第1章 3D打印基础知识

1.1 3D打印与人们的衣食住用行

3D打印技术诞生于20世纪80年代。从历史上看，3D打印技术（快速成型技术）的核心思想最早起源于19世纪的照相雕塑（Photocsculpture）技术和地貌成型（Topography）技术。由于近几年来互联网和创客运动的推动，使得3D打印的“软件核心”——“数字模型”得以高速发展，再加上劳动生产力进步和技术的革新，使得3D打印机的成本不断下降，3D打印的“硬件基础”已经成熟，这项有着30多年历史的神奇技术终于变得易用和大众化。

3D打印走进人们的生活，首先改变的是与人们息息相关的“衣、食、住、用、行”。

1.1.1 3D打印与服装

在服装设计中，3D打印技术可以被用在那些漂亮且独具功能的部分。自从2010年，荷兰设计师伊里斯·凡·赫本在阿姆斯特丹时装周上首度发表3D打印服装之后，3D打印的服装就开始不断涌现。

以色列申卡尔设计与工程学院学生Danit Peleg设计了一系列3D打印的服装，将科技与艺术完美地结合在了一起。模特穿上用网状打印材质制成的全套服装走秀，只在透视装中加了内衬，整个制作过程花费了超过2000h的时间，需要使用软件打印出A4纸大小的材料（见图1-1），设计师用胶水把各块材料粘在一起，代替了传统的针线缝合。

2013年，具有“缪斯女神”之称的蒂塔·万提斯在曼哈顿出席一个私人走秀活动时身着一身尼龙网格礼服。礼服设计师Scott认为，3D打印技术对时尚市场有着极大的影响潜力，是一个将手工业与时装设计相结合的契机，一旦3D打印机能够满足时装制作的所有要求，人们只需要站在房间里进行3D扫描，一件衣服就做成了。

礼服设计师首先利用万提斯的三维扫描尺寸设计出一个3D模型，再根据草图，用Maya（玛雅）软件画出图样，运用Rhino（犀牛）软件将2633个独立的环或线相连接，由EOS P350激光3D打印机打印的17个部分手工拼接而成的3D打印尼龙网格礼服，如图1-2所示。

在2013/2014高级女装秋冬时装秀场上，荷兰80后年轻设计师艾里斯·范·荷本展现了一组运用3D打印和激光切割等高新技术设计制作的作品。

2015年年初，来自荷兰的时装设计师Irisvan Herpen在巴黎时装周上发布了她的2015春/夏时装系列，以成年（Grown）为主题展示了她的3D打印服装及配饰——磁力运动系列时装。图1-3所示为荷兰设计师设计的3D打印服装。

3D打印与新材料、计算机的结合，给服装带来了新的吸引力和神秘感，也给时装界带来了无缝成衣的可能。在未来的5到10年，或更短的时间里，设计师们不必再为选择服装材料而头疼，也不必再斟酌一件衣服需要用何种剪裁方式，他们只需尽情地将自己的设计想法通过计算机画出来，选择所需面料，之后将制作服装的任务交给一台3D打印机即可。

1.1.2 3D打印与食品

在食品加工业，3D打印技术悄然带来了一场变革，改变着人们对加工食品的看法，颠覆着传统餐饮业。不久的将来，人们吃的肉类甚至都可以用3D技术进行打印。

李嘉诚基金会旗下的维港投资向美国纽约科技公司ModernMeadow投入1000万美元，用于研发培植细胞，用3D打印制造皮革、牛肉等技术。Modern Meadow公司能够通过3D打印技术在实验室里培养出猪肉、牛肉等畜肉以及真皮皮革。该公司CEO曾表示，公司存储并用于“酿造”皮革和畜肉的细胞是通过小型活组织切片获得的，这不会伤害或杀死动物，这样不仅能够满足人类对于动物蛋白质的需求，还很环保。美国宾夕法尼亚大学一位研究员介绍，利用糖、蛋白质、脂肪、肌肉细胞等原材料打印出的肉具有和真正的肉类相似的口感和纹理，做成的鲜肉特别有弹性，而且烹饪后肉质松散有嚼头，丝毫不逊于真正的肉，含有真正肉类所含的营养元素。如图1-4所示，Modern Meadow公司的CEO在发布会上试吃这种3D打印人造肉。

美食和3D打印科技的结合，使食物焕发出另一番风采。虽然做一盘麻辣豆腐还是有点困难，但是能“做菜”的3D打印机却已经实实在在地出现在人们面前了。

1.1.3 3D打印与建筑

3D打印在建筑业方面最直接的应用为沙盘模型。为更好地表达设计意图和展示房屋结构，建筑模型是必不可少的，而3D打印建筑模型更直观、更立体，可以表达更复杂的结构。

3D打印技术还可以直接应用在房屋的建造上面。3D打印房屋的概念是在2012年10月3D打印展上提出的，最早并非采用固体墙壁建造，而是在骨骼基础上建造纤维尼龙结构。它被命名为“打印房屋2.0”。2013年2月，英国伦敦Softkill Design建筑设计工作室建立了一个3D打印房屋概念，概念中借助传统的建造技术，用尼龙搭扣或者像纽扣一样的扣合件起到固定作用。

自从3D打印房屋概念提出之后，全球的建筑师团队开始向这个梦想迈进。建筑师根据计算机绘制的方案，先操作3D打印机使用不同的塑料和木质纤维来制造建筑外墙，然后是天花板和房间的其他部分，之后是房屋的家具，最后像乐高玩具那样把不同部件进行装配。

2014年4月，国内首批3D打印建筑亮相上海张江高新青浦园区，这10幢外表有着纹理的房子，并非由工人一砖一瓦砌出来的，而是由3D打印机打印出来的。这些打印的建筑墙面是用建筑垃圾制成的特殊的“油墨”。这里的油墨是由沙石改良的水泥以及玻璃纤维制成的一种新型的石材。图1-5所示为上海的3D打印房屋。

1.1.4 3D打印与家庭应用

3D打印机在日常家庭生活中也开始被应用。例如，家里的电器旋钮坏了，而生产商没有相应的配件，甚至根本找不到生产商，这时3D打印机可派上用场。只需要在网上下载一个或者自己设计喜欢的旋钮的模型导入3D打印机，然后把模型打印成实物即可。

3D打印机可以打印任何想要的东西，如个性化的眼镜框、圣诞装饰品、礼品、智能手机壳等。

在孩子的成长过程中，父母经常为买什么样的玩具而烦恼。而3D打印玩具，可以给孩子独一无二的选择。传统的玩具孩子玩久了，清洗困难、不卫生。有些玩具有尖锐的棱角或者玩具材料本身有害，不利于孩子的健康。这些问题在3D打印玩具面前全部迎刃而解。3D打印玩具采用环保材料打印，而且打印出来的产品表面均匀、细腻。玩具整体较轻，孩子可以轻易拿动，父母想清洗或者消毒也非常方便。图1-6所示为中望全球设计大赛中获奖的，来自新加坡的IT工程师Tan的作品——火车玩具。Tan表示，这个就是专门为自己孩子设计的。

1.1.5 3D打印与交通出行

3D打印技术已经影响到了大众出行的交通行业。3D打印汽车是指应用3D立体打印技术生产的汽车，既耐用又环保时尚。2013年2月，世界首款3D打印汽车Urbee 2面世。它是一款混合动力汽车，绝大多数零部件来自3D打印，如图1-7所示。

在一些汽车企业里，3D扫描、3D打印已经应用在前瞻的研发环节，大幅加快了新车开发。例如，通用汽车前瞻技术科研中心每年需要制作大量概念车，过去制作一台概念车需要几个人花几个月才能完成，现在概念车的制作利用3D技术打造，只要完成3D打印文件的设计，传输到3D打印机进行打印即可，一两天内就可以看到非常精确的实体。

一旦3D打印技术大量使用，在汽车生产环节，传统制作模具的方式就可以被完全替代，生产周期和成本有望大幅下降。在新车量产前，开发大量模具耗时、费钱，而如果利用3D打印制作模具，则可以使汽车制造工艺做到又快又好。

有了3D打印技术，汽车企业也可以考虑客户的个性化需求。例如，消费者希望新车门把手与众不同，这样的需求对于普通的工厂是不可能满足的，因为制作一个新把手就要开个新模具，其成本较高。如果能够利用3D打印技术，就可以节省大量的成本。