和文最好的艺术家努力向我们展示现实世界的物体 看起来像他们所有的三维 (3D) 荣耀。大多数时候 没关系——看着 相片 或草图给我们一个 足够好的想法。但是，如果您从事开发新业务 产品，您需要向客户或客户炫耀它们， 没有什么比拥有一个原型更好的了：一个你可以触摸、握住和 感觉。唯一的问题是，模型采取 年龄 手工制作和 可以制造“快速原型”的机器要花一大笔钱(高达 五十万美元)。万岁，然后为 3D打印机，这有点工作 喜欢 喷墨打印机 并以高达 10 倍的速度逐层构建 3D 模型 速度和五分之一的成本。它们究竟是如何工作的?让我们以 仔细看看!

　　照片：3D打印的实际应用：这是Invent3D打印机的打印头， 通过将熔融的蓝色塑料从其精确移动的喷嘴中喷射出来，逐层缓慢地构建物体。 摄影：Cpl. Justin Updegraff 提供 美国海军陆战队.

　　从手工原型到快速原型制作

　　照片：用蜡制成的高质量太空飞机快速原型 来自美国宇航局的CAD图纸。 照片由 美国宇航局兰利研究中心(NASA-LaRC).

　　在有这样的事情之前 计算机辅助设计 (CAD) 和 激光器，模型和原型是费力雕刻而成的 木 或 从小块卡片或粘在一起 塑胶.他们可以采取 几天甚至几周的制作，通常要花一大笔钱。获得 所做的更改或更改既困难又耗时， 特别是如果使用外部模型制作公司，并且 这可能会阻止设计师进行改进或采取 船上最后一刻的评论：“太晚了!

　　随着更好的技术的到来， 一个想法叫做 快速原型制作 (RP)在1980年代长大 作为这个问题的解决方案：这意味着开发模型和 通过更自动化的方法制作原型，通常在几小时或几天内 比传统原型制作过去需要的几周时间要多。3D打印 是产品设计师在这个想法的逻辑延伸 他们自己的快速原型，在几个小时内，使用复杂的机器 类似于喷墨打印机。

　　3D打印机如何工作?

　　美工：世界上第一台三维FDM打印机之一， 由S. Scott Crump在1980年代开发。在此设计中，模型(粉红色，40)被打印 在沿水平 (X–Y) 方向移动的底板上(深蓝色，10)，而打印 头部和喷嘴(2 和 4，橙色)沿垂直 (Z) 方向移动。印刷原料来自由打印头熔化的塑料棒(黄色，46)。加热过程由 热电偶 (电热传感器)连接到温度控制器(紫色，86)。使用来自大罐的压缩空气挤出棒材，并且 压缩机 在右侧(绿色，60/62)。从那时起，情况发生了一些变化，但基本原理(通过在三维控制下熔化和沉积塑料来构建物体)保持不变。艺术品来自 美国专利5，121，329：创建三维物体的装置和方法 作者：S. Scott Crump，Stratasys Ltd，1992年6月9日，由美国专利商标局提供。

　　想象一下，建造一辆汽车的传统木制原型。你会 从一块实木开始，向内雕刻，就像 雕塑家，逐渐揭示了“隐藏”在里面的物体。或者如果 你想做一个建筑师的房子模型，你会建造 它就像一个真正的预制房屋，可能是通过切割微型 墙壁的复制品从卡片中取出并将它们粘在一起。现在一个 激光 可以很容易地将木头雕刻成形状，而且不会超出 训练 机器人 粘纸板 但 3D 打印机不能以这两种方式工作!

　　典型的3D打印机非常像 喷墨打印机 操作 从 计算机.它一次构建一层的 3D 模型，从 底部向上，通过在同一区域重复打印，称为 熔融沉积建模.打印机完全自动工作，通过转动3D在几个小时内创建模型 计算机辅助设计 绘制成许多二维的横截面 层 - 有效地分离位于 2D 打印件之上的 2D 打印件 另一个，但中间没有纸。而不是使用墨水，这永远不会积累太多 体积，打印机沉积熔融层 塑胶 或粉末和 将它们融合在一起(以及现有结构) 胶粘剂 或 紫外线.

　　问：3D打印机使用什么样的“墨水”?答：塑料!

　　其中 喷墨打印机 喷涂液体墨水和 激光打印机 使用固体粉末，3D打印机两者都不使用：你不能通过堆积彩色水或黑尘来构建3D模型!你可以用什么建模是 塑胶.一台3D打印机 基本上是通过一个微小的喷嘴挤出熔融塑料来工作的，该喷嘴在计算机下精确地移动 控制。它打印一层，等待它干燥，然后在上面打印下一层。取决于质量 在打印机中，你得到的要么是一个令人惊叹的3D模型，要么是许多2D塑料线粗糙地堆叠在一起 - 就像糟糕的管道蛋糕糖霜!打印模型的塑料显然非常重要。

　　照片：Lulzbot 3D打印机。你可以看到一小卷原始的红色塑料 (“灯丝”)从顶部送入打印头。摄影：Stephane Belcher 提供 美国海军.

　　当我们谈论塑料时，我们通常是指“塑料”：如果你是一个勤奋的人 回收，你会知道有许多类型的塑料，它们都是不同的，无论是化学(在分子组成上)还是在物理上(在它们对热、光等的行为方式上)。 3D打印机使用也就不足为奇了。 热塑性 塑料 (加热时会融化并在冷却时变成固体的塑料)，通常 ABS (丙烯腈丁二烯苯乙烯)， 解放军 (聚乳酸)，或 佩特格 (聚对苯二甲酸乙二醇酯)。

　　也许最熟悉的是制造乐高®积木的材料，ABS 也广泛用于汽车内饰(有时也用于轮毂盖等外部部件)，用于制造 冰箱，在塑料计算机部件中(很可能是 鼠 和 键盘 您现在使用的是由ABS塑料制成的)。那么为什么这种材料用于3D打印呢?它实际上是坚硬、坚韧的塑料(丙烯腈)与合成橡胶(丁二烯苯乙烯)的复合材料。它非常适合3D打印，因为它在室温下是固体，在略高于100°C(220°F)的温度下熔化，这足够凉爽，可以在打印机内部熔化而不会产生太多热量和足够热，如果将它们留在阳光下，从中打印的模型不会融化。凝固后，可以打磨光滑或涂漆;ABS的另一个有用特性是它的原始形式是白黄色，但颜料(颜色化学物质 漆) 可以添加以使其几乎任何颜色。根据您使用的打印机类型，您可以以小颗粒或细丝(如塑料绳)的形式向它提供塑料。

　　PLA比ABS更容易使用，也更环保，尽管它更柔软，更不耐用。PETG是一个中途之家，更接近ABS的强度，易于成型，相对容易回收。

　　您不一定需要使用塑料进行3D打印：理论上，您可以使用任何可以相当快地硬化和凝固的熔融材料来打印物体。2011年7月，研究人员在 英国埃克塞特大学揭幕 食品打印机原型 可以使用熔融巧克力打印3D物体!

　　优点和缺点

　　照片：B9Creator™ - 典型的低成本DIY 3D打印机。 它最初以套件形式提供，售价 2495 美元;现在它已准备好组装 有三种不同的版本，价格从 6000-12000 美元不等。 照片由Windell H. Oskay提供 www.evilmadscientist.com, 发表于 Flickr 2012年 在 知识共享许可.

　　3D打印机制造商声称它们的速度比3D打印机快10倍 其他方法和便宜 5 倍，因此它们提供了很大的优势 需要在数小时而不是数天内快速制作原型的人。虽然 高端3D打印机 它们仍然很昂贵(通常约为25，000-50，000美元)，它们是 成本只是更复杂的 RP 机器的一小部分(这些机器 在 100，000 美元到 500，000 美元)，而且便宜得多的机器是 也可以(您可以以大约 100-200 美元的价格购买 Tronxy 3D 打印机套件)。 它们也相当小，安全，易于使用，并且 可靠(使它们在以下地方越来越受欢迎的功能： 设计/工程学校)。

　　不利的一面是，他们生产的模型的光洁度通常是 不如使用高端 RP 机器生产的那些。的选择 材料通常仅限于一两种，颜色可能粗糙， 并且质地可能无法很好地反映产品的预期光洁度。一般来说，3D打印模型 对于新产品的粗略、早期可视化可能更好;更多 复杂的 RP 机器可以在流程的后期使用，当 设计更接近最终确定，诸如精确表面之类的东西 质地更重要。

　　应用

　　您可以使用3D打印机做什么?这有点像问“如何 有很多方法可以使用复印机? 从理论上讲，唯一的限制是你的 想象力。在实践中，限制是 打印的型号、打印机的精度以及 您打印的材料。现代3D打印是在大约25年前发明的， 但它在过去十年才真正开始起飞。大部分 这项技术仍然相对较新;即便如此，3D打印的用途范围 是相当惊人的。

　　药

　　照片：3D打印的塑料心脏使外科医生可以在没有风险的情况下进行手术。 马修·布拉姆莱特博士的模型。公有领域照片发表于 Flickr 由美国NIH图片库和3D打印交易所提供。

　　人生是单向的旅程;易犯错，有皱纹的衰老人类， 摇摇欲坠的身体自然在一项技术中看到巨大的前景 创造替代身体部位和组织的潜力。这就是为什么 医生是最早探索3D打印的人之一。我们已经 看到3D打印的耳朵(来自印度公司Novabeans)，胳膊和腿 (来自Limbitless Solutions，Biomechanical Robotics Group和 定制)和肌肉(来自康奈尔大学)。3D打印机有 也用于生产人造组织(Organovo)，细胞 (轮回科学)和皮肤(化妆品之间的合作) 巨人欧莱雅和奥尔加诺沃)。虽然我们离拥有还有一段路要走 完整的3D打印替换器官(如心脏和肝脏)， 事情正在迅速朝着这个方向发展。一个项目， 被称为 芯片上的身体, 由北卡罗来纳州维克森林再生医学研究所运营， 打印微型人类心脏，肺和血管，将它们放在微芯片上，并用一种测试它们 人造血液。

　　除了更换身体部件外，3D打印也越来越多地被取代。 用于医学教育和培训。在尼克劳斯儿童医院 佛罗里达州迈阿密的医院，外科医生在 儿童心脏的3D打印复制品.在其他地方，同样 技术用于排练脑部手术。

　　航空航天和国防

　　设计和测试 飞机 是一项复杂而昂贵的业务：波音 梦想客机内部有大约 230 万个组件!虽然 计算机模型可用于测试飞机的很多方面 表现良好，仍然需要为诸如以下方面制作准确的原型 风洞测试.3D打印是一种简单有效的方法 这样做。虽然商用飞机是大量建造的，但军用飞机 飞机更有可能是高度定制的，而3D打印则更加清晰。 使设计、测试和制造小批量或一次性零件成为可能 快速且经济高效。

　　照片：美国海军一直在船上测试3D打印机 一个于2014年安装在埃塞克斯号航空母舰上。从理论上讲，机载打印机使船舶更加自力更生， 减少携带备件和材料的需要，尤其是在战时。这是一个3D打印的海底无线充电器， 在海上执行任务期间可能打印的典型对象。照片由Devin Pisner提供 美国海军.

　　太空船 甚至比飞机更复杂，并增加了 缺点是它们是在微小的“制造”中的 数量——有时只生产一个。而不是去所有的费用 制造独特的工具和制造设备，它可以制造很多 3D打印一次性组件更有意义。但为什么还要让 地球上的太空部件?将复杂和重型结构运输到 空间困难、昂贵且耗时;能力 在月球或其他行星上制造东西可以证明 无价的。很容易想象宇航员(甚至机器人)使用3D。 打印机可以生产他们需要的任何物品(包括备件) 部分)，远离地球，只要他们需要它们。但即使 传统的、地球产生的空间项目可以从 3D 打印的速度、简单性和低成本。最新的， 人力支持 NASA Rover使用在Stratasys的帮助下生产的3D打印部件。

　　照片：备件和维修没有问题。Lulzbot Taz 6 3D打印机用于在美国海军舰艇上制造备件的特写视图。 摄影：Christopher A. Veloicaza 提供 美国海军.

　　可视化

　　制作飞机或太空火箭的原型就是一个例子 3D打印的更广泛用途：可视化新设计将如何 从三个维度看。我们可以使用这样的东西 虚拟现实 为 当然，但人们通常更喜欢他们能看到的东西和 触摸。越来越多的3D打印机被用于快速，准确的 建筑建模。虽然我们(还)不能在材料中3D打印 如砖和混凝土，有各种各样的塑料 可用，它们可以被涂成看起来像逼真的建筑 完成。同样，3D打印现在也被广泛用于 工业和消费产品的原型设计和测试。由于许多 日常用品都是用塑料模制而成的，3D打印模型可以看起来 与成品非常相似，非常适合焦点小组 测试或市场研究。

　　个性化产品

　　从塑料牙刷到糖果包装纸，现代生活 今天在这里，明天消失——方便、便宜、一次性。 然而，并不是每个人都喜欢现成的大规模生产， 这就是为什么昂贵的“设计师标签”如此受欢迎。在 未来，我们中的更多人将能够享受 价格合理、高度个性化的产品，根据我们的确切要求定制 规范。珠宝和时尚配饰是 已经被3D打印出来了。正如 Etsy 网站创建了一个 全球手工艺人社区，所以Zazzy现在已经复制了 使用3D打印技术。得益于简单的在线服务，例如 Shapeways，任何人都可以制作自己的3D打印刻痕， 要么为自己，要么 出售给其他人，而无需使用自己的3D打印机的费用和麻烦 (甚至史泰博现在也在其一些商店提供3D打印服务)。

　　“定制产品”不仅仅是我们购买和使用的东西： 我们吃的食物也可以属于这一类。烹饪需要时间， 技巧和耐心，因为准备令人垂涎的 膳食远远超出了混合食材并在炉子上加热的范围。 由于大多数食物可以挤出(通过喷嘴挤压)，因此它可以 (理论上)也是3D打印的。几年前， 邪恶的疯狂 科学家实验室 俏皮地打印出一些奇怪的物体 糖。2013年， 纽约时报 专栏作家A.J.雅各布斯 挑战自己 打印整顿饭，包括盘子和餐具。在 过程中，他偶然发现了康奈尔大学霍德·利普森的工作， 谁相信有一天饭菜可能是个人的，3D打印来匹配 您身体的确切营养需求。这把我们整齐地带到了未来...

　　照片：理论上，你可以用任何可以输入的原材料制作3D打印。 您的打印机。这里有一些用砂糖打印的奇妙的3D物体 由“CandyFab 4000”(一个被黑客入侵的老式惠普绘图仪)由总是有趣的人 在 邪恶疯狂科学家实验室.照片由Windell H. Oskay提供 www.evilmadscientist.com，发表于 Flickr 2007年根据 知识共享许可.

　　3D打印的未来

　　许多人认为3D打印将不仅仅预示着一股浪潮。 鲁莽的塑料噱头，但制造业的革命 以及它推动的世界经济。虽然3D打印会 当然，我们可以自己做东西，有一个 限制使用便宜的打印机和 塑料管。真正的经济效益很可能在以下情况下到来 3D打印被大公司普遍采用为核心 制造业的支柱。首先，这将使 制造商提供更多现有产品的定制， 因此，现成的大规模生产的可负担性将是 结合一次性定制工匠工艺的吸引力。 其次，3D打印本质上是一种机器人技术， 所以它会 一次将制造成本降低到可以达到的程度 再次，在北美制造产品具有成本效益，并且 目前正在廉价组装的欧洲(由收入低的人) 在中国和印度等地。最后，3D打印将提高生产力 (因为制造相同东西所需的人更少)，降低 整体生产成本，这应该会导致价格下降和 更大的需求——这对消费者来说总是一件好事，对消费者来说都是好事。 制造商和经济。 降低 整体生产成本，这应该会导致价格下降和 更大的需求——这对消费者来说总是一件好事，对消费者来说都是好事。 制造商和经济。 降低 整体生产成本，这应该会导致价格下降和 更大的需求——这对消费者来说总是一件好事，对消费者来说都是好事。 制造商和经济。

　　照片：3D打印机打印头(有时称为“工具头”)的两个视图。 照片由Ashley McLaughlin提供 美国海军陆战队.