書吧：3D列印從想像到現實（美：胡迪·利普森）
3D列印的十大優勢
寫這本書時，我們就3D列印前景採訪了一些人，發現了一些即將顯現的潛在優勢。來自各個行業、具有不同背景和專業技術水平的人用類似的方式描述，3D列印幫助他們減少主要成本、時間和複雜性障礙。
我們將獲取的信息歸納為十項優勢，希望能幫助一些個人和企業充分利用3D列印技術。
優勢1：製造複雜物品不增加成本。對3D印表機而言，製造一個華麗的形狀複雜的物品並不比列印一個簡單的方塊消耗更多的時間、技能或成本。製造複雜物品而不增加成本將打破傳統的定價模式，並改變我們計算製造成本的方式。
優勢2：產品多樣化不增加成本。一台3D印表機可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。3D列印省去了培訓機械師或購置新設備的成本，一台3D印表機只需要不同的數字設計藍圖和一批新的原材料。
優勢3：無須組裝。3D列印能使部件一體化成型。它通過分層製造可以同時列印一扇門及上面的配套鉸鏈，不需要組裝。省略組裝就縮短了供應鏈，節省在勞動力和運輸方面的花費。供應鏈越短，污染也越少。
優勢4：零時間交付。3D印表機可以按需列印。即時生產減少了企業的實物庫存，企業可以根據客戶訂單使用3D印表機製造出特別的或定製的產品滿足客戶需求，所以新的商業模式將成為可能。如果人們所需的物品按需就近生產，零時間交付式生產能最大限度地減少長途運輸的成本。
優勢5：設計空間無限。傳統製造技術和工匠製造的產品形狀有限，製造形狀的能力受制於所使用的工具。例如，傳統的木製車床只能製造圓形物品，軋機只能加工用銑刀組裝的部件，制模機僅能製造模鑄形狀。3D印表機可以突破這些局限，開闢巨大的設計空間，甚至可以製作目前可能只存在於自然界的形狀。
優勢6：零技能製造。傳統工匠需要當幾年學徒才能掌握所需要的技能。批量生產和計算機控制的製造機器降低了對技能的要求，然而傳統的製造機器仍然需要熟練的專業人員進行機器調整和校準。3D印表機從設計文件里獲得各種指示，做同樣複雜的物品，3D印表機所需要的操作技能比注塑機少。非技能製造開闢了新的商業模式，並能在遠程環境或極端情況下為人們提供新的生產方式。
優勢7：不佔空間、便攜製造。3D印表機調試好後，列印設備可以自由移動，印表機可以製造比自身還要大的物品。較高的單位空間生產能力使得3D印表機適合家用或辦公使用，因為它們所需的物理空間小。
優勢8：減少廢棄副產品。3D列印製造金屬時浪費量減少。隨著列印材料的進步，「凈成形」製造可能成為更環保的加工方式。
優勢9：材料無限組合。隨著多材料3D列印技術的發展，我們有能力將不同原材料融合在一起。以前無法混合的原料混合後將形成新的材料，這些材料色調種類繁多，具有獨特的屬性或功能。
優勢10：精確的實體複製。數字音樂文件可以被無休止地複製，音頻質量並不會下降。未來，3D列印將數字精度擴展到實體世界。
輪胎也可以列印了
據說，科幻小說作家保羅·安德森曾經說：「任何問題，無論多麼複雜，當你以正確的方式看它的時候，不會變得更複雜。」預測未來的3D列印產品和服務市場同樣是一項艱巨的任務。要為客戶提供又好、又快、又便宜的產品或服務的潛在的新商業模式，這種模式很難用三言兩語解釋清楚。
想像一下，如果汽車修理工決定冒險進入一個新的領域：3D列印輪胎。由於汽車輪胎是一個典型的、大規模生產的產品，這對他來說是一個大膽的商業戰略。他將在汽車修理店內油乎乎的彈簧吊架上安裝3D印表機，生產高級的、耐用的橡膠輪胎。
假設他的第一個商業模式是製造和銷售3D列印與庫存輪胎品牌相同的輪胎。對於熟悉3D列印的人來說，這聽起來並不明智。
結果是令人失望的。如果他複製大型輪胎零售商的設計，他的3D列印輪胎會一樣普通和沒有靈魂，而且造價更高。經歷挫折的汽車修理工最終會明白，規模經濟是無情的。購買3D列印輪胎將增加消費者的成本（不便宜），現場定製和3D列印輪胎的時間比他從自己的庫房中取出大規模生產的四個名牌輪胎的時間還要長（不快）。確實，3D列印輪胎在設計和質量上很出色，但是如果只有質量，企業難以維持下去。
最後臨近破產時，這位汽車修理工坐下來開始反思。他修改過的商業模式將不再依賴於大規模生產的效率，相反，他新的3D列印輪胎業務將為那些願意花更多錢定製設計輪胎的客戶提供產品。
較之於向輪胎專家訂購一系列的定製輪胎，他的3D列印輪胎更便宜，而且生產周期相對較短。與現場或者庫房裡那些通用型品牌輪胎相比，他的3D列印輪胎具有不可比擬的優點。
不像一般的輪胎，定製的列印輪胎可以小批量生產。這些定製的輪胎可以設置客戶自己名字的花紋，這樣在沙漠或者雪地里行駛可以留下個性化的輪胎痕迹。像滿足虛榮的車牌市場一樣，一些客戶將為了自己的標新立異買更貴的輪胎。可以想像營銷和品牌推廣的可能性，富裕的大學可以出售印有學校鐘塔的輪胎給那些忠誠的校友。
因為小城鎮的地方市場比較小，上門的客戶不多，所以為了持續經營，這位汽車修理工將利用網店向全球市場銷售他的產品。客戶可以瀏覽輪胎設計，或者上傳他們自己的輪胎設計。為了節省運費，他可以與不同地方的汽車修理工溝通，委託他們在當地列印定製輪胎。
先不提裝飾，定製輪胎可以藉助3D列印提高產品質量。經過特別設計的3D列印輪胎能夠利用計算機演算法，根據當地的氣候為汽車提供適當的摩擦力。某些車型的車主能夠通過定製輪胎改善汽車的外觀，並降低發生意外的概率。未來的設計師可能會拿出新穎的輪胎設計方案，以提高輪胎的滾動效率或耐磨性。
確實，要想盈利，這家新一代的輪胎製造商將為3D列印的定製輪胎制定遠高於普通輪胎的價格。但是如果有足夠的消費者願意為獨創的、品牌的、能夠提供最佳性能的輪胎支付高價，銷售3D列印輪胎將是很好的商業模式。
雲製造：像螞蟻工廠
由3D列印技術和新型設計技術推動的未來商業模式之一將是雲製造。雲製造是一種替代大規模生產的方案，由小規模、分散式節點組成。
我們正處在一個龐大的、互聯的、分散的互聯網系統時代的黎明時期，我們有大數據、大企業、龐大的財務網路遍布全球，我們有複雜的經濟生態系統，連泰國的季風都會影響布魯克林區小企業的存亡。
電話網路曾經呈現大型化、集中化的特點，但其便利性卻大打折扣。今天，世界上大約60％的人都擁有手機。每部手機都很小巧，但如果世界各地數十億部手機連接成分散式的全球網路，將可以合併成一個革命性的、強大的系統。像數十億部手機一樣，製造業有朝一日也會形成數百萬小型自動組織的生產節點。
3D列印是雲製造的催化劑。雲製造將成為一個由小型製造業企業組成的超大規模網路的分散式系統。維基百科對雲製造是這樣定義的：「具有各種製造資源和能力，可以智能檢測並聯結更廣泛的互聯網，具備自動管理和控制能力。」
克里斯·安德森在他的代表作《長尾理論》中將這種集中模式描述為「背著擴音器的螞蟻」。直到互聯網提供了一個全球性平台，個人的聲音才能被聽到。現在，3D列印技術將帶領製造商、消費者和小公司進入螞蟻工廠。
每個單獨的製造節點都是自主的，而且是互聯的。製造商可以根據項目的特別需求，構建或者重構一個臨時的集合。經濟規模將不再決定商業模式，因為每部分的成本相同，不論是生產1個還是1萬個。每家公司都具備多種技能，能在短時間內按要求製作出各種不同的產品或零件。有時候節點會資源共享。
雲製造將通過降低市場門檻的方式推動創新。創新在軟體業迅速繁榮，因為虛擬世界的成本比現實世界中低得多。軟體產品無須實際盤存，無須原料，對物流運輸與安裝的要求也很低。
未來有兩種場景。
首先，假如你後天需要1萬個訂書機，你把設計文件和訂單提交到製造雲。幾千個小公司和個人開始響應，這些小公司或者個人用一台（或兩台）3D印表機可以列印出一堆訂書機並運送給你。等一等，較之於大規模生產1萬個訂書機，這樣的模式並不具備成本效益。雲製造對於簡單的商品沒有任何意義。在一家工廠幾個小時內大規模生產1萬個同樣的訂書機會更加經濟和快捷。但是，如果你今晚就需要定製一輛摩托車呢？你同樣依靠製造雲。雲製造會根據定製部件列印任務自動匹配數千家公司，公司完成任務後還會運送給你。第二天早上當你醒來，你的門外突然出現一輛有著1000個零件的定製摩托車。
你使用雲計算時，你並不知道雲計算在哪裡。基於雲的資源可以擴展，還能自動平衡負載。你使用製造雲時，不必擔心產能。雲將智能地在網路上分配生產和協調各公司，成功地滿足你的生產要求。你只需準備好訂單，然後點擊「提交」。
每個雲製造商可能很小。然而，就像數十億的手機或螞蟻工廠一樣，合併後的整體效能將大於每部分之和。
基本列印製造過程
3D列印的本質是製造過程而不是列印過程，這也是當我們聽到跨國公司ABC成像公司將3D列印加入其服務範圍時便十分好奇的原因。為了解更多，我們聯繫了負責ABC成像公司3D模型和快速成型業務的約翰·T·李，他邀請我們去ABC成像公司位於華盛頓的總部參觀，以了解3D列印的過程。
「ABC成像公司是應客戶要求才進入3D列印領域的。」約翰告訴我們。多年來，公司一直從事紙質藍圖的列印和其他列印產品，現在的客戶都喜歡三維產品。約翰說：「我們為建築工程公司製作建築模型和產品原型，我們的客戶希望可以將有形的、可傳遞的實物展示給其客戶。」
在介紹完後，約翰帶我們到了ABC成像公司的生產區。其主列印室有教室那麼大，裡面瀰漫著舒適的新工業氣息。
我問約翰他認為3D列印是列印過程還是製造過程，他頓了一下，回答道：「我認為『3D列印』這個名稱基本上是個營銷術語。3D列印是製造過程——它可能是一個釋放污染物的物理過程。我們在工作中會使用化學品，根據情況有時還要戴防毒面具。」
ABC成像公司擁有不同型號的工業級3D印表機，它們分散在世界各地的各家分公司。在華盛頓總部，其小型3D列印「工廠」位於主生產區的角落。
約翰負責的列印業務可在一兩天內利用高端3D印表機製造出精緻的彩色模型。根據模型的複雜程度以及客戶設計文件的類型（是粗略的、未經測試的草稿，還是無懈可擊的、可直接列印的設計），製造時間表各不相同。大多數原型列印成白色即可，但一些模型或是地圖也需要彩色列印。
在ABC成像公司的列印室里，一台方形機器放在幾台3D印表機旁邊。方形機器的前端是玻璃的，兩邊各一臂孔。在機器玻璃板的後面配有強力空氣槍。約翰向我們展示了如何將雙臂放入孔內，並用空氣槍吹散剛列印出來的物體上的粉末。在對面牆上，幾個小型的金屬池裡的溶劑正在沸騰。列印出的物體將浸在池內溶劑里，以完成表面處理並溶解掉殘留粉末。
約翰向我們展示了一個白色的帝王豪宅建築模型。豪宅前面豎立著8根立柱，構築起了一個龐大的游廊。屋頂上，精緻的欄杆環繞著雕刻成放射狀的圓頂。豪宅右側，一道蜿蜒的樓梯把遊客引向前門。豪宅屋頂露台的圍欄像蛛絲一樣細，如此精緻的建築模型是無法用注壓成型這樣的傳統塑料加工技術實現的。
3D列印身體部位
在特拉華州一所高中的畢業典禮演講中，喬·拜登描述了一個美妙的未來：「通過使用3D印表機，我們將能夠使受到外傷或燒傷的組織復原。這一目標指日可待。」
讓我們從位於生命階梯底層——替換無生命的「身體部位」，如牙冠或假肢說起。第一波3D列印身體部位的商用浪潮已經出現，這些部位就位於行走中的普通人的身體中——可能也包括你。3D列印的骨植入物、牙冠、隱形眼鏡與助聽器等無生命修復形式已經存在於世界各地成千上萬人的體內。
菲爾·里夫斯是致力於3D列印行業的諮詢公司Econolyst的總經理。據他估計，目前「全球3D列印助聽器的使用者大約有上千萬」。隱藏在病人牙齒上以矯正牙齒的隱適美（3D列印的、可定製的、透明的一次性塑料矯正器）已經取得了巨大的商業成功。據估計，目前全球3D列印牙種植體的使用數量已經達到50萬~75萬個。
與3D列印的高端鈦合金飛機部件一樣，3D列印的人體部位也意味著小批量、數字化的定製生產。3D列印牙齒、助聽器以及矯正器的過程都很相似：先對身體出現問題的部位進行掃描，再將掃描數據發送到一個特殊實驗室，在那裡這些數據被調整為可行性設計文件，最後，按照設計文件用軟橡膠、堅硬而有光澤的陶瓷或者柔軟而有彈性的透明塑料進行3D列印。
目前，3D列印身體部位採用單一的材料，如金屬、陶瓷或塑料。它們具有商業意義，因為它們的市場價值來自它們能夠與一個形狀特殊的身體緊密貼合。它們可自定義形狀、可小批量生產，對於製造商而言不存在規模經濟（可獲利），這些特徵使它們成為3D列印的完美對象。這也使過去的監管障礙變得相對簡單。與活性組織或藥物不同，在身體中植入「螺栓組件」涉及更少的健康風險，其副作用也是可以預見的。
怎樣的假肢富有吸引力？總部位於舊金山的小公司BespokeInnovations（定製創新公司）設計並3D列印定製假肢，該公司最近被3D系統公司收購。該公司的創始人之一斯科特·薩米特說：「製造假肢的方法多年來並沒有發生太大的改變：將一塊泡沫粗略削成一個人腿的形狀，然後做一個模具，把泡沫放入其中，去掉多餘部分。」假肢製造科學實現的大飛躍應歸功於醫學成像技術、設計軟體以及新材料的改進，而3D列印為截肢者和醫生帶來了全新的高度定製化。
Bespoke公司的製造過程首先是對患者「健康」的腿和他們目前的假肢進行掃描，對掃描數據建模形成設計文件，然後將「健康」的腿疊加到假腿的數字圖像上，以確保新定製的肢體能夠保持身體的對稱。當客戶選定屬於自己的獨特設計後，Bespoke公司將其3D列印出來。
Bespoke公司的在線工具（Configurator）允許客戶對一系列設計風格進行選擇，包括腿的圖案、鍍層材料以及罩面漆，通過生動的時尚賽車圖案或別緻的文身滿足並體現使用者的喜好。
使用Bespoke假肢的人的照片顯示了他們心態的轉變：過去總是隱藏他們的假肢，而現在Bespoke的客戶則是自豪地穿著他們的假肢。
3D列印幹細胞
「bionic」（仿生）一詞由希臘詞「bios」（生命）和「electronic」（電子）中的「onic」組合而成，這個詞的流行源自20世紀70年代一個非常受歡迎的電視節目，主角是史蒂夫·奧斯汀，即「仿生男人」（theBionicMan）。而史蒂夫了不起的另一半「仿生女人」（theBionicWoman）也成功地推出，並在《仿生男人》中不定期地客串。
由於在體內植入了一些非常昂貴的人造部件，「仿生男人」和「仿生女人」都有超人般的力量和激光般敏銳的頭腦。在這些節目播出的國家，播出時段幾乎所有的小孩都乖乖地守在電視機旁。
幾十年前，仿生部件聽起來很有前途。但未來仿生身體部位的概念將聽起來有點兒原始：它們容易出現故障、不能與身體充分融合，而且不能改進，這一點與目前人工置換髖關節和膝蓋的限制類似。仿生部件未來將被定製設計的3D列印組織替代。
如果塑料是行業青睞的原始列印材料，那麼幹細胞將是生物列印的寵兒。再生醫學越進步越傾向於回歸自然。組織工程學的未來在於3D列印幹細胞，經過精確配置讓它們生成活性組織。
幹細胞是人體的原始組成部分，在製造身體部位方面，它們比我們更擅長。幹細胞具有非專屬性，也就是說它們不會專門地生成身體某個部位的細胞。因此，幹細胞可以分化為人體中已發現的約210種細胞類型中的一種。從醫學角度講，幹細胞簡直就是千足金。
20世紀80年代，研究人員從未出生的胎兒身體組織上發現並提取了第一個幹細胞，引發了有關醫學倫理的爭論。此後，研究人員陸續發現了更多的幹細胞，包括一些分散在成人身體上不同部位的幹細胞。最近，研究人員發現一些已經分化的細胞甚至能夠恢復到它們分化前的狀態。
哥倫比亞大學傑里
傑里米和他的研究團隊設計了帶有細小而彎曲的微通道的置換骨，它可以促使幹細胞爬到植入物的表面，從而幫助實驗兔更快地癒合。在其他實驗中，傑里米團隊列印出實驗鼠的置換門牙，撒上幹細胞，並將置換物植入實驗鼠的口中。9周後，由於門牙具有了理想的形狀以及幹細胞的注入，新的牙周韌帶和骨骼接受了這一義齒。
無獨有偶，與哥倫比亞大學傑里
列印漢堡包、肉餅和番茄醬
即使列印最簡單的麵粉，也需要調動整個計算機控制系統。要列印食品需滿足以下幾個條件：首先是正確使用機械力，其次是精心設計數字「食譜」，最後是調整合適的食材進料順序。食材必須軟，可以從列印頭流出；食材也要硬，可以維持列印後的形狀。另外，還要考慮各種食材的固有特性、不同耐熱性和多樣烹飪方式等影響因素。
漢堡包的傳統製作工藝並不複雜。但對3D列印來說，這個簡單的漢堡包製作過程就變得複雜了，面臨著多材料食品工程的挑戰。把生碎肉列印成肉餅形狀並不難，在上面加一層番茄醬也輕而易舉。甚至將生麵糰烘烤列印成麵包至多費費功夫也能實現。食品列印的難點在於天然新鮮食材的列印。列印新鮮可口的西紅柿、洋蔥和生菜往往會把你引入工業化的食品生產加工範疇。現階段研究學者和美食家還只能設計和列印簡單的軟食物。
基本的食品列印過程是這樣的：正如所有3D列印產品一樣，儘管現在還沒有研發出類似「食品CAD」的商業軟體，食品混合物還是要先被編寫成設計文檔。食品列印愛好者從網上下載食品設計文檔，或者通過工程設計軟體自己從頭開始創建設計文檔。
RepRap（一個3D印表機原型）或者Makerbot廣受歡迎的複製印表機等市場上常用的印表機都可以用來列印義大利面一樣的塑料條。用來列印食品的印表機必須裝有特殊裝備，這樣才能處理食用原料。設計圖源代碼公開的3D印表機是滿足當前食品列印定製需求的理想工具。
大多數人將塑料印表機改裝成食品印表機的做法是：在印刷臂上安裝注射器。有些印表機還用自動活塞，用來為食品注射器施加壓力。保持壓力穩定的辦法是每次列印時都校正自動活塞，以保證合適的力度。人類廚師懂得控制烹飪中的力道。但是，食品印表機卻不懂得控制力度。
作為商業消費印表機的領航者之一，Makerbot的「複製器」如果在原有基礎上再安裝一個類似於「擠壓機」的部件，就能夠改裝成食品印表機。擠壓機位於3D印表機的內部。塑料夾牢牢地把列印頭固定在原處，使用者可以用一個旋蓋重新把生鮮食品載入到列印頭中。
通過與之相連的空氣壓縮機所產生的壓力，列印頭把食材擠出。一台擠壓機能夠承受高達100磅/平方英寸的壓強，這個壓強足夠給一個自行車輪胎打氣了。不同的食物配方需要施加不同的壓強。有時室溫也會影響食品混合物通過列印頭的流速。列印頭的大小和直徑很關鍵，太小會導致擠壓速度過慢，太大則列印出的食物表面粗糙。
即使列印頭大小合適、食材流速正常，一些生鮮食材在注射器中也不穩定。有時油會結成塊狀，或者食品混合物中的水會滲透到注射器的底部，導致列印出來的食品變形，和預期的形狀相差甚遠。
現在的3D食品列印技術還不能煎、烤或炸需列印的食材，但烘焙餅乾還是有可能的。印表機可以通過列印頭下的加熱平台烘焙餅乾。餅乾一被列印出來，加熱平台就馬上烘焙生的餅乾。
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