1.3　3D打印应用前景

从3D打印技术的商业应用前景来看，现在已经有一系列的应用在逐渐地改变着人们的生产与生活。虽然离大规模应用还有一定的距离，但是如果从未来发展趋势来考虑的话，其潜力将是十分惊人的。如今在众多领域，例如航空航天业、汽车工业、现代制造业、医学和生物工业技术等（图1-16），它已展现出广阔的应用前景。无论是从个人消费品领域里涉及个性化的创意应用，还是从数量可观的生活品制造方面，3D打印机也一次又一次的带给我们巨大的惊喜。

在消费品市场，电子照明、影像设计、家具家居、家用饰品、珠宝首饰、建筑模型、教育市场、玩具市场等领域的终端产品市场正迎来爆发。与此同时，也已经有越来越多的国际企业和政府机构正针对交通、航空国防、医疗保健等领域的核心应用的制造方式进行重新部署，这些都是3D打印的发展机遇。

1.3.1　模型设计

3D打印技术在模型设计、原型制作领域具备非常光明的前景和广泛的适用范围。当前主要的企业级3D打印设备，也多应用在相关领域，主要包括工业制造、建筑设计、首饰定制，以及新兴的3D照相馆等。

1.3.1.1　工业制造

汽车制造一直由于技术复杂、工序繁复，被人们誉为工业制造皇冠上最为璀璨的一颗明珠。但就在前不久的温尼伯TEDx会议上，世界首款“3D打印汽车”（图1-17）在人们面前终于揭开了面纱。这款被命名为“Urbee”的3D打印汽车，车身由特制的3D打印机所打印制造，除了使用了超薄合成材料逐渐融合固化，这款最为另类的汽车就像直接绘制而成一般。整款汽车的外形设计非常科幻光滑，让我们很容易联想起科幻电影《第五元素》中未来世界的汽车外形。

3D打印机的到来为我们打开了“数字化制造”的大门，我们将用完全不同的方式来定义、设计和生产机器的部件。Urbee的诞生几经波折，整个研发和制造历经15年才完成。其有三个车轮，两个座位，能耗却十分低，仅为类似大小的普通汽车的八分之一，理想状况下百公里油耗仅1升。在动力上，Urbee汽车由一个8马力的小型单缸发动机来驱动，但由于车身重量较轻，因此最高时速可以达到惊人的112公里。该汽车的设计公司——加拿大侯尔生态公司，认为该款汽车完全满足人们日常生活的需要，并且非常经济便捷。

该项目主管吉姆·侯尔（Jim Kor）在温尼伯TEDx会议上指出，Urbee是绿色环保汽车的一款里程碑产品。他表示Urbee的制造过程十分简单，并没有什么繁杂的流程，仅仅需要将打印材料按要求放置，然后进行打印即可。由于采用3D打印技术，整个制造过程是一个增材制造的过程，过程中不会有任何原材料被浪费。并且打印的汽车还可以采用多种不同材料来满足不同的需求，按设计者所说，他们的下一个目标是使用完全可回收性材料来进行打印制造。到时生产的汽车将具有可回收的优点，但并不是说在短时间内就会分解，整车使用寿命将最少30年。

Urbee汽车工程师在打印时将多层超薄合成材料放置在顶端，使这些超薄合成材料在“逐层打印”的过程中被制作成非常牢固的3D结构，从而使得新生产的汽车有着对于传统工艺而言无可比拟的特点——更轻的重量、更良好的结构、更加新颖的制作工艺。并且还可以根据用户的不同需求来进行个性化制作，最重要的是其制作成本并不会随之而有任何增加。这些都使得3D打印制造的汽车摆脱传统汽车制造业的束缚脱颖而出，成为一款具有划时代意义的产品。

1.3.1.2　建筑模型

随着3D打印技术的日益进步和完善，越来越多的物品开始可以通过3D打印来进行生产制造。不过打印的常见产品大部分都是小件物体，可见3D打印的潜力远远比生产一些DIY家居物品要大很多。实际上，3D打印甚至存在着完全颠覆传统建筑行业的潜力。

近日，一位来自荷兰宇宙建筑公司名叫Janjaap Ruijssenaars的建筑师就表示他们希望能用3D打印技术建造一栋建筑。将要建造的这栋建筑被称为“Landscape House”。这个名字的灵感，是来源于该建筑的外形模拟了奇特的莫比乌斯环。

莫比乌斯环（Mobius Band）是一种拓扑学结构，由德国数学家、天文学家莫比乌斯和约翰·李斯丁在1858年发现而得名，其结构只包含一个面（表面）和一条边界。要制作一个莫比乌斯环也十分简单，只需用一个纸带旋转半圈再把两端粘上之后就可轻而易举地实现，但本身却拥有很多奇妙的特性，例如在任何一个面或沿任何一条边上移动，都将永远在一个环中，无法走出（图1-18）。

为了制造这样的建筑，Ruijssenaars与意大利发明家Enrico Dini（D-Shape3D打印机发明人）联手，他们计划打印出包含沙子和无机黏合剂的建筑框架，大小为6米×9米。然后用纤维强化混凝土对建筑框架加以填充，最终形成单流设计、上下两层的结构。

这和打印普通的小东西还不相同，打印一栋房子需要用到十分庞大的3D打印机才能完成，而Enrico Dini设计的“D-Shape”，恰好可以使用砂砾层、无机黏结剂进行打印，经过测试发现完全能够满足普通建筑的打印需求。但即使是这样的设备，让它直接打印一座庞大的建筑也是十分艰难的，为此Dini不得不将建筑拆分开来，只用打印机制作它的整体结构，而外墙面则通过钢纤维混凝土来填充。

Ruijssenaars打算在著名的欧洲大赛Europan来展现这个令他引以为豪的项目，这项赛事每两年在欧洲十五个国家举办一次，主要是为年轻工程师的优秀创新方案提供实现的平台。赛事组织者将会给设计师两年的时间来设计他们的方案，同时还准备了50个场地来帮助他们具体实施。根据Ruijssenaars预计，该工程将有望在2014年竣工。

1.3.1.3　首饰配饰

珠宝加工由于行业特点，一直是追求个性化的前沿。人们对自身个性的疯狂追求，也使整个行业对个性化的需求从来都是十分迫切的。而3D打印的出现，将可以完美的平衡消费者个性化需求同加工成本的矛盾，使得制造加工的成本与造型的复杂程度完全没有关联，使成本完全脱离个性化的束缚。在之前由于受到传统加工业技术的限制，使许多非常好的设计只能停留在概念上而无法实现。但对于3D打印技术而言，则恰好可以不受这些因素限制。因此，一旦3D打印技术成熟完善之后，珠宝行业在加工技术、加工成本及造型复杂程度上的问题都会迎刃而解。

美国Shapeways公司便有大量的设计师一直钟爱于珠宝类产品的3D打印，该公司为此设计不同3D打印机来尝试各种制造。除了制造业的技术人员，还有很多专业设计师也开始尝试采用3D打印机来制作一些作品（图1-19）。但相比而言，他们更侧重于概念设计，设计的产品也多关注于外在的观赏性，并没有完全考虑其具体的使用价值。前瞻突破式的创造固然难能可贵，但是如何利用3D打印技术切入首饰行业，这也应该是每一位普通的设计师需要更加深入思考的事情。

现如今，3D打印机已经在珠宝业崭露头角，但是如果想完全依靠3D打印机来自动化完成制作，还需要细化很多的工作。不过相信在不久的将来，珠宝首饰、日常配饰用品等许许多多的新奇商品都有可能经过3D打印机来到我们面前。这一直是一个供需极不平衡的市场，卖方占主导地位，像潘多拉这样仅仅是稍具个性的品牌便可有非常强大的溢价能力。可以想象，如果3D打印技术进一步完善到只要你能想到的设计，将其绘制出来便可以打印完成，那将具有多大的商业价值。

1.3.1.4　3D照相馆

看过成龙电影《十二生肖》的观众，都会对这一段场景记忆犹新：成龙扮演的寻宝者用手套在兽首雕像表面一扫描，远程的3D打印机便迅速打印出兽首铜像，其制作出兽首能达到以假乱真的程度。电影中的3D打印虽然有些艺术的渲染及夸大，目前技术水平还难以达到如此的效果。但是3D　打印当今确实正在慢慢地融入到人们生活当中，无论是机械玩具还是动漫人物模型，这些都已不是问题。当然，如果能看到打印出一个和你一模一样的真实人像，那就更有意思了。

处于德国汉堡的初创公司Twinkind，就是一家以经营以个人雕塑打印为主的公司。经过公司不懈努力，现如今要直接打印一个MINI版的你已经非常简单便捷。前来体验的顾客也只需提前预约，然后去店内接受仪器扫描这些简单的步骤，之后便可拿到属于你个人的雕塑。这种雕塑由于是使用塑料制作的，具有很强的可塑性，颜色、纹理、姿势等细节都能制作的十分真实，生活化气息非常浓郁。

Twinkind负责人表示，类似基于3D打印的个人雕塑将替代传统肖像制品，触觉体验就是其最具魔力和最惊奇的地方。它不仅可以再现精细的面部表情，甚至连头发产生的纹理以及衣服的特性都能刻画得十分逼真。这些3D照片具有传统平面照片无法企及的优势，将成为未来照片的发展趋势。

在我们国内，也已经大量出现了这种模式的3D照相馆，流程也大同小异。但是普遍具有一个不完善的地方，就是扫描时间过长，基本都需要15分钟左右，这就意味着你需要一动不动的像蜡像一般15分钟保持一个姿势。相比之下Twinkind只需要几秒钟就可以轻松搞定，免除了长时间摆姿势的疲劳。

在北京市第一家3D照相馆——上拓3D打印体验馆，作者就亲自体验了一把3D照相的乐趣。虽然没有影片《十二生肖》中那么有科技感，但流程却没有什么区别，大致是工作人员先用3D扫描仪对被拍照者进行360°扫描，然后把她的3D数据采集到系统里。数据处理需要两个小时，被拍照者的三维信息就被处理成了完整的三维图像文件，然后将经过预处理的三维模型输入到一个柜式3D打印机中，就可以开始3D打印了。在大约几个小时的打印和后期处理后，最终的3D打印成品就完成了（图1-20）。

但现在3D打印的成品价格还是较贵，一个5厘米左右高的半身像在现在售价约在五六百元，而全身像做下来大概是在一千五百元。据工作人员介绍说，虽然现在来参观和体验的人络绎不绝，但是平均下来每天真正做3D照相的人大概只有屈指可数的两三个，材料及各方面的昂贵成本是当前3D照相商业化的主要障碍。

一个这么小的模型，为何会如此昂贵呢？据北京上拓科技有限公司市场总监邵漠宇介绍，进行3D打印的打印机是从国外进口的，不仅身价百万，其打印材料价格也昂贵到几千元一千克。尽管如此，3D照相馆里还是不乏好奇的体验者。有的是来尝试新鲜的；还有的可能就是用来纪念意义的；有的则是为了在获得人体数据之后，把自己的头像、下半身在游戏和动漫中进行一个组合，换成一个全新的形象，然后再把它打印出来。

邵漠宇认为，个性化定制将是3D打印最大的卖点，原来那些批量化生产的玩具都是借助模具来制作，但在3D打印的世界里，可以随意创作。不论是照相者自己的模型（图1-21），还是想象中的“它”，都可以进行创作，你可以打印任何一个你喜欢的角色。对于这种小批量的个性化的生产来说，3D打印还是具有很大市场前景。

上拓3D打印体验馆于2012年年底开业以来，不到一年时间，全国各地就有三四十家3D照相馆如雨后春笋般兴起。然而在现实生活中，打印成本居高不下，价格太贵，3D照相馆还处在赔本赚吆喝的阶段。在上拓3D打印体验馆花钱体验的普通消费者并不多，不过来这里探求商机的人却是络绎不绝。

在美国喜剧《生活大爆炸》中，就提到了3D打印技术，两位主人公花5000美元买来了一台3D打印机，把自己的三维影像扫描后，打印出了袖珍版的自己，这里采用的也正是我们所说的3D照相技术。

1.3.2　教育医疗

由于3D打印技术在个体定制化生产方面的巨大优势，使得其具备颠覆传统的教育、医疗、生物等领域的潜力。目前也已经出现了许多激动人心的应用实例，像立体教学、航空科研、定制支架、细胞打印等。

1.3.2.1　立体教学设备

3D打印将会完全彻底改革传统的教育模式吗？经证实，由于所学的课程理论性太强，一些学生在传统教育下并没有学得很好。学生对学习培养完全没有兴趣，只能通过死记硬背的方式来通过考试，考试过后就很快忘光。

3D打印机有望让枯燥的课程更加生动起来，使学习方式变成视觉和触觉并存，相信这对于学生来说具有很强的诱惑力。在触觉学习中，学生不同于以往只能从纸墨及显示器中阅读文字图形的内容，而是通过他们的触觉抓住核心概念的三维模型，使知识能够被快速吸收消化，令学生对这门课程产生深刻印象，从而爱上学习。英国著名教师戴夫·怀特曾经说过：如果你能抓住学生的想象力，你就能抓住他们的注意力。

中国的传统教育主要是应试教育，没有开设培养学生“创新精神和创造力”的课程，完全纯粹的理论学习并没有给学生带来智慧，反而会僵化学生的大脑。开设集设计和3D打印于一体的“边学边做”的课程，把数学、物理、地理课中的许多抽象概念让学生自己用3D打印出来一些模型来进行了解（图1-22），自己领会，让课程变得生动有趣不再枯燥。3D打印机将激发新一代学生投身科学、数学、工程和设计的热情，并为他们注入活力和创造力。

美国政府已发现了其在教育领域的前景，并迅速地付诸实际。在美国，几乎所有的大中小学都已经开设了3D打印的课程，对青少年进行3D打印创新意识和技术手段的培养，力图让3D打印成为“美国制造”的代名词，并成为中美制造业竞争的重要砝码。在此时，中国有任何理由不这样做吗？

时不待我，中国的3D打印教育也不容再拖延。在2013年5月29日召开的世界3D打印技术大会上，中国3D打印技术产业联盟、青岛市政府、青岛尤尼科技有限公司启动了以“点燃中国3D打印未来之光”为主题的对中国百所211大学进行3D打印机捐赠的行动。6月8日，该公司又有了新的举动，青岛尤尼科技有限公司再次在青岛市政府的支持下，开展了以“3D打印中国梦科普教育齐鲁行”为主题的中小学3D打印知识义务宣传活动。希望能够借助学生创新思维强、接受新事物能力快的优势，加快普及3D打印技术知识，以此振兴中国3D产业。

1.3.2.2　航空航天模型

飞行器风洞模型是飞机研制过程中极其重要的环节，风洞模型的加工质量、试验周期和测试成本都会直接影响研制的效率。目前的风洞模型多采用传统数控加工的方法来进行制造，普遍存在加工周期长、成本高等特点，而且还对于复杂外形和结构非常难以加工等问题。3D打印技术将为飞机风洞模型带来一种全新的方式，使这些问题迎刃而解。

除了传统的模型验证，3D打印在其他地方也发挥着重要作用，实际产品制作环节也是其中之一。美国国家航空航天局（NASA）和Aerojet Rocketdyne公司最近便成功使用3D打印技术制作了火箭发动机的最复杂部件——喷油器，该火箭发动机喷油器从头到尾都是用3D打印来进行生产制造。图1-23所示的，便是在克利夫兰NASA格伦研究中心的火箭发动机燃烧实验室，对液体氧/气态氢火箭喷油器进行点火实验的情景。3D打印技术不仅能提高火箭发动机的制造效率，还能节省制造过程的时间和费用。

Tyler Hickman是这次测试的负责人，据Tyler Hickman介绍，火箭发动机部件的加工件十分复杂，需要耗费大量的精力和时间，而喷油嘴则是整个发动机中最为昂贵的部件之一。Aerojet Rocketdyne公司使用选择性激光烧结技术（SLS），采用高功率激光束融化细金属粉末来形成三维结构的方式，制造了这个非常关键的火箭发动机部件。“NASA认识到，无论是在地球上或是将来在外太空，3D打印技术都将会使制造业的游戏规则发生改变，并且创造一系列新的发展机遇”。

NASA的空间技术协作主管Michael Gazarik认为，通过使用3D打印机，发动机零件甚至是整个飞行器的生产时间和成本都会得到显著降低。按照传统的工艺来生产这款喷油器需要超过一年的时间。但是使用3D打印技术后大幅提高了效率，只用不到4个月便完成生产，同时成本还降低了70％。之前3D打印技术更多的时候是用来做一些不太重要的部件，这次将其用在火箭喷油嘴的制造是一个里程碑式的进步。如果后续的测试同样理想的话，NASA将计划使用3D打印技术来制造全尺寸的零部件。

1.3.2.3　定制化软骨支架

伦敦的设计博物馆近日公布了2013年“年度设计”的候选名单，被提名的作品代表了2013年度全球最具创新和前瞻性的设计。名单按不同行业类别分成建筑、电子产品、时尚、家具、图表、产品和运输系统等七大类。然后由一支全球范围的评审团，从每类中选出一名优胜者，最后七名优胜者中的佼佼者将获得“年度设计”大奖。

在被提名的设计作品中，有一项设计十分引人注目并脱颖而出，那就是由3D打印所制作的体外骨架——“魔术手臂”（图1-24），它由美国特拉华州威尔明顿的内穆尔阿尔弗雷德杜邦儿童医院设计并制造。

小女孩艾玛·拉维尔自出身便一直饱受基因缺陷带来的痛苦，全身关节及肌肉僵硬，功能几乎丧失。当她两岁时，还只能依靠学步车四处走动，她的手臂十分僵硬和虚弱，只得垂在身旁，无法正常活动。这时，就在艾玛的母亲近乎绝望的时候，一名与女儿相同情况的老年人使用威尔明顿机器体外骨架的消息为她带来了曙光。她立刻找到相关的医生，咨询是否可以运用到其女儿的身上。经过威尔明顿机器体外骨架的研发人员极大的努力，将这一设备变小变轻，并与一架轮椅相连，但仍只能提供6岁及以上的病人使用。可艾玛只有两岁，远小于适用的年龄，迫于此研发人员不得不找其他办法。

就在他们寻求突破的方法时，他们突然发现一台可将电脑设计的作品自动“打印”成真实物体的3D打印机，于是便尝试着用工程塑料“打印”出一个微缩型的机器体外骨架，他们没有想到这次制造会带来如此好的效果。这种使用3D打印技术制作的机器体外骨架十分结实，其强度完全可以应付日常使用。艾玛无论在家，还是在学前班或接受复健时都可以佩戴，十分实用。在展示的视频中，我们可以看到艾玛带着这套体外骨架，能够自由自在的画画、玩耍，甚至堆积木。可以说，这个小女孩的整个人生就因为3D打印技术而从此不同。

但研究人员并不止步于此，一款最真实的生物假肢（图1-25）被英国诺丁汉大学附加制造和3D打印研究学会主管理查德·海格设计并制造，其比上文提到的假肢更加先进，每个关节都可以随意移动，还安装了微妙传感器，这种感应器类似螺旋形状的金属触摸传感器。海格说：“这是一个实物模型，其电路能够探测到温度，感触到物体，以及控制手臂运动。3D打印技术赋予我们任意制造复杂、最佳外形的设计，使我们可以集成打印电子、光学以及实现生物学功能。”

3D打印技术将显著降低假肢的费用，为伤残群体带来更加廉价定制化的产品。南非设计师理查德·范倡导的嵌入式“机械手”项目，就是为了推广打印廉价、塑料定制化假肢，十分适合那些缺少手指，或者天生手指或脚趾残疾畸形的人群。

1.3.2.4　细胞引导组装

人体胚胎干细胞可以分化成所有不同种类的体细胞，分化过程从干细胞开始逐渐形成拟胚体，而细胞3D打印则是一种最新出现的培养一定大小和形状拟胚体的方法。目前，已经有英国研究人员首次使用3D打印机实现了人体胚胎干细胞的打印，并且保持打印后的干细胞鲜活以及发展为其他类型细胞的能力，这在生物学界完全是一个全新技术。研究人员说，这种技术用途将十分广泛，从制造人体组织以测试药物，制造器官，甚至直接在生物体内为生物打印细胞。

在此基础上，爱丁堡赫里奥特·瓦特大学和中洛锡安郡罗斯林干细胞公司研究人员进一步为胚胎干细胞3D打印机配备了两个“生物墨盒”，两个墨盒中分别装着两种不同打印材料，一个装着浸在细胞培养基中的人体胚胎干细胞，另一个只有培养基。通过计算机控制微调阀来控制“墨水”的喷出，通过喷口的口径来控制打印的速度。

此外，在打印机上还配备有一个显微镜，用来观察细胞打印的详细状况。两种“墨水”一层一层间隔喷洒，形成不同浓度的细胞飞沫，最小的飞沫体积仅2纳升，包含大约5个细胞。飞沫被喷入有诸多凹孔的培养皿中，然后将培养皿翻转，细胞飞沫形成悬液，在各凹孔内“抱成团”。通过3D打印机可以精确控制飞沫的大小，从而使干细胞达到分化的最佳状态（图1-26）。

研究人员在最新出版的英国《生物制造》杂志上发表论文，根据检测显示打印24小时后，95％以上的细胞仍然存活，表面打印过程未杀死细胞；打印3天后，超过89％的细胞存活，而且仍然维持其多能性，即分化出多种细胞组织的潜能。

目前，研究人员已开始尝试将3D打印干细胞的技术用于制造骨髓和皮肤。借助这种方法，理论上将可以制造出由自身干细胞分化形成的各项器官，解决现在器官移植中的供体短缺问题。到时将无需他人捐献，只需从自身提取干细胞打印培养出需要的器官即可，这还将避免器官移植中的免疫抑制等问题。

英国《每日邮报》援引主持这项研究的威尔·舒的话来评价3D打印技术，“就我们所知，这是这些细胞（人类胚胎干细胞）首次通过3D技术打印出来。这一技术将可以使我们制造出更精确的人体组织模型。就长期来看，我们认为这项技术将进一步发展，实现患者使用自己的细胞制造需要的器官并进行医疗移植，干细胞技术将取得巨大进步，把细胞变成你想要的组织或器官。”

1.3.3　文化艺术

在文化艺术领域，比如传统工艺制作的雕塑艺术品、影视道具，以及创意产业，都可能由于3D打印技术的应用而发生更为深远的变革。

1.3.3.1　创意设计

早在2012年初，中央美术学院学生宋波纹便成为了中国首个使用3D打印技术用于艺术创作的艺术工作者。当时，她用3D打印制作的礼帽在比利时设计比赛中获得了亚军。后来又使用3D打印机打印出了一系列作品，包括在2012年6月获得中央美术学院“总统提名”最高奖项的十二水灯系列。图1-27的图片是《十二水图》与《十二水灯》的部分作品，主要制作材料为尼龙。

在大学期间宋波纹的专业方向是产品设计，学习期间便一直为没能找到很好的设计载体而苦恼。因为按照传统的方法来实现一些比较复杂新颖的设计是非常困难的，而且也“不可能让你尽情地自由发挥，最终只得多方妥协。可一妥协，就做不出来东西了。”直到有一天她在网上无意中发现了3D打印技术，在迅速了解到这项技术后，她彻底放弃了从前的设计方法，从一个全新的角度思考设计。

但当时国内关注3D打印艺术品的人太少，她只好抱着试试看的心态参加了比赛，至于得奖，也出乎她的意料。她认为组织者主要是看中了作品背后所注入的精神方面的东西，参赛礼帽之所以名为“飞檐”，是因为礼帽上有很多精细的线条，这样模特戴着走秀的时候，线条飞扬，与古代建筑形态的飞檐有着异曲同工之妙。在宋波纹看来，3D打印技术与她所追求的艺术理念有以下一些共通的地方。

首先是3D打印的质感，因为所选用打印的原材料是尼龙，该材料在打印完成的物品中会带有细微的颗粒感，有一种粉末凝结在一起的质感，给人一种宁静、内敛的感觉。

其次是3D打印的过程是一种“生长式”的造物方法，用一种极其简朴的方式却可以表达出最为丰富的内涵。那些看上去不规则分布在水灯上的波纹，但其实都不是通过用手工的方法描绘，而是经过三维软件的算法计算而来，不是人类的刻意所为，有着类似于大自然的规律——“自然生成”。另外，3D打印生产整个过程全部由机器自动完成，最大程度上减少人为的干预，人们不再用手去控制它、改变它，让它回归到某种程度的“天成”。

最后，3D打印还可以让每一件作品都保持独特的个性（图1-28）。与传统方式不同，3D打印并不是批量化的生产，在完成每一个物品的制作后，下一个还可以有变化。只需要改变一下软件的算法，下一个产品马上就又是另外一个样子，这也与我们对社会的认识是一样的，世界本就是一个多元的社会，世界上不存在两片完全一样的树叶。

但要能对3D打印技术完全应用自如，也不是一件简单的事情，有非常多的细节，需要设计师和整个制作工艺不断地磨合，才能做到完美。而且，艺术品的打印与其他物品还有许多不同之处，普通物品的重点在于功能需求，而一旦引入到艺术品制作上，那将不仅在性能上有要求，在视觉上甚至触觉上也都要有更高的要求。

1.3.3.2　影视道具

相信看过美国大片《普罗米修斯》的朋友，都会被其中梦幻的科技、惊悚的镜头以及逼真的场景所吸引。而这部电影中众多的场景、道具、服装都是通过3D打印技术来实现的，比如女主角在太空中所使用的头盔，是不是不可思议？

其实，这些模型都是由业内领先的电影制作公司FBFX来制作的，该公司已经拥有20多年制作电影模型方面的经验，在这部电影《普罗米修斯》中，太空头盔等许多关键道具，都是使用3D打印巨头Stratasys公司的Object30桌面3D打印机制作而成（图1-29）。

如今，随着人们生活水平的提高，相应的电影行业也得到了非常迅猛的发展，对电影制作等方方面面也都提出了新的技术要求。由于整个电影业都在逐渐走向数字化，对三维数据模型和3D打印的需求也越来越多。我们继续拿电影《普罗米修斯》中太空头盔来说，为了能达到尽可能真实的效果，对细节也就相应提出了更多的要求，使得最终的模型空间结构变得更加复杂，还需要考虑衣领和头盔的锁环，以确保头盔与太空服能够完美无缝连接等。如果仍然采用传统方式来设计和制作，可能需要花费几周时间才能完成这样的精度和效果，但是如果采用了数字建模和3D打印制作技术，就会在时间上和成本上都做到了极大的改善。

因此，如果在时间和资金上都有限的情况下，就制作较高精度的模型而言，3D打印技术的实用性在众多行业中都是极具革命性的。

1.3.3.3　美术工艺品

西班牙一位知名的设计师伯纳特·屈尼（Bernat Cuni）最近又冒出了一个奇怪的想法，就是希望能借助新兴的3D陶瓷打印技术，来完成他称为“每天一个咖啡杯”的计划。通过3D打印技术，将原本只是模型的咖啡杯迅速的制作成触手可及的现实物品，正可以充分体现出这项技术的灵活性和便捷性。虽然屈尼设计的咖啡杯并不都具有实用性，但新鲜的想法和技术的结合还是会带给使用者全新的感觉。

屈尼认为这些咖啡杯是设计师创造力的成果，是对数字制造的最好证明，它实现了一件在以前难以置信的事情——在24小时内将产品从概念设计变成消费者手中的最终产品。“每天一个咖啡杯”计划一共历时30天，每天屈尼都会制作出一种稀奇古怪的咖啡杯。每个杯子从构思、设计、成型到制作完成所花费的时间都严格控制在24小时以内。另外，制作这些杯子所使用的涂釉陶瓷也完全符合安全、耐热和可循环使用的标准，可以被直接使用（图1-30）。但最大的缺憾是杯子的成本比较昂贵，每个杯子（直径约4.5厘米）的价格从36美元到81美元不等。

从商业的角度出发来考虑，迅速地将概念变身实物的能力也是非常重要的，而在整个过程中，3D打印制作的过程仅仅花了大约4小时的时间。具体制作的过程只是在平铺的陶瓷粉特定区域内沉积有机黏结剂，每完成一层的制作，接着在顶部继续添加陶瓷粉和黏结剂，如此循环直到整个模型完工。接着再将模型送入炉中加热后处理，使黏结剂固化。出炉后，用毛刷扫掉附在外层的陶瓷粉末，这时一个实体的模型就算是制作完成了，而被清理掉的陶瓷粉还可以回收起来用于下一个模具的制造。详细的制作过程可以参考2.3节的喷墨粘粉式3DP的介绍。

但如果要想让杯子永久地保持外形结构，只好再将其送入炉子内高温“磨练”一番。通过使用一种液态喷雾对其预先上釉，减小表面粗糙程度增强质感，然后再进行低温加热，为最终在表面上釉打下基础。层层加工之后，带着亮丽光泽的咖啡杯就算是大功告成了。屈尼的这个计划是一个很好的开始，各种千奇百怪的杯子可以为我们的生活增添许多的乐趣，随着3D打印技术的推广，相信到时每个人都可以制作属于自己独有的杯子。

1.3.3.4　乐器

各种各样神奇的东西都可以被3D打印机打印出来，但大部分外形独特的模型其实都只是不具有实用功能的模型。所以，当我们看到3D打印出的物品不仅外形精美，而且还的的确确能够使用时，那就更加让人震撼了。

预订创新工作室（Bespoke Innovations）的创建者之一斯科特·萨米特（Scott Summit），很早便关注3D打印技术，并制作出新颖美观的假肢。这些假肢不仅具备普通假肢的功能，同时还非常的精致美观。但萨米特一直希望能进一步发挥自己的设计和3D打印技术，来实现儿时的一个梦想。近期，他终于实现了预计的目标，并向大家展示了最终的成果——一把吉他，一把完全通过3D打印机打印制作的吉他（图1-31）。

在幼年时，萨米特就曾试图自制一把完全属于自己的吉他，但是价值100美元的木材制作出的吉他声音却很不理想。那么价值3000美元的塑料能改变这个结果吗？在他心中并没有抱什么希望，但实际的结果却令他兴奋不已，塑料吉他的声音非常出色。如今，萨米特正致力于塑料吉他的打印工作。他说他已经可以预见到生产吉他在3D打印领域的未来，可以设想通过程序让用户精确地选择想要的高音、低音和延音，然后据此定制乐器，送货上门。

与最初第一件被3D打印制作出来的乐器相比而言，已经迈出了非常巨大的一步，很有可能这是目前为止用3D打印技术制作出来的最复杂的乐器。此前，有设计人员尝试过的3D打印乐器是一支长笛，最终的成品虽然有瑕疵，但也仍然可以接受。这让人很期待3D打印在乐器领域的未来，不单只是吉他，还有其他的各类乐器。我们甚至无法想象用3D打印制造出铜管乐器演奏交响乐的场景，但是相信一定会有聪明的脑袋去将这样的设想付诸实现。

1.3.4　服装食品

3D打印技术的出现，将有可能把制造业的触角带入一些之前无法想象的行业，使得人们可以像流水线生产手机、汽车零部件一般来生产服装、汉堡，是不是很不可思议？

1.3.4.1　个性晚礼服

当代领先的国际艺术博览会Collect，将返回位于伦敦的萨奇画廊，并在这个世界上最好的画廊展示其利用3D打印技术创造的一系列设计作品，以此庆祝十周年的纪念日。

在2013年5月10日至13日的展会，一共开设了32个展厅，并有几十位艺术家共同展示设计成果。其中就包括艺术家丹尼尔在展会上，展出一系列利用3D打印技术设计制作的疯狂作品。早在2009年，丹尼尔就创办了自己的工作室，并在2011年和时装设计师Iris Herpeng共同创造了一系列3D打印的礼服，这些作品被“时代”杂志在2011年评为50项最佳发明之一。此外，他还利用3D打印技术制作了包括家具、珠宝、雕塑和建筑在内的众多作品。

图1-32便是丹尼尔设计的3D打印服装，这些服装利用树脂作为原材料，并采用光固化技术进行制作，具有十分强烈的视觉震撼。让我们试想，如果3D服装打印技术进入实用技术领域，同3D人体测量、CAD、CAPP等技术相结合，将可以实现自动化的“单量单裁”。那时每一个人都可以成为裁缝师傅，为自己量身打造喜欢的衣服，这恰恰是服装业所热切期盼的新技术。

然而，由于服装的产品外形、材质、使用要求都与其他工业产品大不相同，具有非常鲜明的行业特点，因而对3D打印技术有着不同的要求。

首先最重要的是原材料问题，普通服装面料的原料多为天然纤维和化纤纤维，通过梭织或针织工艺制成面料，再缝制成最终的服装。这一传统工艺显然同3D打印的工艺流程不同，因而必须先从基础入手，研发需要的化学纤维新材料，使其既能满足3D打印耗材的溶解、成型等要求。同时又能够调配适当的颜色，还需要达到纺织品的相关标准，适合人体穿着。

其次是打印设备也需要改进，需要适应服装原料的柔性特点，并能够轻易地大面积喷制出均匀轻薄型材质，因此专用的设备是必需的。要使打印的服装能够达到穿着的要求，还要研究对打印制品的后整理技术和必要的连接技术，以及一系列与之配套的技术。

总而言之，能否大范围推广3D打印服装，关键在于这些技术未来发展所能达到的程度。如果要达到实用化的目标，既需要服装生产企业、材料和设备研究部门共同协作，解决化纤新材料、专用打印设备等难题，也需要结合服装工艺专家和设计专家，并以此带动相关配套产业的发展。

如果完全是市场角度来分析3D服装的前景，可以看到社会对服装的社会化制造和个性化生产是具有内在需求的，可以说3D打印服装的市场前景是较为乐观、潜力巨大的。而从产品供给方面分析，服装制造业近年来也一直致力于整个产业的转型升级，许多高新技术都被普遍应用，包括3D人体测量技术、大规模定制技术、敏捷制造技术、一次成型技术等都已初见成效，并形成了一定的用户基础。另一方面，3D打印机制造业在国内也越来越受到各个方面的重视，最近建立的3D打印技术产业联盟也为各项行业应用提供了技术基础。

当关键技术问题有望解决之后，我们可以稍对3D打印的商业模式进行思考。例如，可以采用门店经营的方式，为有需求的客户提供一对一服务。或者也可以借鉴SAAS模式，在网上租赁，其方式更灵活、更广泛。若以上方式能推广，那么将是现代服务业的理想形式。但按照前面的分析，3D打印技术在服装业的广泛应用还尚需时日。而即便到了那个时候，其单件小批量、个性化及网络化的生产模式，也决定了与规模化服装制造将最可能构成一种相辅相成、互为补充的关系，而并不太可能是替代的关系。

1.3.4.2　Nike新款球鞋

曾经有媒体大胆预测2013年将是3D打印技术大放异彩的一年，从已经到手的各种资料来看，这个预测基本已经成真。我们在越来越多的领域、越来越多的产品上发现了3D打印的踪迹，接下来，我们要向大家介绍另外一个大公司推出的3D打印精品。

不久之前，Nike公司对外展示了其首款采用了3D打印技术制作的运动鞋，这双鞋有着非常酷的名字——蒸汽激光爪（Vapor Laser Talon Boot）。据介绍，这款鞋的鞋底主要针对美式橄榄球运动员设计，整体重量只有28.3克，在草坪场地上的抓地力表现非常优秀。另外，它还能加长运动员最初速度的持续时间。简而言之，这是一款可以赋予运动员更快速度和更大力量的鞋。

图1-33所展示的便是Vapor Laser Talon Boot，整个鞋底都是采用3D打印技术制造。根据Nike公司的官方介绍，这款鞋整个鞋底结构非常华丽，并且带来了相当优异的性能。通过采用3D打印技术，不仅减轻了鞋底的重量，而且还减少了加工成型的时间。Nike公司还表示，由于Vapor Laser Talon Boot的成功，他们将会在其他产品的鞋底生产中也加入这种技术的使用。

1.3.4.3　情人巧克力

英国埃克塞特大学（University of Exeter）的研究人员去年展出过一款新奇的打印机——3D巧克力打印机，该打印机可以根据使用者自身的喜好，制作各种外形的专属巧克力。目前该套设备已经商业化成功，并已经上市销售，但其售价却高达2500英镑（约合24700元人民币）。

据研究人员介绍，3D巧克力打印机的工作原理同普通喷墨打印机非常类似，在打印物体时也需要经过扫描、分层加工和成型等步骤。不过，它的特点是采用断层逆扫描过程，因而使用者可根据目标物体的常规结构，分层扫描并打出各个部分。也就是说，使用者可根据自身喜好，随意设计巧克力形状，并将其打印出来（图1-34）。

这套3D打印机发明者将其命名为Choc Edge，目前Choc Edge的销售主要是通过eBay等线上渠道，全球各地的一些零售商也都表示出了浓厚的兴趣，包括英国最大的巧克力生产商桑顿斯（Thornton's），也公开表示对这套新奇的设计兴趣十足。但因零售价过高，目前还很少有个人用户去购买Choc Edge。

Choc Edge的原型机虽然在2011年便已被推出，但由于实际运行中存在着一些问题，因此没有公开发售，经过一年多的改进优化，如今产品已日趋成熟。研究人员表示，他们对Choc Edge进行了许多的改进，并且对机器操作程序进行了简化，这样用户在上手操作的时候会更加方便。如今，用户只需融化一些巧克力，装进打印机中的储存器中，然后就可以坐等自己的3D巧克力慢慢打印出来。

在已有的3D打印技术中我们都是通过连续的创建物理材料层，来完成三维形状物体的打印制作的，目前这种技术多被应用于生产塑料、金属制品等领域，将其应用到生产制作3D巧克力尚属首次。研究者称，“这项发明的独特之处在于，用户可随意设计巧克力的形状。不管是孩子所喜欢的玩具形状，抑或者是好友的笑脸形状，Choc Edge都可以办到。同时，考虑到我们使用巧克力作为原材料，在操作过程中就不会存在浪费现象，所有喷洒出来的巧克力都是可以食用的。”

这项发明在研究的过程中也遇到了很多挑战，因为巧克力毕竟不同于塑料及金属材料，其在输入和输出进行打印的时候，需要考虑到巧克力的热度和黏稠度，并且要计算得十分准确。英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）的行政总裁戴夫·戴普利（Dave Delpy）就表示：“这项充满想象力十足的发明十分了不起。同时，这也是创造性研究能够转化成商机的又一个很好的例证。”

1.3.4.4　3D打印汉堡包

一家名为现代牧场（Modern Meadow）的美国公司，多年来一直致力于推进3D打印中的一个技术分支——3D生物打印技术（3D Bioprinting）。这项新技术不同于我们前面介绍过的标准3D打印。虽然说传统的3D打印技术如前面所介绍，也是可以用来打印巧克力这类食物的，但过程和标准3D打印技术一样，都是先融化再凝结。但现代牧场的3D打印机则不同，并且使用的是听起来更加怪异的材料——“生物墨水”。

通俗点来讲，要打印活的细胞，工程师就需要先在动物身上进行活组织切片，采集到需要的干细胞。由于干细胞本身的特性，不仅可以生长为其他的细胞，还能进行自我复制。所以，一旦它们复制生长了足够长的时间，工程师们就可以把它们装进用于打印的材料盒子里，创造出一种“生物墨水”。这种生物墨水由很多活的细胞所组成，当用于打印时，这些活的细胞就可以连接在一起形成新的组织。

这个生物打印的过程非常类似于打印用于移植的人造器官，在其他多个章节中也都有相关的介绍。目前，现代牧场的研究人员已经使用他们的3D生物打印技术制作出了一个汉堡。虽然在技术上证明了肉类可以作为食物被3D打印出来（图1-35），但是现代牧场接下来仍然面临着许多大的障碍，先不说口感如何，要说服人们改变习惯吃实验室培养的牛肉，恐怕就是一件非常困难的事情。另外，一个最重要的问题是成本，现代牧场的一个汉堡包或牛排的价格目前还是个天文数字。譬如，BBC报道的荷兰的马斯特里赫特大学的研究人员组做的动物干细胞培养，来制作人工肉，如果目标是做一个汉堡的量，那么这个过程中各种成本加起来，会使一个汉堡的价格高达30万美元。

根据刚才所描述的情况，可以看出3D打印汉堡这个想法现在看起来还非常疯狂而愚蠢，但确有许多著名的投资人愿意为其前景纷纷投资支持，比如Facebook的早期投资者Peter Thiel，他便给现代牧场投资了35万美元。虽然花费十分昂贵，但如果考虑到它还处于技术的早期，更何况研究人员已经成功证明了3D打印可食用的“合成肉”的技术可行性，所以说很多新技术就是这样，谁也无法预测突然哪一天，它就真的派上了大用场。

3D打印机的名称源自于英文“3D Printers”，是近年来该类设备的生产商针对消费者市场创建出来的一个新名词，在专业技术领域则一直被称为“快速成形技术”。而快速成形技术又被称为快速原型制造技术（Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM），最早出现于20世纪80年代后期，是一种基于材料堆积思想的高新制造技术，被公认为近三十年来制造领域的最重大成果之一。

这里需要先说明的是，快速成形技术并不是某项单一的技术，它集成了包括机械工程、CAD、逆向工程、分层制造、激光、材料科学、数控等技术于一身。但是该系列技术的目的都是一致的，就是将设计模型快速、自动、直接、精确地转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零部件原型的制作、新设计思想的验证等应用提供一种高效且低成本的实现手段。简单来说，快速成形技术就是利用三维设计模型的数据作为输入源，提供给快速成型设备，设备再将一层层的材料堆积成实体原型。