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什么是三维打印？
三维打印是叠层制造技术的一种形式，它通过向物品分层添加材料来创造出实物。其原理就好像是形成钟乳石的过程。它最初被用来制造快速模型，如今应用于医疗设备、牙科器械，航空和汽车制造等行业。
有一天，你也许能在家庭办公室里用图片中的打印机（甚至是更小的版本）轻松打印出新房子的钥匙和其他三维物品。
想象一下，当你打算组装一个柜子时，你不用去商店测量它的大小以确保尺寸合适。你只需要在自己的办公室，输入需要的部件尺寸，就在那儿把它们打印出来。再想象一下，当你需要为一所学校建一个反映南北战争的立体模型时，一台打印机就可以为你制作出细致入微的士兵，大炮和树木。
三维打印（3-D Printing）技术可能比你想象的更贴近我们。三维打印使我们可以更容易、更快地生产出具有许多运动部件和复杂设计的复合物品，并且在将来可能会进入千家万户。

三维打印是叠层制造（Additive manufacturing，AM) ）技术的一种形式。叠层制造通过向物品分层添加材料来创造出实物。ASTM国际标准组织（前身为美国测试和材料协会）创造出来了叠层制造这个术语。纵观其历史，叠层制造已经有不同的名称：立体平版印刷（stereolithography)，三维叠层制造(3-D layering)和三维打印(3-D printing)。本文使用三维打印这个名称,因为它似乎是描述AM产品最常用的术语。
在溶洞中，我们可以看到AM技术的一些基本原理；几千年来，滴落的水滴沉淀下一层层的矿物质，最终积累成石笋和钟乳石。不同于这些自然的过程，三维打印的速度更快，并且遵循计算机软件所提供的预定计划。计算机指示三维打印机按照最终物品的每一个横截面精确添加新的层。
叠层制造，特别是三维打印技术正稳步发展着。这一技术最初被用来制造快速模型（fast prototype），如今应用于医疗设备、牙科器械，航空和汽车制造行业。三维打印还跨行进入到玩具、家具制造，艺术和时尚。本专题将着眼于三维打印的广阔范围，介绍其历史、技术和广泛的用途，包括在家里打印自己的三维模型。
首先，让我们来看看三维打印技术是如何开始的以及它在今天的发展。

三维打印发展史
早在20世纪90年代初，美国麻省理工学院和“3D系统”公司就各自开发了三维打印系统。虽然到今天，三维打印在制造业领域仍然是新兴产业，但它在各个方面都不断地提高着，产品也越来越丰富。
叠层制造的最初应用是在20世纪80年代末到90年代初，它是实现快速成型（rapid prototyping，RP）技术的手段之一。模型使制造商有机会更近距离地检查物品的设计，甚至在生产出成品之前对它进行检验。快速成型技术使制造商生产模型的速度远远超过从前。他们往往在构思出新设计的几天内，有时甚至是几个小时内就做出样品来。所谓快速成型技术，就是设计师先使用电脑辅助设计（CAD）软件创建模型，然后机器依据软件的模型确定如何制造出目标物体。其中，通过分层“打印”截面创造物体的方式称为三维打印。

最早开发三维打印技术的是美国麻省理工学院（MIT）和一家名为“3D系统”（3D Systems）的公司。早在20世纪90年代初，MIT就开发出一种注册商标为“三维打印”（官方缩写为3DP）的工艺。截至2011年2月，MIT已经授予六家公司使用和改进其3DP工艺的许可。
“3D系统”公司，位于南卡罗来那州的罗克希尔（Rock Hill），自1986年成立以来，已率先使用了各种三维打印方法。它甚至给一些技术注册了商标，如光固化立体造型（stereolithography apparatus，SLA）和选择性激光烧结（stereolithography apparatus，SLS）。虽然MIT和3D系统在三维打印领域依然保持着领导者地位，其他公司如Z Corporation, Objet Geometries和Stratasys 也把以AM技术为基础的创新产品推向了市场。
如今，作为快速成型技术的一部分，一些相似的三维打印技术被用来建造成品。从机器能够打印出的细节的完美程度，到打印完成后对物体的清洁和表面处理所花费的时间，三维打印技术在各个方面都不断地提高着。三维打印的速度越来越快，材料和设备越来越便宜，并且能够使用更多的材料，例如金属和陶瓷。如今的打印机大到如一辆小型汽车，小到如一个微波炉。
三维打印和其他种类的AM技术在制造业领域仍然是新兴产业。叠层制造常常被拿来与另一种常见的，称为计算机数控（CNC）加工的制造技术作比较，甚至相互混淆。然而，CNC与AM技术恰恰相反。CNC加工是从预制的模块中移除材料，直到成品成形，就像将石头变成雕塑一样。

直接三维打印和粘合剂三维打印
就像平面打印机一样，直接三维打印通过喷头来来回回的运动，把打印材料叠加起来。而粘合剂三维打印不仅更快，而且可以混合多种材料和颜料。
直接三维打印（direct 3-D printing）是实现三维打印的一种技术手段。直接三维打印使用了我们通常使用的喷墨技术，这种早已应用在平面打印上的技术在二十世纪六十年代就已面市。三维打印机和平面喷墨打印机很像，它的喷头来来回回移动，把墨水喷洒出去。然而与平面喷墨打印机不同的是，三维打印机的喷嘴或者印刷版面能够上下移动，使材料能够多层次地覆盖同一表面，而且这些打印机并不需要传统意义上的墨水，它们把蜡和塑胶聚合物混合堆积在一起，这些物质在凝固之后，会成为正在被打印的三维物体表面的新截面。

光固化打印和烧结式打印
光固化是三维打印技术中的一种，它借助紫外线激光束使液态塑料凝固成形；烧结工艺首先要熔化并融合原料粒子，然后把这些物质打印在物体表面，形成一个个连续的横截面，能达到很高的制造精度。
　　
光固化（photopolymerization）是三维打印技术中的一种，它借助紫外线激光束使液态塑料凝固成形。Photopolymerization这一术语的意思是光以及聚合物，用来描述形成这种固体塑料的化学组成。
在21世纪初，皮埃蒙特三合会先进制造中心（Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing，PTCAM）与一些学校和企业合作，在北卡罗来纳州（North Carolina）提供金属加工技能方面的操作培训。 在PTCAM中的一些培训项目里，包含光固化成型技术（stereolithography apparatus，SLA），它应用于三维打印系统中。SLA设备利用光固化原理，可以引导激光束穿过那些液态塑料槽。这种液态塑料是一种被称为光聚物（photopolymer）的材料。和喷墨式三维打印机一样，SLA设备重复自己的制造工序，用激光照射每一层，直到打印过程完成。

烧结工艺是另一种叠层制造技术。这种处理方法首先要熔化并融合原料粒子，然后把这些物质打印在物体表面，形成一个个连续的横截面。选区激光烧结（SLS）是三维打印中用到的一种烧结方式。SLS依靠一束激光去熔化一种阻燃性的塑料粉末，当它们凝固后就会形成打印层。这和平面打印的原理相似。平面打印机会熔化色粉，然后让它们附着在纸张上形成图像。
烧结工艺天然地和金属物件的加工工艺相似，因为在金属的加工制造过程中往往需要熔化和重塑过程。“LaserForm™ A6 metal”三维打印系统就是把金属作为烧结材料的一个典型例子。相对于其它方式生产出的物件，比如用压铸法生产的物件，由 LaserForm A6 生产的物件有一些优势。其中最大的优势就是SLS能够达到很高的加工精度。
目前为止，我们纵览了三维打印是如何发展的以及三维打印中4个广泛采用的技术。接下来让我们详细了解一下打印三维物体的大概过程。无论我们用哪一种方法来打印实物，这个过程都是适用的。

三维打印的过程
总体来说，无论三维打印机使用何种方法，它的打印过程通常都是相同的，一般可以分为八个步骤。

总体来说，无论三维打印机使用了何种方法，它的打印过程通常都是相同的。Ian Gibson、David W. Rosen和Brent Stucker出版了《叠层制造技术：直接数字制造的快速成型》（Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing）一书，其中列出了叠层制造（AM）过程中通用的八个步骤：

第一步：计算机辅助设计（CAD）——用CAD 软件建造一个三维模型。此软件通过使用某些材料的科学数据，建造出一个虚拟模型，从而预测打印出的物体在不同的情况下将怎样运作。此外，通过这种方法，该软件能为成品结构的完整性提供一些线索。
第二步：转到STL——从CAD制图转换到STL模板。STL是标准镶嵌语言(standard tessellation language)的英文缩写，STL是1987年为三维制造系统开发出的文件格式，供立体光固化成型（stereo lithography apparatus，SLA）设备使用。
第三步：转到AM机器和STL文件处理——AM的使用者将STL的文件拷贝到计算机中，由计算机控制三维打印机工作。在这里，使用者能够指定打印尺寸和方向。这和你用平面打印机进行双面打印或调整横纵方向一样。
第四步：设置机械——对于怎样为新的打印工作做准备，每一台机器都有它独特的需求。这不仅包括填充聚合物、粘合剂和打印机所需要的其他材料，同时也需要安装一个托盘作为基础，或者使用一种能够建立水溶性支撑结构的材料。
第五步：建造——让每台机器都做它自己的工作；建造过程几乎是自动化的。每一层通常是0.1毫米厚，有时也会厚一点或薄一点。这取决于物体的大小，使用的材料和打印机本身。建造过程可能会持续数小时甚至数天。在这个过程中要定期检查进度，确保无误。
第六步：移出——将打印好的产品（或一些情况下的多个产品）从机器里取出来。这时要采取相应的保护措施以避免对人身造成伤害，例如戴上手套是为了远离高温的表面或者有毒的化学物质。
第七步：后期加工——对许多三维打印机打印出的产品需要做一些后期处理，包括了刷去所有的残留粉末，或是冲洗产品以除去水溶性的支撑结构。由于一些材料需要时间硬化，所以刚打印出的产品在这个环节是十分脆弱的。因此我们要倍加小心以确保它不被损坏。
第八步：应用——使用这一打印产品。

三维打印的成本
自诞生之日开始，三维打印就是一项耗资巨大的技术。但随着技术的推广和进步，三维打印的成本和产品的价格也越来越低。
自诞生之日开始，三维打印就是一项耗资巨大的技术。早先在文章里提到的PTCAM's SLA，成本超过了25000美元；每加仑液体塑料也价值大约800美元。有这种器材的组织可以向外界提供三维打印服务，或是把设备租给某些公司。

三维打印促变革
在今天的工业生产中，越来越多的制造者们依赖三维打印制造零件和模型，而其他的行业对此也跃跃欲试。甚至在艺术和家具行业中，三维打印也有妙趣横生的应用。
　　
图片说明：PTCAM运用三维打印技术制作的发动机歧管模型

如果在网上搜索“三维打印”的相关信息，你就会发现这项技术的推广程度正以几何数字增长。其中的一个重要原因是，在今天的工业生产中，越来越多的制造者们依赖三维打印制造零件和模型。例如，在汽车工业中，设计师在设计新的零部件时已经习惯于使用三维打印技术来制作快速模型。上图所示即为PTCAM运用三维打印技术制造出的汽车歧管模型。通过此视频连接可以观察到此模型的立体结构：short video。
另一个重要原因则是，工业生产以外的很多新兴行业也开始在他们的专业领域中尝试运用这项高科技。例如，旧金山的假肢订制企业CA正应用三维打印技术制作独特的假肢覆盖物。同时他们也在尝试用这项技术制造完整的假肢。如果能够成功，那么这种新的假肢比用传统方式制造的更便宜，而且可以让使用者放心地机洗。类似的，沃尔特•里德陆军医疗中心(Walter Reed Army Medical Center)运用三维打印技术制造的人体模型可以为外科医生做面部整形手术提供帮助。

家用型三维打印
或许在不远的将来，普通家庭也负担得起三维打印的费用，到时我们就可以定制自己需要的物品了。如今，一些公司正在致力于开发家用型的三维打印机。
既然你对常规的三维打印技术已经有所了解，同时也知道了不同产业是如何应用这些技术的，你可能会好奇，什么时候自己也可以打印一个定做的电脑鼠标、给孩子的玩具卡车或是办公室里的完美工具箱。正如我们所看到的，三维打印很昂贵，不管是在机械还是材料方面，都是如此。但是像3D Systems公司的V-Flash这样的产品，正在为公众能购买的家用型三维打印机铺平道路。这种V-Flash个人三维打印机重量在150磅以下，能够建造长9英尺6英寸、宽3/4英寸、高8英寸（长228毫米，宽171毫米，高203毫米）的物品，而且它小到可以放在办公桌上。V-Flash打印机售价9900美元，这一价格比当前市场上的其他三维打印机更有吸引力。V-Flash打印机的打印材料是一种叫做薄膜转移树脂的耐用塑料（film transfer resin，FTI），这种材料每1.8千克卖850美元。除了材料，你还要搭建衬垫，作为打印机打印第一层的起始表面。衬垫成本约为95美元一套，包括20个衬垫。

用三维打印的糖支架制造人工肝脏
在美国的一支研究团队用糖建立了血管支架之后，研究人员即将造出人造肝脏。
图片说明：科学家设法使细胞在工程组织里存活
科学家花了很长一段时间研究如何用三维打印机打印细胞和血管，他们尝试着将人工细胞一层层垒起来建立组织。但那些在人造结构上的细胞常在组织成型前就夭折了。尽管如此，这项通过三维打印机把糖作为建筑材料的技术，总有一天会被用于器官移植。《自然•材料》（Nature Materials）杂志报道了这项研究。
克里斯多夫•陈（Christopher Chen）博士是实验室里的首席科学家。该实验室的科学家之一，来自宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的乔丹•米勒（Jordan Miller）博士说：“要建造大型的人造组织，最大的挑战是如何保持那些工程组织里细胞的活性，因为当你将很多细胞放在一起时，它们只能从邻近的细胞吸收营养和氧气，很容易窒息而死，而人体的心血管系统（即血管）借助于天然的细胞和组织解决了这一问题。为了攻克这个难关，一批来自宾夕法尼亚大学以及麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的科学家，决定建造一个人工血管系统——为人造血管提供场所。

定制宠物,只需按下“打印”键
在不久的将来，定制宠物或将成为可能。
这篇新闻是《经济学人》在3月31日发布的“新闻”，虽然是为了愚人节而发布的“娱乐新闻”，却着实吸引眼球，也反映出3D打印技术的一个研究方向。“打印宠物”的创意可谓是近年来继克隆、人工器官等科技后的又一个奇思妙想。它效仿现实生活中的打印机，将墨水换做细胞，构想出打印3D宠物的想法。这样的创意光是想想就十分令人兴奋，加上文章对打印机原理的阐述，让人相信这种想法很有可能实现。就让我们期待吧！

= =复制机

好酷酷~`