未来 106
把设计的东西完美打印出来 108
STL:目前的标准 109
增材制造:新标准 109
下一代的设计软件:数字化捕捉 110
第7章 “活墨”生物打印:人体器官可以打印了 113
3D打印:让你一夜之间年轻20岁 115
3D打印生命阶梯 117
组织工程学:3D打印干细胞 121
干细胞、生物墨与生物纸:3D打印活细胞 123
打印活性软骨 125
打印心脏瓣膜 127
我们能设计、打印自己的身体吗 130
打印人造身体部位 133
生物打印的未来 134
第8章 3D打印时代的数字厨房 139
数字烹饪:一场烹饪革命 142
打印汉堡包、肉饼和番茄酱 146
食品打印关键在分辨率 148
打印的饼干里面竟然有图案 150
疯狂科学家公司:他们成功了 152
自身量化饮食:你再也不用担心糖尿病和肥胖症了 154
打印的食品不仅仅是加工食品 156
从加工食品到合成食品 159
3D打印杀手级应用程序 162
第9章 教室里的工厂:3D打印颠覆传统教育方式 163
边做边学:孩子们的工程学 166
从高中阶段说开去 170
学习应该是令人愉快的 173
考试分数与动手能力 175
忘记学习方式 176
3D打印让学生不再遗忘 177
触觉教学:课堂教育的新革命 179
课堂教育如何应用3D打印 182
3D打印未来的课堂 184
第10章 美好的世界:3D打印时代的审美标准 187
计算机:如同大自然造物者 190
3D打印:让你脚上的鞋子舒适无比 195
获取生物数据:打印最优化产品 199
响应智能设计 202
用3D打印机打印建筑物 205
机器人设计师 209
第11章 3D打印:让制造业不再有污染 211
两个塑料玩具的故事 216
更绿色环保的制造 218
低碳制造:3D打印能做到 218
高效能零部件打印:喷气式客机也能打印 220
制造过程清洁化 221
3D打印的垃圾站更清洁、更美妙 222
变废为宝:绿色环保打印 224
3D打印如何既环保又不浪费 228
第12章 当武器和毒品也能打印、知识产权彻底失效时 231
打印武器、毒品和假冒伪劣产品 234
打印特制药物 236
3D打印时代消费者如何保护自身安全 238
3D打印时代的知识产权 239
商标 242
著作权 242
专利 244
数字版权 245
难道知识产权和专利保护过时了 246
RepRap打印机:改变商业模式 246
开源硬件:21世纪的专利制度 250
微专利 252
3D打印迫切需要法律保护 253
第13章 用3D打印设计你的未来 255
格雷伯爵茶 257
史蒂夫•乔布斯:“计算机是我们大脑中的自行车” 259
3D打印视觉设计:从游戏中获得灵感 259
物质编译器:让3D打印设计变得如此简单 263
交互式设计:和计算机交流设计想法 265
形式语言:设计师与计算机无缝协同工作 268
食谱式设计 270
生长式设计 271
反应蓝图:复杂形状的自动化生产 272
一种设计生产多种定制产品 273
会思考的打印机 274
改变设计工具的形状 275
第14章 3D打印的下一篇章 277
3D打印的三个篇章 281
多元材料的混合制造 282
活性系统打印:打印完整的机器人 286
最后的篇章:从模拟到数字 290
模拟—数字混合打印 294
机器制造机器的时代 295
译后记 297

序言
推荐序一
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。
该书是3D打印领域难得的佳作之一,其突出特点是,不拘泥于3D打印工艺技术的细节描述,而是向读者介绍3D打印的理念,重在以发展的眼光、创新的视野,用通俗的语言,从材料、制造、生活、健康、教育、法律和伦理等多种角度,激情而不失科学地展望3D打印技术可能给未来制造业、未来社会生产模式与人类生活方式带来的深刻影响和变革。
该书在介绍3D打印制造部件复杂外形和内部结构的超常能力的同时,特别展望了3D打印技术与多材料复合、新材料合成技术的深度融合,由超常特殊功能新材料或超材料制成的部件甚至具备感知、执行和反馈控制等系统主动综合能力,而且还敏锐地察觉到我们进入“机器制造机器”的时代已经不远了。制造—材料—控制的高度融合使人印象深刻,是3D打印技术的重要发展方向,也是该书的一大特点。
该书作者是3D打印领域资深专家,对3D打印技术及其发展的研究充满激情,又不失客观和冷静,而且极具前瞻性,该书还提出了3D打印技术发展可能带来的知识产权及保护、制造者和消费者责任与权益保障、资源浪费、环保污染、毒品及枪支管理、犯罪治安、法律和伦理等一系列社会问题,这也是本书的可贵之处之一。
王华明
北京航空航天大学、教育部长江学者特聘教授
北京市大型金属关键构件激光直接制造工程技术研究中心主任
中国3D打印技术产业联盟理事长
推荐序二
人猿相揖别,是因为古人能够手工制造工具。今人区别于古人,是因为能够使用机器制造工具。人类进化至今,一个崭新的文明标志就是能够用机器制造机器。从狭义上说,当前被赋予无限想象力的3D打印机就是这种能够制造机器的机器。
科幻作家科利•多克托罗说过,科幻小说家不擅长预测未来,人们大多是在未来的外衣下描绘现在。那么3D打印技术的未来外衣是什么?
“在未来(或是在星际纪年的未来),机器可以制造机器。3D打印机就是第一波新一代智能机器,它们能设计、制造、修理、回收其他机器,甚至能够调整和改进其他机器,包括它们自己。”
《3D打印:从想象到现实》的作者胡迪•利普森先生和梅尔芭•库曼女士的定义校正了目前媒体对3D打印技术的过度解读,把梦幻般的3D打印落地到了智能制造。两位作者历时9个月,采访一线的科技工作者,现场考察3D打印实验室和产品设计生产过程,捕捉到了这种智能制造的逻辑轨迹,即控制三篇章:控制物质的形状、控制物质的构成和控制行为,也就是实现物体在结构、材料和活性上的有机统一。
手工控制的局限性很大,后来出现了机械控制;得益于信息技术的发展,机械控制搭上了智能的翅膀。于是,人们逐渐可以控制探测器抵达数十万公里外的月球和火星,小小的支架可以准确放到心脏主动脉的末端,激光打印机可以用红黄蓝自动调兑出万紫千红的色彩。如果把3D打印机看作机器的话,人们所追求的就是有效控制它,让它打印出我们所需要的任何物体。从这种意义上讲,3D打印是对人类控制能力极限的挑战和展示。我们与作者一样,不能预测何时才能真正彻底实现这三种控制,然而可以预见的是,这三种控制能力的阶段性实现都足以引发制造业的巨大变革。目前,3D打印的第一篇章基本谱就,已经给传统的模具工业带来冲击,3D打印的牙齿和助听器已经占据80%的市场。那么同样可以设想在不远的将来:
“3D打印机可以通过新的方式将原材料加以混合,新型材料就会出现。有了混合材料打印,多元结构的部件将会被同时制造、同时组装出来。在一个较小的范围内,我们将会以纳米级的精度将多种材料嵌入和编排到复杂的微观结构中。”
很难想象在第二篇章的控制实现时,制造行业的格局将产生怎样天翻地覆的变化,那就让我们发挥想象力,憧憬3D打印控制能力的最高境界,比如可以打印三明治、打印身体器官、打印智能机器人……
“所谓控制行为是指将程序编写进材料,使其具备我们所需要的功能。换句话说,我们不再打印被动的零部件和材料,而是打印能够感知、反应、计算和行为的综合的主动系统。”
面对现实,我们还是要收回驰骋的想象。掩卷而思,其实我们不必知道3D打印机是喷墨的还是激光的,3D打印的模式是堆积的、添加的还是增材的,真正需要了解的是人们对物质结构、材料和活性上的智能控制水平,真正需要不懈探索的是充分把握其中的规律,高度实现三者的有机统一。当我们有一天真正能控制万物的内外结构、材料构成和活性系统时,即使没有3D或4D打印机,我们同样可以智能控制别的机器制造出精彩的世界。
由此说开,当我们剥去3D打印神话般的外衣,就会发现,3D打印实质上是制造业向智能化不断演进的历程。当前我国制造业正面临转型升级挑战,信息化和工业化的深度融合为这一进程提供了前所未有的机遇。3D打印技术的阶段性成功为我国智能制造业的实践展现了光明的前景,坚定了必胜的信念。我想这就是《3D打印:从想象到现实》一书给我们的最大启示,也是我推荐这本书的理由。
罗文
中国电子信息产业发展研究院院长
推荐序三
3D打印,造物新纪元
在过去的一年多时间里,3D打印业界进入了高度活跃期,与3D打印相关的新闻和概念频频出现在公众视野中,越来越多的中国民众开始了解3D打印。事实上,3D打印技术和3D打印机在一些欧美发达国家的应用已经相当普遍。
2008年9月,我作为国家公派博士研究生在美国纽约州康奈尔大学胡迪•利普森教授的实验室求学时就第一次看到并使用了3D打印机。那是一台和家用冰箱外形相似的神奇机器,它只用了两个小时就将计算机中一个三维模型变为我手中实实在在的零件,我当时的惊奇与感叹可想而知。在那时,利普森教授和学生们已经在频繁使用实验室中昂贵的工业级3D打印机制造各种机器人零部件了,虽然那时3D打印机所用的材料价格并不便宜。与此同时,利普森教授团队的开源桌面3D打印机Fab@Home、生物材料3D打印机以及多材料混合3D打印等项目也成果颇丰。
我的导师利普森教授为人幽默风趣,经常会和大家讨论一些非常有创意的新点子。他的主要研究领域包括进化计算、3D打印和机器人技术三个方向,而他的成名之作正是一个关于智能机器人利用3D打印机进行自我制造的创新研究项目,其成果文章最终发表在2000年的《自然》杂志上。正是基于多年来对3D打印领域的专注和热爱,利普森教授一直期望出版一本全面介绍3D打印及相关技术的著作。非常令人高兴的是,由利普森教授和库曼女士合著的关于3D打印的新书《3D打印:从想象到现实》终于在2013年年初大功告成,并由美国威立出版社出版发行。在与利普森教授的邮件沟通中得知,该书中文版将由中信出版社出版发行,这对于广大中国读者和关注3D打印技术的朋友来说,是一件令人十分期待的好事。
我十分荣幸在第一时间就得到了威立出版社赠予的英文原稿,以及中信出版社蒋永军主编分享的中文译稿。这是全球第一本全面讲述3D打印技术及其应用的图书,书中展现了利普森教授和库曼女士两位作者多年来对3D打印技术及其产业发展的研究成果,整理了来自于3D打印相关的工业界、学术界和教育界众多人士的不同见解和案例,并且加入了作者对3D打印技术本身的独到分析和大胆预测。
作者从不同层面和角度为读者描述了3D打印的技术原理、历史和现状、广泛应用、未来前景以及困难与挑战。对于中国读者来说,可从以下几个方面全面了解这本书所涵盖的内容:
1.3D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打印的衣服和鞋子已经多次出现在全球各大时装展,3D打印的饼干和蛋糕已经成为一些家庭餐桌上最受欢迎的小点心,3D打印的咖啡桌和个性家具颇受年轻人的喜爱,而在自行车和汽车等交通工具的设计中也越来越多地体现出3D打印元素。从小朋友的“喜羊羊”牙刷和定制玩具,到父母的立体婚纱照,再到爷爷奶奶的助听器和义齿,3D打印让家庭中的每个成员都感到惊喜并从中受益。正如书中所描绘的,3D打印技术正在遵循三步走的发展路线,逐渐从打印物体外形过渡到打印物体内部构成,最终发展到可以打印物体的高级功能和行为的阶段,因此我们相信:在不远的将来,每个人都可以在家中打印可通话的手机、爬来爬去的迷你机器人,以及其他新奇好玩的电子产品。
2.3D打印将波及各行各业
3D打印这种新式制造方法将使你的工作方式发生巨大改变,也许变得更有效率,也许变得更困难,作者针对这一趋势在书中列举了很多有代表性的案例。如果你是一位中学老师,当你带着花费数小时用3D打印制作的恐龙化石或者喜马拉雅山模型来到教室,这堂课一定会令你的学生们印象深刻;如果你是一位资深医者,当你将带着使用3D打印机制造的与患者身体完美匹配的骨骼或者心脏瓣膜走进手术室时,整个医疗界必定为之振奋;如果你是一位考古工作者,利用3D扫描和3D打印技术快速复制那些脆弱、不可触碰的珍贵文物,那么繁冗细致的考古研究工作必将事半功倍;如果你是一位艺术品设计师,使用3D打印技术实现你的设计,此时自然界中那些美妙复杂的曲线和外形都不再遥不可及,人们的审美标准也会大幅提升。然而,如果你是一位立体雕刻大师,那么3D打印出的作品会使你自叹不如;如果你拥有一间模型制作工厂,3D打印技术极有可能使你的业务量大幅缩水。诸如此类,3D打印必将波及和影响各行各业的工作模式,或者增强很多行业的生命力,也或者导致某些行业走向消亡。
3.3D打印催生众多新机会,同时也带来很多新挑战
如前文所述,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。最显而易见的机会就是,随着廉价家用3D打印机需求的增长,其相关产业链(包括零配件制造、打印材料等行业)也会进入高速发展期。更重要的机会在互联网领域,围绕3D打印会出现越来越多的电子商务模式,例如在线3D打印服务、个人定制设计制造服务、共享3D打印模型社区以及面向云制造的3D打印网络。与互联网类似,如书中所预言,移动信息平台和智能手机的普及也为某些简单易用却十分有趣的3D打印增值服务提供了理想的应用推广平台。还有就是基于3D打印的实体商业模式将迅速成长,例如遍布大街小巷和旅游景点的3D打印店与3D打印照相馆。
然而,正如作者在书中提到的,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。
4.3D打印将改变现有产业结构,冲击中国经济模式
毋庸置疑,3D打印将创造新的商业模式,改变现有的产业结构,对世界经济产生巨大影响。最近一段时间,主要发达国家纷纷开始布局,陆续出台了相关政策和投资发展计划,大力发展3D打印产业,旨在占领新工业革命的前沿阵地。一方面,美国总统奥巴马在“国情咨文”中多次提及3D打印,并筹划建立3D打印国家创新中心,旨在提升美国制造业的竞争力;另一方面,从欧美各国最新的太空探索计划中,也可以看到对3D打印技术相关项目的巨额资助。
坦白地讲,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。令人欣慰的是,在中国北京、西安、成都和武汉等城市,政府已经陆续开始着手对3D打印相关产业进行布局和规划,从设备研发、软件设计、材料制备和技术服务等众多环节全面鼓励发展3D打印产业。希望中国能够把握此次制造业转型改革机遇,成为世界3D打印产业强国。
总的来看,利普森教授和库曼女士的这本新书非常及时、全面地总结和分析了3D打印领域的主要话题,并且描绘了众多非常引人入胜的应用前景和产业机会,使我们相信3D打印时代已经到来,我们的生活、工作以及思考方式都会为之改变,世界经济产业格局也将受其影响。作者和译者努力使这本书的语言浅显易懂、叙事简单风趣,因此对于来自各行各业、不同背景的读者来说,如果你对3D打印感兴趣,此书可谓上佳之选。
李曙光
西北工业大学博士后研究员
中国首家3D打印照相馆、3D打印体验馆总策划
利普森教授和库曼女士的学生与好友

后记
就在我们夜以继日地翻译胡迪·利普森先生和梅尔芭·库曼女士的《3D打印:从想象到现实》一书时.国内主流媒体正在对3D打印进行大篇幅报道,一时间4D打印赫然登场,由此国内3D和4D打印相关股票全线飘红。是炒作,还是憧憬?我们强烈感受到正在从事的翻译工作的意义。因为我们知道,我们正在翻译的这本书能够全面解答什么是3D打印、3D打印技术的现状以及未来的前景。
首先,我们说它是一本本着务实的精神、通过长期实地调查和面对面专访后写出的书,不是基于逻辑推理和实验室想象。其次,它是一本实效性很强的书.所引案例都发生在近期.具有现实的参考价值。最后,更重要的是,作者长期在行业前沿参与实践,不仅具有专业人士的洞察力,而且与目前世界上为数不多的3D打印研发机构和商业公司保持着良好的沟通,能够把握最新的动态,了解技术的进展,共享应用的喜悦。
很荣幸,中信出版社再次委托我们翻译如此重要的科技著作。
也很欣慰,中信出版社的领导和责任编辑相信我们可以在两个月内高质量地完成这本书的翻译工作。考虑到本书的专业性和深度,在赛迪研究院党委书记宋显珠的亲自领导下,我们从相关研究所和赛迪翻译公司抽调技术骨干和学者,成立了专家翻译组。感谢翻译组全体同人的共同努力.我们缩短了春节长假.终于在早春三月迎来了本书付梓出版。相信本书的及时出版一定有助于揭示3D打印技术的真相.有助于促进政府主管部门制定相关政策,有助于推动国内相关研究和开发走向深入。
本书第l~7章的初稿翻译由装备工业研究所的左世全、金伟、王凤丽、许斌、张艳、张弛和朱帅负责.第8-11章由原材料工业研究所的袁开洪、李丹、李茜和张海亮负责,第12和13章由工业经济研究所的刘春长、梁一新、张厚明和刘世磊负责.第14章由财经研究所的秦海林和关兵负责。初稿形成后.由国际合作处王乐、薛载斌全面负责集中统稿和校订。此外.还要感谢赛迪翻译公司的译审专家和中信出版社的资深编辑.正是他们渊博的知识和慷慨的指导为本译稿的质量和可读性提供了可靠的保障。

文摘
前言
3D打印领域的大事之一是其进展比光速还快,技术也飞速进步。然而,快速创新这个主题是难以捕捉的。当你试图将一个羞于示人也很难实现的新想法写下来时,它已经过时了,因为每个人都已经改变了。
我们怀着激动的心情,用9个月的时间写成了这本书。在这段时间里,我们通过与熟识的专家交流,不断寻求更广泛的视角。与此同时,我们也热衷于通过网站和推特空间与人们交谈,以获取新的信息。我们的目的不是写一本简单的“如何使用3D打印机”的书,因为这样的书在短短几个月内就会被淘汰。相反,由于技术的发展速度比图书的出版速度还快,我们力图透过表象探索3D打印技术更深层次的含义,探讨这种新的生产模式将如何改变我们的生活、我们的法律和我们的经济。
两位作者合著一本书,这既是一大幸事,也是一个难题。没有什么经历比得上在艰苦和孤独的写作过程中有一个同路人相伴了,在这个世界上没有什么人愿意花费数小时如此热切地讨论和剖析晦涩难懂的想法。但是,一本书有两位作者,这就出现了一个挑战:如何处理两种创作风格?
两位作者应该将个人经验和见解整合成一种集体的“我们”,还是应该用各自的名字(例如,梅尔芭或胡迪)区分每个人的思想和经验?经过一番思考和修改,我们决定这样处理:新见解指“我们”的新见解,个人过去的经验指“我”过去的经验,但是在章节中,我们不区分“我是谁”。因此,有时候,“我”是胡迪;有时候,“我”是梅尔芭。
在写这本书时,我们有幸采访到了来自世界各地不同领域的20多位专家。他们兴奋地谈论这一话题,富有感染力,他们还针对很多章节给予了宝贵的反馈。在此,我们想对他们所付出的时间和耐心表示衷心的感谢。事实上,他们创造性的劳动正在改变我们熟知的世界。
希望你们喜欢这本书。
第1章
这是科幻吗,不,它将成为现实
地点:你的生活空间。
时间:从现在到几十年后。
即使将来,早上起床仍然是件难受的事。
刚出炉的全麦蓝莓松饼的香味从厨房食品打印机里飘出。制作有机低糖松饼的“墨盒”在市场被作为奢侈品销售。配方由各有所长的面包技师提供,技师们来自著名的饭店和度假酒店。
当你第一次向你爷爷展示食品打印机时,他认为是自动蛋糕机—20世纪80年代起风靡厨房的美食家电。他不明白,为什么直到他结婚纪念日当天,你才想起要打印加工食品。为了庆祝这一纪念日,你不惜代价准备了豪华食品“墨盒”,为他和你奶奶打印庆祝晚餐,包括新鲜的金枪鱼排、蒸粗麦粉和每片图案都不同的螺旋形巧克力—摩卡—树莓奶油蛋糕。
健康保险公司将你的食品打印机升级到高级医疗模式以后,你的控制血糖的饮食管理变得更容易了。专门为糖尿病患者推出的新医疗级食品打印机通过一个微型皮肤植入物监测你的血糖并读取无线信号流。当你早上醒来时,食物快速成型机接收到早上第一个读数,然后对你的数字化早餐的含糖量进行相应调整,以保持营养均衡。
早餐后,该浏览新闻了。头条新闻是关于救援被困井下一周的几名矿工的最新进展。他们所在的矿井坍塌,将他们埋在了地下。首支救援队试图将他们救出,但救援工具差点儿引发了一场致命的瓦砾崩塌。
幸运的是,采矿公司遵守了联邦安全法规,并给矿工配备了规范的安全装备。3D安全打印机是一个标准的工具,矿工将其随身携带到矿井深处。在他们下井前,技术人员会确保每台打印机的关键零部件都有更新的设计文件。3D安全打印机与其他机械被带到矿井深处,以备部件断裂后可以迅速更换。
今天,关于矿难的追踪报道称,便携式3D安全打印机居然成为救灾英雄,这真是匪夷所思。一连好几天,被困矿工通过时断时续的无线连接与地面上的技术人员保持通话。两班人马(一个在地上,一个在地下)正在共同努力,优化打印机需更换部分的设计蓝图。这应该是一个短暂、标准的救援行动,现在却变得复杂起来。打印一些更换部件本来是很容易的。救援工作被推迟的原因在于:矿井内的湿度高得出乎意料,损坏的部件被更换后发生了弯曲。
好消息是,矿井的情况今天看起来更乐观。记者解释说,第三次尝试打印的更换部件在矿业公司总部通过了模拟条件下的压力测试。今天,矿工将在地下按更新的设计蓝图打印。如果奏效,今晚就可以开始修复损坏的机器。
当你离开家去工作,起重机和形单影只的施工人员在街对面的一块空地上默默劳作。你邻居的建设项目成为邻里的谈资。几个星期前,他推倒老式的木房子,要建造一幢新的生态友好型豪宅。
邻居在邮箱边向你挥手,还给你看了他的房屋介绍。新家是一家名为“泡沫之家”的公司开发的一个豪华模型,两个多星期就可以完工。该公司的产品目录称,每所房屋的墙壁均内置气象传感器,屋顶在最后完工后,将在顶部安装太阳能电池板,墙壁的配线和铜管已经就位。
你和邻居一起看工程起重机在新的地基上慢慢操作一个巨大的喷嘴。喷嘴扫描景观,依据设计蓝图,挤出混凝土和一些合成建筑材料。施工人员的职责是确保施工期间工地上没有人走动。装备的“大脑”是一台小型计算机,在施工过程中指挥工程起重机。
邻居一直以极大的兴趣关注着施工进程,看着房子的墙壁慢慢成形。想起一个关于早期工厂自动化老掉牙的笑话:“在那个时代,你要运作一家工厂,一个男人和一条狗足矣。男人负责喂狗,如果这个男人试图碰任何东西,狗就咬他。”
到目前为止,慢慢成形的房子看起来非常漂亮,墙壁呈曲线形,装饰有几何图案、柔和的曲线和镂空。没有人能够建造有这样构架的房子,不管有多少人参与施工。目前还没有人看到新房子的内部构造,但听说你的邻居定制了设计内壁,让它看起来很像老式的砖混结构。
最后,你到了办公室,着手处理数月以来在你的领导下进行的长期调查工作的最终阶段的细节部分。你的团队被安排进行一项新型的低价更换人体器官的黑市调查。越来越多的急需更换器官的患者从未经认证的生物打印医疗服务机构购买更换器官。在公众的头脑中,生物打印人体器官仍然是一个有争议的话题,比你爷爷那一代的人体干细胞、人工流产或克隆呈现出更明显的两极化。
获得更换的器官变得太容易了。高分辨率的全身扫描的成本在过去几年大幅下降。人们乐于在20多岁储存人体器官并保存相关数据,万一出了问题,他们可以快速更换器官。有时候,他们的关节会出一点儿毛病。现实生活中,“人体设计文件”最常用于整容手术,重新找回光滑紧致的皮肤和年轻的身体。
生物打印是没有问题的。事实上,大多数人认为,生物打印是一项挽救生命的技术。我们面临的挑战是怎样整治这些日益繁荣的黑市。对全新的打印器官的生产进行规范是很难的,因为生物打印的成本已经大幅下降。每年,医院和外科诊所都会卖掉过时的生物打印机,去年,黑市商人以不到一辆新车的价格抢购了一台。
在调查过程中,你会了解到大部分黑市机构实际上运作得很好。问题出在错误的设计文件,或者不负责任的器官厂商偷工减料,不在无菌的打印环境下操作。最近的一个案例是,一些病人死于未经认证的“低能器官”,这些病人购买这些器官是为了提高他们的运动能力并改善自己的外貌,他们的家人对到底该起诉谁感到迷茫:无良制造商、生物“墨盒”供应商、器官设计师,还是设计认证商?
从那些本意善良的、想要当医治者的人到那些利欲熏心的无良血肉贩子,他们都属于黑市生物打印商的范畴。有能力的黑市商人能够帮助病人以低价获取重要的新器官,因此被一些人称为“英雄”。其他一些人则痛斥器官商人出售给患者重要器官时唯利是图,尤其是在新打印器官属于粗制滥造之作的情况下。
在结束一天的工作后,你顺便去了一趟女儿就读的中学。你是今年一个科学展的家长发起人。你女儿的老师告诉你,3D打印机正在破坏科学展的文化。懒惰的学生几乎不费吹灰之力、无须任何技巧就能够通过3D打印制造复杂的物品—他们需要的只是一个良好的设计文件。许多家境贫寒的学生没有家用3D打印机,因此他们无法进行设计实践,而设计实践是他们参与公平竞争所必需的。
还有另一种扭曲。老师解释说,今年的科学展,家长要做清理服务。去年科学展后,学校的保洁员抱怨健身房地板上散落着很多杂乱无章的打印碎片。更糟的是,几天后,学生和教师被几十个鼠标大小的成品机器人绊倒,这些机器人在学校的走廊上叮当翻滚。一些打印机器人存储了预编程的入门知识,另一些可移动机器人似乎已经掌握了一些未经授权的、丰富多彩的智慧。
你和你女儿回到家后,你的爱人分享了好消息:他的3D制造企业刚刚获准进入航空航天云制造网络。云制造是一种取代大规模生产的新的生产方式,它像云计算一样,是一个分散式和大规模批量式并行的生产模式。大企业从几个经审查合格的小制造企业生产网络订购所需的部件和服务,这些小制造企业可以联手制造专门的部件。
云制造正迅速应用于电子、医疗和航空航天等行业,这些行业的企业需要复杂的、高精密度的而不是大批量的部件。小制造企业形成的云制造网络为大企业节省了费用。云制造网络往往靠近客户,这样打印部件的运输距离就缩短了。这些企业将产品部件的设计进行数字存储,每次只生产一个或者几个部件。云制造网络在区域经济中已经无处不在,这样,专门的小型制造商和服务商就创造了当地的就业机会。
你爱人的企业是由数家小制造企业组成的云制造网络中的一员,为军用和商用飞机制造商制造专业燃料喷射器。为了获准进入这个专门网络,他的企业必须证明具有在指定时间内通过3D打印生产飞机部件的制造能力。制造网络对这些部件样品进行抽样压力测试,测试结果还不错。经过一番利润率和制造能力的谈判,他的企业获准进入了该网络。
最后,一天终于落幕。你儿子喜欢在他就寝前刷牙,然后躺在床上听你给他讲故事。今晚你会发现,其他都像往常一样,但他的牙刷莫名其妙地消失了。他觉得可能是昨天落在他朋友家了。你可以跑到商店给他买一把新牙刷,但现在有一个更简单的方法。
你启动家用Fabber,让你儿子快速查看几种不同的牙刷设计。几家不同的公司在Fabber网站上出售他们的设计,你儿子已经想好他想要的品牌—通过讨价还价以99美分买了下来,他喜欢牙刷柄上有几种不同的卡通人物。你在网上付款,通过将小魔杖载入Fabber,扫描了你儿子的指标—手的大小和嘴张开时的形状。
然后,Fabber开始打印。在其发光屏幕上,设计参数表像电影那样滚动—从牙刷程序的设计者到拥有卡通设计版权的公司。新牙刷可以在15分钟内制作完成。
在Fabber打印过程中,你给儿子讲睡前故事。这是关于过去的日子,那些“当我在你这个年龄时”的故事之一。他将信将疑,很难相信你年轻时,每把牙刷看起来都是一样的。现在,如果你从互联网上订购东西,仅需要24小时就可以送货上门。
“哇!”他礼貌地说,“那么要是回到过去,生活一定很不容易啊!”
第2章
一台几乎可造万物的机器
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。

内容简介
《3D打印:从想象到现实》内容简介:你需要一把功能强大的锤子?你需要一双精致无比的鞋子?你需要给孩子准备奇异的玩具?你需要一顿精美的晚餐?只管打印出来就行了。《3D打印:从想象到现实》带你走进3D打印的世界,认识一下当下这个最酷的东西——它将从想象变成现实,并带来一场深刻的社会革命。
书中讲述了3D打印技术的突破性发展,以及3D打印技术将如何应用在学校、厨房、医院等场所的。《3D打印:从想象到现实》预测,不远的未来,我们完全可以用电脑把自己想要的东西设计出来,然后进行三维打印,就像我们现在可以在线编辑文档一样。通过电子设计文件或设计蓝图,3D打印技术将会把数字信息转化为实体物品。当然,这还不是3D打印的全部,3D打印最具魔力的地方是,它将给材料科学、生物科学带来翻天覆地的变化,最终的结果是科学技术和创新呈现爆发式的变革。
3D打印机本是一种相对粗陋的制造机器,从工厂诞生,然后走进了家庭、企业、学校、厨房、医院、甚至时尚T台。但是一旦将3D打印机与当今发达的数字技术相结合,奇迹就发生了。再加上互联网的普及以及微小而成本低廉的电子电路的广泛使用,在材料科学和生物技术取得日新月异进步的今天,简直不敢想象!技术和社会革新由此爆发。
作为全球3D打印研究的权威专家,经过长期卓有成效的研究,并走访了多位来自各个行业的专家,这部生动而有趣的书带给你的不仅仅是极大的震撼,还有更多的观察与思考——3D打印这个全新的世界将给你带来什么?

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3D打印:从想象到现实

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