揭秘3D打印机的那些事儿
要说近什么话题火爆，3D打印机绝对首当其冲。这种有趣的新型设备挂着打印机之名，生产出来的东西却是五花八门——小到医疗材料、大到航空航天，3D打印机都在崭露头角，不停地创新，给人们带来了耳目一新的感觉。那么，究竟什么是3D打印机？它是怎么生产物件的呢？别急，你的种种疑问都能在下文中找到答案。
3D打印技术与传统生产技术的区别在哪？
大部分物品的生产方式都是从大到小。比如键盘，是整块塑料加工成小零件，然后再将这些零件拼装起来成为整体；芯片生产中，也是先制造好一整张晶圆，然后再将成品从晶圆上切割下来。这种传统的生产方式从古至今，一直都是人类生产产品的主流方式，但它依旧存在不少问题。
首先就是材料的浪费。从大到小，总有部分材料会成为废品被浪费，当然，生产材料、加工材料的时间、能量的消耗也不能忽视。
其次是生产规模大、生产条件苛刻。为了更有效率地从大到小生产产品，人们设计了庞大的流水线和大规模工厂，部分产品还需要专业人士额外设计模具等才能加工，无论是产品的入门门槛还是生产难度都很高。
再次，缺乏个性化。所有的工业流水线上下来的产品，外形和配置都差不多。除了上述缺点外，还有一个问题在于某些产品对生产者有较高要求，这种方式无法随心所欲随时随地制造、生产，一些形体比较复杂的产品也难以制造（比如中空产品）。从19世纪开始，就有很多有识之士开始思考生产方式的改革——既然从大到小生产存在这么多问题，那么能不能从小到大生产呢？从原料开始，一点点堆积、结合，终成为人们需要的产品。这就是3D打印技术初的思想，它隶属于快速成型技术，这个技术类别中还包含了诸如光固化立体造型、片叠加制造、熔融沉积造型等多种产品制造手段，其中火热、发展迅速的，就是今天的主角——3D打印技术。
那么3D打印机又是什么？它的发展历史中有什么有趣的故事？
所谓3D打印机，顾名思义就是能够使用3D打印技术来生产人们所需要的物品的机器。3D打印的思想在19世纪就出现了，受限于当时的技术和条件，直到本世纪80年代，3D打印技术和3D打印机才开始大行其道。不过，早期并没有“3D打印”和“3D打印机”这些名词，比如上个世纪80年代由S. Scott Crump开发成功的热熔解挤压成形设备，就是早期的采用3D打印思想的实际产品，随后人们又开发出了诸如立体光刻工艺等产品。直到1995年，麻省理工学院的两名毕业生Jim Bredt和Tim Anderson创造了“3D打印”这个专有名词，他俩受到喷墨打印机的原理影响，将原始的墨水改成约束溶剂，将打印纸改成粉末床，终确立3D打印机和相关技术。
3D打印技术整架构一览
从3D打印机被开发出来的那一刻起，这项技术就成为众人瞩目的焦点。无论是媒体还是工业界，都认为3D打印技术将成为下一场工业革命的开始。英国《金融时报》评价说：“3D打印机将像蒸汽机、内燃机和计算机一样，开创一个崭新的工业时代。”同期，美国总统奥巴马在发表2013年度国情咨文时也表示，3D打印“革新了关于制造的一切”。
3D打印机的工作原理是什么？它又是怎么工作的呢？
很多人都不太理解为什么3D能和打印机结合在一起，难道打印出来的东西是3D的吗？这种说法既对也不对。因为3D打印机每次打印出来的东西，都只是一个很薄的面（数学处理过程中可以看作二维面，但实际生产中的确是三维的、有厚度的“超薄面”，目前也有部分3D打印机不仅仅局限于每次打印薄面，也开始从3D多角度打印生产），但是在很多次累计后，很薄的面也能变成很高、很结实的物体。一句话，3D打印机的工作原理为：使用粉末状金属或者塑料等可粘合物质，通过逐层打印的方式构造物体。
3D打印机的产品思想诞生比较早，首款3D打印机的实际产品也来源于普通打印机。图为展览中的3D打印机和部分打印样品。
3D打印机的原理简单示意图，通过喷头喷出材料后，一点点、一面面累计成终的产品。
用户将打印成功的产品和设计图进行比较，从图片看来完成度确实很高。
3D打印机可以制造类似这种在之前难以生产的复杂结构的产品。
将液化食物原材质放进3D打印容器，并设定好食谱后，就能打印出相应的食物。重要的是它是可以用来食用的，如果这种3D食物打印机能普及，对许多“ 吃货”来说这可是相当大的福利。
3D打印机甚至能打印出枪支零件并组装成能够使用的枪支（组装过程仅需30秒），不过这也带来了安全隐患问题，日前有消息称有人携带3D打印枪支通过安检并成功搭乘了火车。
以常见的桌子、凳子为例。桌子、凳子在传统工业的生产中，工厂先购买木材，然后根据需要再切割木材扔掉废品，然后再对切割好的木料进行处理，后再组合、上漆形成桌子凳子。这个工程是典型的“由大到小”的生产模式。如果换一个角度来思考，如果每次都能恰如其分的生成一层薄片，然后再将这些薄片层叠、粘接在一起，也能生产出桌子、凳子，当然它们肯定不是木头的，而是塑料等可塑材质的。
由于3D打印技术涉及到计算机辅助设计、数学计算以及材料成型相关技术，目前的难度不算低。整个3D打印的所有步骤都必须在电脑和3D打印机的控制下才能完成。一般来说，如果想得到一件3D打印技术的产品步骤还是挺复杂的，通常会分为以下几步：
设计物品
使用CAD软件设计所需物件的外形和内部构造，例如AutoCAD、Pro/E、SolidWorks等。和传统生产不同的是，3D打印技术要求生成产品的实际3D模型，产品从生产到完成的过程基本都是一次成型，你想要什么样，就在电脑中设计成什么样，可谓是随心所欲。
New Balance推出了首款量产版3D打印运动鞋，采用了选择性激光烧结3D打印技术，减轻运动鞋的重量，从而令速度、平衡度及敏捷度上的性能都有大改进。
3D打印机制造的人体骨骼。目前医疗上对3D打印机的应用相当广泛。
适合家庭使用的小型3D打印机已经有厂商推出
生成打印信息
在外形设计完成后，计算机还需要对设计的物品进行分层处理。计算机会使用虚拟的平面切割物体，使其成为一片片的薄片状并提取需要的切面信息。在这个过程中，你需要考虑从什么方位开始打印产品，比如较大的面在下方、较小的面在上方。如果有空洞等组件，需要在这个阶段就考虑好空洞是否使用不同的支撑材料以保证整个打印的完整性和安全性。整个分层过程根据用户精细度需求，耗时长短不一，可以很短单精度较低，也可以时间很长但精度高达丝米（1丝米=1/10毫米）级别。
开始打印
所有设计完成后，3D打印机会根据之前用户提供的打印信息，一层一层开始打印物品。根据用户需要，3D打印机会使用多种不同的原材料（就像墨盒）来组建用户需要的产品，在打印过程中还可能使用诸如激光、高温加热等手段使材料凝固。整个打印时间根据用户产品复杂程度和精细程度而不同，精细程度越高、越复杂，时间就越多。当然，体积特别大的产品，打印起来肯定几位耗费时间，甚至比使用传统手段生产还要耗时。
后续处理
打印完成后，还得将打印出的物品取出并根据设计图进行处理。比如一些多余的结构支撑部件、微小残渣等。不过这些部件不是重要的，重要的是打磨过程，一些曲面和曲线需要后处理打磨、抛光才能达到设计的要求。此外还有上漆、检测等工作需要完成。
3D打印机对打印材质有什么要求？
理论上来说，当人们可以破坏分子间力，自由操纵原子、分子的时候，3D打印机对材质就没有要求了。但显然我们还没有这么强大的技术实力，目前3D打印机还只能使用可塑性材料生产物品。比如金属、塑料、陶瓷、橡胶等产品。医学上也尝试使用活体组织进3D打印，目前效果如何尚未具体公布。
生活中的哪些领域已经开始使用3D打印机了？
就目前来说，3D打印机在工业生产、医疗卫生、航空航天等部门都有所作为。而制造的产品从牙齿、骨骼、器官支架到机械零件、汽车、房屋、食品、生活用品甚至是宇航材料都有。不过绝大部分应用依旧属于初级阶段，无论是生产的规模还是产品终呈现本身都谈不上很成熟。
3D打印机的未来前景如何？
说到3D打印的未来，多数人的结论肯定是光明无限，并充满了向往。不过就目前来说3D打印还有很多问题需要考虑，比如3D打印技术处理材料的范围是不是可以扩大、易用性能否进一步提升、实际产品表现是否能完全替代传统产品、成本和技术成熟度是否能成功挤占传统产品空间等。一款新型产品能否发展起来，技术只是一方面，更重要的是与市场的结合。在这一点上，3D打印机已经让我们看到了它的潜力，但目前想要进行太大的发展确实很难。比如目前3D打印机制造的汉堡包成本高达30万美元，打印制造出的汽车售价更是令人乍舌，市场上普遍存在的产品大多数都只能打印出雕塑、小型玩具模型等产品，在使用空间上还是有些狭窄。
即使如此，我们很高兴看到3D打印机已经开始逐渐进入用户家庭。价格方面，便宜的3D打印机售价约在人民币3000元左右，可以打印诸如石膏、树脂材质的小型模型等。而真正为家用所制造的3D打印机暂时还没有太多产品，目前只有在CES2013中出现的名为Cubif y Cube的家用3D打印机，售价高达1399美元，打印精度和实际打印产品的体积都有很大限制。
3D打印，打印未来
3D打印，打印的不仅仅是产品，更是整个工业化的未来。这种“从小到大”的生产方式是工业化和产品制造中重要的改变。虽然还不够成熟，不过并不妨碍整个业内对3D打印机寄予厚望。也许在未来的某一天，我们可以在家里任意下载、设计自己喜欢的产品，并随手使用3D打印机将它制造出来，想想都觉得有趣。
需要注意的是，由于3D打印机对曲线、曲面等部分等是很难实现的。因此对这些部分需要作出离散处理，也就是使用很小的直线段来代替曲面和曲线，并在打印完成后通过磨削等步骤再将其还原成曲面。出现这种问题的原因主要是3D打印机目前精度依旧不够高，在材料生产过程中的小粒度比较大，因此在部分曲面表现上显得不够精致，出现锯齿等现象（和电脑中的抗锯齿处理有异曲同工之处）。这种问题会随着3D打印机本身的技术进步而渐渐减少，但很难彻底消失。即便如此，3D打印机终成品带来的损耗也比传统工艺生产要小很多。
