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本书介绍了如今3D打印技术的实际应用和潜力，同时试图预测3D打印技术对于未来世界的影响。本书包括了关于数字工业发展、3D打印和材料技术、生物印刷技术等等的发展。详细介绍了当前3D打印技术现状，从产业视角概览了3D打印机厂商、软件提供者和政府服务。此外，本书还给出了一个较为完整的3D打印术语表，方便读者快速学习参考。
书名：3D打印：正在到来的工业革命（第2版）
ISBN：978-7-115-42118-0
本书由人民邮电出版社发行数字版。版权所有，侵权必究。
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• 著 [英] Christopher Barnatt 克里斯多夫
译 赵 俐
责任编辑 陈冀康
• 人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
• 读者服务热线：(010)81055410
反盗版热线：(010)81055315
克里斯多夫•巴内特（Christopher Barnatt）是诺丁汉大学商学院“策略与未来研究”学科的副教授，同时也是一位摄影师。他在3D打印领域是一位家喻户晓的人物，共出版过9本关于未来研究课题的著作。其中包括本书的第一版——《3D打印：下一次产业革命》，这本书已经被译成中文、日语和韩语。
除了著书，克里斯多夫还经常在媒体上露面，如BBC新闻、泰晤士报、卫报和很多广播电台。他还运营着两家网站：ExplainingTheFuture.com和ExplainingComputers.com及其相关的YouTube频道。你可以在微博twitter.com/ChrisBarnatt上关注他。
Simplified Chinese translation copyright © 2016 by Posts and Telecommunications Press
3D Printing，Second Edition by Christopher Barnatt
Copyright © Christopher Barnatt 2014.
This edition arranged with Christopher Barnatt through BIG APPLE AGENCY，INC.
ALL RIGHTS RESERVED
本书中文简体版由作者Christopher Barnatt 通过大苹果版权代理公司授权人民邮电出版社出版。未经出版者书面许可，对本书的任何部分不得以任何方式或任何手段复制和传播。
版权所有，侵权必究。
3D打印是一种快速成型技术，它以3D数字模型为原型，通过逐层堆叠累积的方式将3D模型构建成为真实的物体。3D打印机的出现，为各行各业带来了新的发展机遇，甚至给人类的生产和生活方式带来一场彻底的革命。
本书不仅能够帮助你认识和理解3D打印，而且可以让你深入了解3D打印的可行性和潜力，从而预见其对未来世界的巨大影响。全书共分为8章。首先，作者大胆预言了3D打印将带来下一次革命；然后，循序渐进地介绍了3D打印技术，对工业和数字化制造业的影响，个人制造的发展，3D打印的可持续性以及生物打印的发展；最后，本书展望了3D打印的美好未来。
本书适合对3D打印技术感兴趣的读者阅读。无论你是企业家、设计师、投资者、技术爱好者、学生、DIY人士，或者仅仅只是对新事物好奇的读者，都可以在本书中找到你感兴趣的内容。
2013年5月的第一个星期，25岁的法律系学生Cody Wilson从一把3D打印的塑料手枪中成功发射出一颗子弹。同一时间，本书的第1版上市销售。虽然这两件事完全无关，但是针对Cody行为的全球报道，很多人在谷歌或亚马逊上搜索“3D打印”。因此，该书的销量远远超出我的预期。在某种程度上，我们还要感谢Cody让这本《3D打印：正在到来的工业革命（第2版）》得以出版。
纵观历史，许多新技术都曾改变了我们的生活。尤其是蒸汽机、装配线和个人计算机都有着自己的产业转型时期。如今，互联网革命刚刚完成，网络世界的发展正呈现出温柔“进化”的趋势，而关于“增材制造”或“3D打印”的下一场革命正在伺机而动。
由于改善和加速物理技术的难度远远大于微电子发展的难度，因此3D打印革命将比互联网革命进行得更加缓慢，但迟早都会到来。事实上，当我撰写本书第1版时，人们之前预计的创新已全部实现。虽然3D打印的家庭普及仍然是一个遥远的梦想，但是18个月前的许多构想已经成为现实。
那么，我到底要说些什么呢？首先，彩色多材料3D打印的推广要感谢Stratasys开发的Objet500 Connex3。生物打印领导者Organovo在致力于研究3D打印人类肝脏组织的微小部分，以用于药物测试目的。此外，现在的桌面3D打印机除了可以使用塑料外，还能够使用金属和塑料以及碳纤维和塑料的新型复合材料。亚马逊上甚至已经开始小范围销售按需定制的3D打印产品，而SpaceX公司则成功推出了发动机部件为3D打印的火箭。2013年的圣诞节，你不仅可以在Selfridges百货公司购买到3D打印机，还能3D打印出本人的模型。
上述事物的发展不会改变世界，但是这些稳步发展的产业将继续实现之前承诺的创新。大多数创新会按时完成，有时甚至会提前。
2014年7月，我采访了Stratasys公司事务部的执行副总裁乔恩•科布。他预测5年之内，3D打印的大多数产品都将是工业模具、最终使用的组件或整个最终产品。我相信这是一个非常合理的预测。
如今，3D打印机制造的大多数产品都是原型。所以很多人仍然认为3D打印只是“快速成型技术”，并因此错过了发展新技术的重要机会。乔恩、我和其他许多3D打印先行者都坚持认为我们正处于制造革命的风口浪尖。希望你阅读完本书后，也会有同样的观点。
1939年，美国第一台用于出售的电视机在纽约世界博览会上展出。这些早期电视机都是5英寸黑白屏幕，看起来还有些失真，但售价却在200美元到600美元之间（价钱相当于一辆汽车）。随后，与会的大多数人都认为电视机永远无法成为一种时尚，谁愿意长时间盯着一块又小又闪烁的图像？
那些批判电视机的人所犯的错误在于，他们只依据新事物的早期表现就否定一项革命性技术。75年后的今天，声称3D打印只是炒作的人似乎也在犯同样的错误。第2章将会讲到，多种3D打印技术已被开发出来。这预示着下一次产业革命即将到来。
基于以上想法，希望本书有助于你理解现在和未来3D打印的可行性和潜力。不论你是企业家、设计师、投资者、技术爱好者、学生、DIY人士或只是单纯好奇于新事物的人，我都希望以下章节能为你迎接新一轮技术变革的到来而做好准备。
任何革命的初始阶段都是最令人兴奋的。参与早期革命的人都将获得最好的奖励、最丰厚的回报和最多的乐趣。3D打印革命即将开始，所有希望目睹这场盛宴的人都已经开始行动了。
Chr.stopher Barnatt
2014年11月
编写本书前，我采访了数百家3D打印企业，和这个行业中的很多人进行过对话。因此我想感谢在过去一年半的时间里所有与我深切交谈或在网上沟通的朋友们。
具体来说，我要特别感谢那些允许我直接引用言论或提供信息、图片使用权以及其他帮助和支持的人。因此，感谢加里• 安德森、米兰达•贝斯金、戴维•布伦德尔、克里斯•伯姆、阿德里安•鲍耶、苏•博尼普、里斯•考尔德、安迪•克里斯滕森、乔恩•科布、瑞秋•道尔顿-塔格特、布鲁克•德拉姆、马克•弗莱明、芭思希芭•格罗斯曼、乔•希门茨、克里•霍格斯、亚伦•赫尔姆斯、安迪•爱德、康斯坦丁•伊万诺夫、约翰•尼兰德、罗曼•基德、罗伯特•里斯卡、加里•米勒、安西•梅斯杜伦、易卜拉欣•奥兹博拉特、西拉维•普里蒙特、乔•罗奇、费斯•罗宾逊、杰西卡•罗森克兰茨、安雅•范•韦斯特、埃利奥特•怀尔斯和理查德•范•德•怀瑞。本书后面将介绍更多关于以上人员的资料和他们的公司/组织。
还要感谢菲欧娜•卡梅隆和史蒂夫•阿普克拉夫特对我的工作的长期支持，以及史蒂夫•摩尔、基兰•伍德沃德、克里斯•贝茨、海伦•巴罗、萨莉•霍普金森、维多利亚•瑞格利和罗津娜•谢赫给予我工作上的帮助。感谢特蕾西•拜提森、史蒂文•迪亚肯、萨莉•柯克、乔治•库克、西蒙娜•斯皮戴尔、肯•斯塔基、苏•坦皮斯特和凯瑟琳•维瑟在过去的几个月里对我的支持并成就了我的3D打印事业。特别要再次感谢凯瑟琳•维瑟为我检查最终文稿并且找出很多我根本没有发现的错误。
最后，感谢我的父母及好朋友马克•丹特里给予我的支持、鼓励与理解，让我最终完成了这第十本书。当我为上一本书作序时，曾经发誓在一段时间内不会再写书了。这个誓言只维持了一年半。这一次我不再做出承诺，因为我已经开始着手下一次大事件了！
火星距离地球至少5400万公里。人类要到火星旅行是有一定难度的，而在火星与地球之间运输货物更是难以实现。然而，2014年4月美国宇航局喷气推进实验室的科学家们手中正拿着一颗名为“布洛克岛”的陨石，这是他们的机遇号火星车2009年在火星表面发现的。
这一壮举的实现过程是这样的：先由火星车经过精确测量和拍摄全景图片，再把这些数据传输到地球，转换成计算机模型，最后利用3D打印机制成固体实物。这个塑料复制品看起来与原始陨石一模一样，但是它更轻，并且不用真正从火星拿回来。如图1.1所示，这件3D打印的陨石仿佛真是穿越了外太空而来。
以上是3D打印的一项突破性应用。在过去的一年里，3D打印机已经制造出功能性火箭发动机零部件、阅读眼镜、图特卡蒙陵墓的全尺寸复制品，以及10间可居住的房屋。新闻几乎每天都在报道3D打印革命的强劲势头，它的技术已经越来越多地应用于主流企业或更广泛的文化领域。
本书将带领你进入快速发展的3D打印世界。以下章节会详细介绍各项3D打印技术和3D打印领域的先驱者。同时，我们还将看到许多制造3D打印产品的优秀企业，产品范围从珠宝到航空航天组件，从玩具到医疗器械。正如我们所看到的，3D打印已经可以使用不同的塑料、金属和陶瓷作为打印材料。而这才仅仅是开始。
图1.1 3D打印的“布洛克岛”火星陨石
图片来源：NASA
你一定很好奇，神奇的3D打印技术到底是如何工作的？从广义上来说，这个过程不外乎是目前办公室和家庭中普遍使用的2D打印技术逻辑上的演变。
许多人都非常熟悉能打印常见文档或照片的喷墨打印机或激光打印机。打印机靠控制墨水或墨粉，在纸张表面生成文字或图像。3D打印机采用类似的方法，通过逐层控制“建筑材料”在3D空间的位置和黏合力来制造物体。
要用3D技术打印一个物体，首先电脑里应存在一个数字模型。这或许需要通过使用计算机辅助设计（CAD）或其他用于制作3D模型的软件来手工完成。此外，还可以通过3D扫描仪扫描一个真实物体来得到数字模型，或者通过先扫描一个物体再用软件工具进行调整而得到。第5章将介绍快速发展的台式和手持式3D扫描仪，入门级型号的售价只有几百美元。
无论数字模型是用什么方式建成的，一旦准备将它制造出来，计算机中的某些“切片软件”就会把它分成许多一毫米厚的薄层。这些以物体形式存在的薄层会被发送到3D打印机中打印出来，它们从下至上一层一层堆叠，直至形成一个完整的3D物体。3D打印机如何精准地一次输出一个薄层，靠的是一种特殊技术。第2章我们将会看到，现在已经有很多种切实可行的3D打印技术。可以这样说，几乎所有技术都基于四种基本方法。
第一种，3D打印机通过挤压打印喷头来形成铸件或半液体材料。最常见的方法是挤出熔融的热塑性塑料，当它离开打印喷头的时候迅速凝固成型。其他基于挤压的3D打印方法有输出熔化的金属或挤压巧克力、奶酪、蛋糕糖霜（糖粉）来形成3D作品。甚至有一些可以挤出混凝土或陶土的3D打印机。
第二种，3D打印机通过使一种不常见的被称作“感光性树脂”的液体变成固体从而形成物体层，这种液体暴露于激光或其他光源中时会变硬。一些有光聚功能的3D打印机在液体罐中使其形成物体层。有些3D打印机喷射出一个单独的树脂层，然后在下一层被打印出来之前利用紫外线光使之形成固态。一些基于后者打印技术的3D打印机可以同时混合多种不同的感光树脂，所以这些打印机可以打印一件由不同材质组成的物体。例如，3D打印机的行业领导者Stratasys生产了一款名为Objet500 Connex3的最新打印机，它可以使用“胶质”或“数字ABS”等不同材料制造出彩色模型。图1.2所示为这台打印机的外观。
图1.2 Stratasys生产的Objet500 Connex3
图片来源：Stratasys
第三种，3D打印硬件通过逐层黏合一种不常见的精细粉末来制作模型。这种“粉末的黏合”或“颗粒状材料的黏合”既能够通过在每一粉末层上喷射黏合剂来实现，又可以通过激光或其他热源来熔化粉末颗粒而形成。粉末颗粒被熔化后，再熔融成粉末状材料沉积到构建表面。可用于3D打印的颗粒状材料的范围十分广泛，包括尼龙、生物塑料、陶瓷、蜡、青铜、不锈钢、钴铬合金和钛合金。
最后一种是基于层叠制造的3D打印机，先使用刀片或激光层叠切割纸张、金属或塑料，再黏合成固态物体。还可以在打印过程中使用多种油墨，制造出低成本、全彩的3D打印物品。
3D打印已经用于快速成型、模具生产和其他产业工具、最终产品的直接数字化制造以及个人制造等领域。也就是说，3D打印行业内的硬件、软件和材料供应商正在满足着这四种不同市场的需求。要想真正体会到3D打印革命的强大推动力，让我们先来了解一下3D打印所应用的这四种不同领域。
目前，3D打印最常用于生产快速成型（RP），3D打印机可以制造概念模型和功能原型。概念模型通常指基本的非功能性新型产品设计模型（例如洗发水瓶顶部不可拆卸的部分），并旨在让设计师以实体形式交流想法。与此相反，功能原型则更加复杂，它要在提交生产之前准确评估每个产品部件的状态、适合度和功能性。
传统上，原型和概念模型需要由熟练的工艺师使用劳动力密集型的车间技术创建。因此，为了生产大量产品而花费几个星期、几个月和成千上万美元、欧元或日元的情况并不少见。相比之下，使用3D打印可以在几天甚至几小时内制作完成概念模型或功能原型，并且价钱只是传统方法的一个零头。除了节省时间和金钱，设计师还可以对产品进行反复修改，进而将完善的最终产品推向市场。
现在，很多行业都开始使用3D打印来生产快速原型。例如，在汽车行业，通用汽车公司的快速成型实验室每年3D打印的原型零件超过2万个。2013年12月，福特公司制造出一个野马汽车的发动机罩，而这是其第50万个3D打印的汽车零部件。在一级方程式赛车的车队中，原型部件的3D打印也相当完善。例如，雷诺车队自1998年起就使用3D打印机生产F1赛车的原型零件，以测试不同的空气动力学 设计。
除了快速成型，3D打印也开始用于制作模具、模型、夹具、固定工具等生产工具。大多数传统的生产过程都需要这些工具将金属和塑料定型成合适的形状。和产品原型一样，模具、夹具等工具要靠传统的手工形式完成制作。使用3D打印可以为使用传统生产方式的工厂节省大量的时间和金钱，同时允许制造商迅速改变设计，拓宽产品范围。
3D打印的一个非常有前途的应用是在模具上直接生产。例如，我们将在下一章中看到，3D打印机正越来越多地被用来直接制造砂型模具，然后在熔融的金属中接浇铸成最终的零件。ExOne（用于此目的的3D打印先驱）3D打印砂型铸造模型，总的生产时间可以减少70%，并且可以实现更高的精度和更复杂的模具创建。事实上，当一个物体设计好之后，如果在它外面包裹一层砂，然后再浇铸模型，那么在灌注融化的金属之前，是无法去掉这层砂的，而使用3D砂型铸造，就可以制作这样的模型。
现在，有些制造商专门生产以蜡（或蜡的替代品）为材料的3D打印机，进而用失蜡铸造法制造模型。比如，一个3D打印的蜡质物体，周围用石膏模具包围。加热模具，里面的蜡就会因高温融化而流出。随后向模具中倒入熔融金属或其他液体浇铸材料以生产最终产品。目前，使用3D打印机制造失蜡模型这一应用已普及到牙科、珠宝制造业，以及其他需要制造小型、复杂、高价产品的企业。与砂型铸造一样，失蜡3D打印模型是“牺牲品”，他们会在生产最终成品的过程中损毁。
使用3D打印创建模具、图案和其他生产工具可能很少被人们看到，更不用说被大多数最终产品的消费者所欣赏了。例如，几乎很少有人注意到他们运动鞋的鞋底就是在模具中制造出来的，而这个模具则来自于3D打印的母模。利用3D打印机制作模具、模型和夹具正在成为流行趋势，并且这是3D打印应用的一个重要领域。
在一些利基市场中，3D打印机被用来制造最终用途的工业零部件和最终消费者产品，而这通常指的是“直接数字化制造（DDM）”的发展。DDM已经获得不同行业的青睐，如航空航天、汽车制造、玩具生产和时尚单品的制作。2014年8月，奔驰公司透露他们将使用3D打印机为其2018年上市的S级轿车制造一体式空调出风口和扬声器格栅等复杂的内饰零件。
DDM最惊人的一点是它不需要使用传统的手工技术，直接就可以制造出物体。例如，3D打印机在不断开项链的情况下就可以将其打印出来，或者制造出有豌豆的口哨和有小船的瓶子。空中客车公司已经开始3D打印复杂的金属零部件，如果使用传统方法则需要焊接10个不同的汞合金组件。很多3D打印机还可以使用塑料或树脂等材料制造运转的零件，比如由多种部件组成的变速箱。传统上，多部分组成的产品最终总会涉及到组装，但3D打印将不再需要这一步骤。
将来，几乎所有的东西都可以用3D技术来打印，包括整架飞机的制造。虽然这听起来有些疯狂，但空客公司的一个小团队正在设计一架革命性的客机，它将比传统的飞机重量轻65%，因为它可以靠3D技术用塑料树脂打印出来。虽然制造这种飞机的3D打印机也许要到2050年才能面世，但是3D打印的塑料和金属部件已经应用于商用和军用飞机。事实上，当传统零配件无法继续使用时，3D打印的替代品就成为了维持旧飞机服役的唯一经济手段。
由于启动生产不需要工具，因此3D打印为一次性或低成本生产提供了很大的机会。例如，2012年詹姆斯·邦德电影《天幕坠落》的制片人需要3台Aston Martin DB5座驾三分之一大小的模型车，他们就用型号为Voxeljet VX4000的3D打印机将它们打印了出来。这些轿车模型被3D打印成18部分，然后再进行组装喷漆，最后变成看起来非常真实和昂贵的复制品。再举一个例子，法国公司Crea’Zaurus 3D正在使用3D打印制造古生物模型。图1.3显示了他们公司制作的全尺寸恐龙头部模型。在第4章中我将详细深入地介绍DDM的众多领导者。
图1.3 Crea’Zaurus公司3D打印的恐龙头部模型
在工业3D打印发展的同时，我们还见证了个人制造的崛起。这指的是个人“创客”通过3D打印方式制造属于自己的物品，从而不再需要到遥远的工厂去制作。例如，上周我遇到了一位3D打印爱好者，他叫埃利奥特·怀尔斯，目前是伦敦iMakr 3D打印机专卖店的设计经理。埃利奥特从小就想拥有星球大战中汉·索罗的重爆破手枪模型。所以，当他刚开始接触3D打印机时，就立即利用3D建模软件包构建了一把手枪，并把它打印了出来。如图1.4所示，人们还可以从MyMiniFactory.com网站免费下载打印文件。
图1.4 埃利奥特·怀尔斯3D打印的汉·索罗的重爆破手枪
两三年前，个人3D打印机已经存在，但是大部分都要在家里组装。2014年底，市场上有超过100台预组装的个人3D打印机，这些开箱即用的机型最低售价为500美元。市场对个人3D打印机的需求也在迅速增长。因此，个人3D打印机和个人3D扫描仪等硬件将越来越普遍地出现在家庭和教育科技领域。
3D打印行业存在着四个不同的细分市场，并且处于不同的发展阶段。如图1.5所示，这四条曲线代表了3D打印在快速成型、生产模具和其他工具、直接数字化制造以及个人制造四个领域的使用率。每条曲线都遵循大致相同的模式，即从零开始成倍上升，实现持续增长，最后由于接近市场饱和而趋于平稳。
图中的曲线是基于我自己的产业分析，用来帮助我们更好地理解3D打印的发展。由于这些曲线的时间轴已延伸到未来几十年，显然这并不是确切的数据，只是强调一些事实。尤其是在20世纪80年代末期，3D打印机最先用于制造产品原型，直到几年之后才开始用于生产模具和其他工具。大概2000年左右，人们开始使用3D打印机制造最终用途的产品或艺术品。到了2007年，随着“开源”3D打印机的发展，个人制造才应运而生。
图1.5 3D打印的采用曲线
如图1.5所示，我猜测到下一个十年的中期，传统的快速成型3D打印市场将达到饱和，到2025年，有一半的概念模型和原型可以实现3D打印。可能有人会问为什么这个曲线最高只有50%的市场渗透率。有两个现实原因。首先，3D打印不是唯一的快速成型技术。其次，在很多情况下，传统方法仍然最适合原型制造。我无法想象当生产者不再使用工作室、实验室、车间和厨房里随手可用的木材、卡片、金属、粘土和其他材料时，这个世界会是什么样子。
3D打印模具和其他工具的市场落后于快速成型，但它很快就会成为3D打印行业的中流砥柱。正如前言中所说，到2020年，3D打印机制造的产品将不都是原型和概念模型，用于帮助制造最终产品的模具、模型、夹具和其他工具会占据越来越大的比重。我预测这个市场会在十年的时间里达到饱和，同时这一领域的商机为提高3D打印的行业采用率打下了坚实的基础，而3D打印机制造商则深知这一点。目前，在大多数行业中，3D打印模具和其他工具代表着巨大的市场机遇。
最终用途的工业部件或最终消费品的数字化制造市场还尚未成熟，我们不应该期望它像专家预测的那样迅速成为主流。在未来十年里，医疗保健、时尚艺术、品牌商品和航空航天等诸多行业都会将3D打印作为他们的核心制造技术。这无疑会生产出许多全新类型的产品，并取得大众媒体的关注。即便如此，在以后10年或20年的时间里，我们生活中的绝大多数物品都不会靠3D打印来生产（但是很多产品会通过使用更广泛的本地数字化制造或“LDM”技术进行制造，第7章将详细介绍）。
个人制造同样会在未来几十年里保持利基市场，而且在3D打印行业和全球制造两方面都占有较小比重。目前，3D打印的行业收入有10%是来自销售个人3D打印机。虽然这种打印机还大量销售给企业，而非个人，但这并不代表销售家庭使用的个人3D打印机不是一个显著的市场机会。事实上，在2014年4月，英国市场研究机构Juniper Research就充满信心地预测，到2018年，消费级3D打印机的销售量将达到每年100万台。因此，全球消费品制造商都纷纷向这一新的市场空间推出产品，而率先进入的企业是工具制造商Dremel和台湾巨头金宝集团。
到2018年，个人3D打印机的平均售价将低于1000美元，每年销售100万台的总销售额不到10亿美元。这意味着，到2020年，个人3D打印仍然占全球3D打印市场的10%。因此，家庭个人制造不是3D打印革命的原动力，并且我相信这个行业的很多参与者都认同这个观点。不过，我非常期待到2020年市场上能够出现售价99美元的3D打印机，并且通过平板电脑或智能手机就可以制造出小型的塑料物体。
与之前的互联网革命一样，3D打印革命也会为企业和个人实现诸多以前不可能实现的产品。这是因为3D打印不仅能够以新形式进行制造，还可以根据全新的商业模式使用新方法来生产和运输新产品。本书第3章和第8章会深入探讨这个问题。但在此之前，让我们先来看看这其中的几个重要机遇。
首先，3D打印会根据人们的品味或个人特点而衍生出定制产品这一业务。自工业革命以来，经济规模随着大批量生产主导制造业以及工厂升级工具来制造大量标准化产品而逐渐扩大。但是，3D打印的经济有所不同，因为在费用相同的情况下，3D打印机可以制造出完全不同的零件或产品。
我们在第4章将会看到，现在很多数字化制造领导者都在其网站上销售定制的珠宝或玩具，然后3D打印出客户要求的独特产品。一些传统制造商也开始在他们的产品中加入一两个3D打印的零件。例如，松下公司最近就展出了一系列拥有3D打印机身的Lumix GM1相机。
在医疗领域，3D打印还被用来制造个性化助听器、牙科用具和其他假肢。没人知道3D打印何时或者是否会改变主流制造业。但是，3D打印定制化和个性化产品的革命已经悄然开始。
除了使更多人拥有定制化和个性化物品，3D打印还让我们真正成为制造商。随着3D打印使得低运行生产更加切实可行，制造原型和生产工具的成本将不再让人望而却步。更重要的是，3D打印服务的发展为有才华的艺术家或设计师开辟了一个更加广阔的市场。
如今，个人或小公司很难将产品推向市场。不过也有例外，在图书出版界，和我一样的作者可以按需打印一部作品。例如，如果你正在阅读这本书的印刷版，那就说明亚马逊仓库是在你下单的8小时内将此书印刷完毕，然后送到你的手中。这种创新让我无需在销售基础或库存上投资就可以将书卖到世界各地。因此，不需要资金或库存投资就把产品推向市场这一全新的方式为独立产品设计者提供了更多接触全球客户的机会。
实际上，人们可以把产品设计上传到3D打印机构，如i.materialise或Shapeways。随后，这些公司在其网站上销售上传的产品，接受订单和支付，3D打印成品并寄给客户。那些艺术家或产品设计者在上传作品之后要做的就是等待这些公司支付销售提成。
2014年3月，亚马逊推出了一个试点项目，即按需销售3D打印的消费品。在以后的10年里，我们身边的很多东西都会是由独立设计师或小公司设计，并由3D打印服务机构制作完成的。这可能会引起一系列其他问题，我会在后面的内容里详细介绍。即便如此，我仍然相信3D打印在众多行业中的显著影响足以开启大众化市场。
一些产品会越来越多地进行迭代演变。像Thingiverse.com这样的物品分享网站已经允许3D打印爱好者们下载一个数字模型，并对其进行一些改进，将模型打印出来，然后再上传修改后的设计，以便其他人从他们的改进中受益。这种“开放式设计”开始生根，随着越来越多的人使用3D设计软件和3D打印硬件，这也是一个将设计过程从专有化转变为大众化的过程。
许多企业担心开放式设计的后果，另外一些人则强烈支持这一趋势。例如，在2013年1月18日，诺基亚推出了3D打印社区项目。该项目发布了一个“3D打印开发工具包”，用来帮助人们设计并亲自制作自己的Lumia820手机。正如诺基亚社区及市场开发经理约翰·尼兰德所说：
我们的Lumia820手机有可拆卸的外壳，客户可以给手机替换不同颜色的诺基亚外壳，这些坚固的外壳有防震和防尘保护，而且在高级的Lumia920和中级的820手机中，这些外壳还附加无线充电功能。
这些特别的功能给了大多数诺基亚Lumia820用户一个很好的选择。但除此之外，我们还将发布3D模板、使用说明、推荐材料和最佳实践——任何熟悉3D打印的人都应该为自己定制一个Lumia820手机。
诺基亚发布上述通告仅几天之后，便举办了一次诺基亚Lumia820手机3D打印挑战活动，鼓励人们设计并分享可3D打印和替换的手机壳。1月24日，距离发布3D打印开发工具包6天之后，3D打印的诺基亚820手机壳（包括一些功能按钮）就在网上展示了出来。
除了实现大规模定制、开启大众化市场以及为开放式设计提供机会以外，3D打印还努力向数字模型存储和数字模型运输方面发展。这意味着，如果你想给远方的朋友送些东西，今后你可以有两个选择。第一，可以通过快递或信件将东西发给对方；第二，可以通过网络给对方发送一个数字文件，然后对方可以使用3D技术将其打印出来。
现在很多人经常在线共享文本、照片和视频，而3D打印的模型可能会很快加入到众多社交媒体中。通过实现在线存储和运输，3D打印技术会像计算机和网络实现数字信息的存储和传输一样，实现3D对象在物理世界中的存储和传输。
在某些行业，数字模型存储已经显现出优势。例如，以前很多牙医都要存储大量病人牙齿的石膏模型。尽管大多数模型都只使用一次，但是由于无法预测将来是否需要这些样本以供参考，因此导致箱子和橱柜里都堆满了石膏模型。现在，牙医都开始使用3D扫描仪和3D打印机来取代海藻酸盐模具制造材料和石膏铸模。其实，这相当于以数字的形式变相存储病人的牙齿模具，如果未来需要，就可以立即进行3D打印。
谈到健康问题，虽然大多数3D打印的东西都是由塑料或金属制成，但是现在已经有一些专门的3D打印机可以通过一层一层地剥离活细胞层而形成活体组织。这种“生物打印机”可以培养患者自身的细胞，用3D打印技术形成可替代的皮肤或器官，这在改变某些医学领域方面有着巨大潜力。如果这种情况真的发生——生物打印先驱者们认为这将在20年内实现，那么3D打印的发展将使得人们不再需要器官捐赠等待名单，同时皮肤移植也会成为历史了。2015年，3D打印的人体组织可能会开始应用于药物测试，以便减少动物实验的要求。
3D打印除了可以替代身体外部的人体组织，体内生物打印也已经在开发之中。这涉及到将3D打印的细胞层直接培养到伤口上，甚至直接在体内使用微创手术。如果这种技术足够先进，将来或许可以将仪器深入到患者体内，清除受损细胞，再换上新的细胞。这种仪器甚至可以用它们自身的探头修复伤口。第6章将深入探讨生物打印及其影响。
3D打印最终和最重要的潜在益处是对环境的改变。现在，大量的燃油和其他资源在世界范围内被用来运送产品，许多东西都经过数百或数千公里才来到我们的手中。考虑到自然资源供应的压力越来越大，更不用说应对气候变化所尝试的措施，未来10年或20年内，这样大量的运输既会变得不可行，在文化角度上也会变得无法接受。第7章会详细介绍3D打印在实现本地数字化制造（LDM）中所发挥的长期优势。
除了促进近距离生产，3D打印还通过节约原料而改善了可持续性。因为它是基于“增材制造”的方式。换句话说，当众多传统生产技术必须将一大块材料切、车、锉、钻或用其他方式分割的时候，3D打印不需要这样做，只要添加所需制作的材料就可以了。因此，使用3D打印机可以节省高达90%的原材料。
当最终产品的零部件是由3D打印的时候，制造商还可以优化他们的设计，以便使各部分都消耗最少的材料。例如，3D打印的塑料或金属部分，可以设计成内部有间隙或有开放网格的样式，这些都是传统生产技术无法完成的。这种设计方法还可以制造点火器零件——航空航天业非常热衷于推进这样的制造方法。
作为环境改善的最终收益，3D打印或许还能起到生产备用零件的重要作用。现在，当大多数物品损坏的时候，通常因为没有备用零件而无法再修复。但是随着手边越来越多的3D打印机，许多破损的东西无论哪里坏了都可以修补好。
和其他新技术一样，3D打印的未来发展势必具有正面和负面的破坏性。现在已经有人担心3D打印会影响制造行业的岗位。对于那些目前使用传统方法制造原型、模具和工具的职业来说，就业的确会受到一定的威胁。
当3D打印开始推动更多的本地生产时，那些制造出口产品的岗位也可能会减少。事实上，在2013年的国情咨文演讲中，美国总统奥巴马强调3D打印是一种“有可能彻底改变整个制造行业”的技术，它可以把外包给亚洲的工作岗位带回美国本土。毫无疑问，政府已经开始意识到3D打印的全球经济影响。
基于以上因素，3D打印很有可能会创造新的工作机会。因为3D打印在实现不用人为干预制造最终产品之前，还需要相当长的一段时间。3D打印革命的推进将产生更多新兴的制造业岗位，并且与以前的制造革命不同的是，这些就业岗位会均匀分布在众多国家和地区。
一些非制造产业也可能从3D打印中获益，如物流行业。2014年7月，美国邮政总局督察长办公室发表了一份白皮书，其中指出小包裹的最终交付将极大地受益于3D打印的发展。具体而言，白皮书预测3D打印可能帮助该行业的包裹投递业务每年增加4.86亿美元收益。这一预测是基于大多数3D打印产品都是在商业机构制造而非家庭生产的假设，而这基本上是最切实的假设。
除了对就业的影响，3D打印的其他两大主要挑战是侵犯知识产权和用于犯罪目的。现在人们已经可以使用消费型硬件扫描米老鼠等模型，然后3D打印出上百个塑料复制品。正如MP3文件和互联网对音乐行业造成的巨大影响，3D打印似乎必将影响今后的知识产权。
更令人担忧的是，3D打印已经能够打印武器。目前，一台售价500美元的个人3D打印机只能制造一次性使用的塑料手枪。但是当个人3D打印金属手枪成为现实后，我们就是在亲手制造一个大麻烦。
3D打印，特别是未来个人制造在健康和安全方面也面临着潜在的危险。如今，我们购买的几乎所有商品都有严格的生产标准和检验，如果产品由于不当的损坏或故障而产生事故和伤害，则由制造商承担全部责任。但是如果你的孩子从社交媒体网站上免费下载了一个玩具打印文件，打印出来后交给了他的朋友，由于玩具中的一个小零件损坏而把这个孩子噎死了，那么这个责任该谁来承担呢？是设计这个玩具的人吗（很可能也是个孩子）？是分享物品的社交媒体吗？是3D打印机制造商吗？是打印耗材供应商吗？还是制造这个危险玩具的孩子的父母？这个问题目前还没有一个很好的答案。然而，这却是我们无法忽视的难题。
3D打印革命和其他革命一样，是先驱者们的行动、精力和勇气的产物。本书将介绍那些先驱者们在做什么，也包括我对那些推动事情发展的人们做的原始采访摘录。在这一章中，我的目标是捕捉你的想象力，而不是专注于细节和实用性上（本书其他章节将会讲到这些）。所以，介绍完这些之后，我会列举一些3D打印先驱者的访谈实录，我们来看看当问到“为什么使用3D技术打印？”这个根本问题的时候，他们的回答是什么。
我采访的第一个人是安西·梅斯杜伦，他在芬兰运营着一家名为AMD-TEC的3D打印和设计公司。安西从事3D打印行业的原因是坚持为客户服务，他说：
我们生活在一个忙碌的世界，3D打印几乎是我为客户提供服务的唯一途径。对于原型，我没有时间对电脑数字控制器进行编程，也没有时间给加工企业发送零件报价。虽然3D打印不是制作零件的唯一方法，但它在制造复杂的形状和构造时比传统方法要快得多。
康斯坦丁· 伊万诺夫是3DPrintus.ru网站的联合创始人兼首席执行官，他向我解释了3D打印是如何让他为客户提供全新的产品和服务的。他兴奋地说：
3D打印在制造业和网络数字技术之间提供了可行的解决方案。这让我们的客户发现制造和生产是一件非常容易的事。我相信对于客户来说，最大的好处是使用简单界面获取个性化产品的机会。
在英国，Industrial Plastic Fabrications的3D打印服务部门主管加里· 米勒向我讲述了类似的故事，他说：
我们应该大力推广3D打印，因为它缩短了交货时间，并且几乎可以制作出任意几何形状的物体。十年前，当我第一次使用Objet 3D打印机时，只能使用一种材料。现在，我能够使用的打印材料有2000多种。那么试想一下十年后会怎样。但是不管你有多少种材料，重要的是如何正确使用它们。这取决于用户所使用的应用程序。我们应该把期望值保持在现实水平上，因为现在的炒作实在太多了。人们应该在自己的行业中利用自己的专长，找到正确的应用程序，以及令3D打印增值和让生活更轻松的方法。
接下来，我采访了3D打印巨头Stratasys公司事务部的执行副总裁乔恩·科布。乔恩的观点主要集中在3D打印改变产品设计和销售的潜力上：
人们都在强调让3D打印适应我们的传统制造工艺，但是对于我来说，重要的是改变设计的根本，允许人们改变产品制造的方式，进而真正影响产品销售。
假设你家中的管道出现了问题。你可以用iPhone手机拍张照片，将问题发送给Home Depot，一两个小时之后就能收到一个定制的零部件，而不用在你的工具箱里找来找去。要实现这一想法可能要两到五年时间，但人们可以看到它正在切实发生着。
除了Stratasys，还有一家美国3D打印行业的领头羊是3D Systems。当我采访3D Systems的个性化手术和医疗器械部门副总裁安迪· 克里斯滕森时，他再一次强调了使用3D打印改变工作流程所带来的广泛机会。正如安迪所说：
3D打印的发展速度正在呈指数级增长，但是我们不再仅仅谈论打印机。当前让这项技术具有如此革命性的原因在于其跨越数字线程的能力，即将软件、扫描仪、模拟器、触觉设备与3D打印机结合形成一个无缝数字化工作流。这使得要求最高的应用实现了前所未有的控制性和精确性，也是我们从事个性化医疗设备和虚拟手术规划等开创性工作的推动力。如果把这些功能与目前能够使用的所有打印材料相结合，从生物兼容性的金属到可食用的陶瓷，那么3D打印的可能性将是无限的。
米兰达·贝塞金斯是比利时3D打印服务i.materialise和.MGX两家网站的主管，她从另一个角度向我解释了这一全新的市场机遇：
3D打印帮助我们创造了一个新世界，在那里我们购买的产品更加适合自己，与个人风格相契合，而且我们拥有的东西都是独一无二的。
对于消费者来说，不仅自己创造的产品可以更好地服务于自己的需要和利益，还可以将产品卖给与他们一样的人，这是非常令人兴奋的。例如，一个珠宝设计师可以向全球观众展示他最新设计的项链，还可以为他的设计来测试需求。如果没有订单，没有关系。如果有订单，那么项链会被打印出来，交付给客户，设计师也会得到他应得的报酬。
戴维·布伦德尔是Replicator World网站的作家和编辑，他带来了3D打印真正的革命潜力的一系列参数，他热情地说：
3D打印革命与快速生产的工业革命和分布全球的数字革命相结合。200年来，大批量的生产模式禁锢住了产品的个性化。福特曾经说过他的T型车，“只要你购买的是黑色汽车，就可以随意改换你想要的颜色！”但是现在3D打印生产手段已经转移到了桌面上，你可以真正拥有你想要的颜色、形状或功能。
马克·弗莱明是3Dprinter.net网站的创始人，他认为3D打印具有颠覆性的潜力。他曾说到：
3D打印打破了20世纪效率低下的制造形式，并用一种全新的生产模式将其取代。这样的生产模式缩短了从设计到制造的时间，几乎不需要存储，而且减少了运输成本和资源消耗。它能够制造出以前无法制造的东西，使想法更加具体化和大众化，以至于人人都可以进行创造。3D打印将和互联网一样，通过制造进行沟通交流。
最后，iMakr 3D打印机专卖店和MyMiniFactory.com 3D内容网站的创始人西拉维·普里蒙特指出3D打印将释放人们的想象力。他对我说：
3D打印的广泛应用将释放出创造力，因为人们可以在几乎不费时间和成本的情况下进行发明、设计和制造，还可以随时下载准备打印的文件内容，并简单修改以适应自己的需求和个性。我们的后代可能会问：“你们年轻的时候真的没有3D打印机吗？”
希望以上对话更清晰地解释了3D打印革命的某些难以置信的可能性。我相信安西、康斯坦丁、加里、乔恩、安迪、米兰达、戴维、马克和西拉维还有那些拥有纯粹的能量和激情的人们将会推动下一次革命。
据说在1943年，IBM的创始人托马斯·沃森表示将会有“一个大约有五台电脑的世界市场”。如果他真的这样说过，那么到目前为止，他的错误是至少少说了10亿。即使这不完全是他的说法，相信在20世纪50年代、60年代、70年代计算机的数量也一直是很少的，显然从工业技术的角度已经证明是错误的。
正如电脑曾被认为没有大规模市场潜力一样，现在也有很多评论家觉得很少有人想拥有一台3D打印机。当然，只有少数人家里有个人3D打印机是很可能的，但这纯粹是因为最有用和最复杂的产品都将共享于网络或本地制造设施。即便如此，我推测，20年之内或许不到10年，发达国家的大多数人将定期使用3D打印机实现数字化设计，或将定期购买其他人为他们3D打印的产品或零部件。
3D打印革命的速度和形式在2015年甚至以后都将势头强劲。但这同样也有风险，它让现实与幻想之间的界限变得模糊，而真正重要的发展在夸大的宣传下将逐渐迷失。对于那些真正想知道3D打印是如何改变生产和生活的人，3D打印方法在现在和未来是否能达到预期效果变得尤为重要。因此，下一章将会详细介绍每一种已知的3D打印技术。
2013年5月的一天，我花了一上午的时间待在伦敦市中心的iMakr 3D打印机店。为了吸引潜在客户，iMakr将几台工作中的3D打印机放在店里的橱窗内，我不止一次地看到经过的路人停下来驻足观赏。
面对眼前物体的形成过程，橱窗前的行人感到十分惊讶，他们仿佛正在欣赏一场魔术。“这是什么魔法？”我甚至听到有人在四处寻找哈利波特。根据我的经验，当人们第一次看到工作中的 3D打印机时，这种反应并不少见。
然而，3D打印是科学和工程的产物，而非魔法。虽然它的物理过程令人惊讶，但它仍然不可避免地面临更加严苛的实用性和局限性挑战。因此，在本章中我将考虑到以上因素，综合评论3D打印技术中每个增材制造过程的优点和缺点。
正如上一章提到的，虽然现在已经有很多先进的3D打印技术，但是都基于四个基本的工作方式。第一种是基于挤压的工艺，通过从打印喷头中输出半液体材料形成物体层。第二种是“光聚合”工艺，利用激光束或其他光源选择性固化液态树脂。第三种是黏合粉末颗粒技术。最后一种是基于层叠的工艺，对薄板构建材料进行黏着。
鉴于以上所说，你可能会认为本章将围绕挤压、光聚合、粉末黏合以及层叠等3D打印技术进行说明。在正常情况下，的确应该是这样的。然而，事情往往不会如此简单，所以，我将更加深入地介绍以下内容。
我们面临的问题是，当前的3D打印行业充斥着各种专利工艺和注册商标技术。因此，在编写本章时我就遇到了词汇噩梦。不管喜欢与否，由于法律及市场的原因，个别制造商仍然热衷于使用不同的术语和缩写来指代相同的3D打印技术。这种现象正如早期的个人计算时代，例如，当时的一些制造商通过销售其专有的“泡沫喷射”打印机，用于替代竞争对手销售的相同技术的“喷墨”打印机。好在，在个人计算时代。评论家和客户很快就对这一现象感到厌倦，于是所有的制造商都开始使用标准术语。然而，在3D打印时代，这样的行业准则还没有开始建立。
鉴于众多3D打印制造商使用不同名称为相同的增材制造工艺命名的混乱现象，2012年6月，美国材料与试验协会（ASTM）在标准化方面做了一个大胆的尝试。在标准文件F2792中，ASTM决定将所有3D打印技术都归类到7个通用名称下。除了以上提到的4种通用构建过程外，其他名称也都列在表2.1中。
几大厂商目前销售的3D打印机全部使用ASTM的技术类别。然而，越来越多3D打印机的使用者和购买者开始意识到对于标准化的需求。所以，着眼于未来的发展，在本章中，我将采用ASTM的术语，根据这7种通用名称进行技术讲解。
表2.1 3D打印技术根据ASTM F2792文件
| 材料挤出技术：从喷嘴中挤出半液体材料，形成连续的对象层。 |
| 桶式光聚作用：使用激光束或其他光源在桶内液态感光树脂的表面或底部进行连续固化物体层。 |
| 材料喷射技术：打印喷头喷射出的液体可以通过UV光固化，也可以在接触空气时固化。 |
| 黏合剂喷射技术：打印喷头选择性地在连续粉末层中喷射黏合剂。 |
| 粉末床熔融技术：激光束或其他热源选择性地熔融连续粉末层。 |
| 定向能量沉积技术：激光束或其他热源熔融沉积的粉末状构建材料。 |
| 层叠制造成型技术：逐层黏附纸张、塑料或金属。 |
随着时代的发展，我们可以将注意力转移到特定的3D打印技术上。在名单上位于第一位，并且根据整台硬件的销量而言，最常见的是“材料挤出”。它指的是所有从计算机控制的喷嘴中通过输出半液体材料进行构建物体层的3D打印过程。使用材料挤出技术进行3D打印的构建材料有很多种，包括混凝土、陶瓷、巧克力，甚至金属。但是，最常见的挤出材料是塑料（技术上称为热塑性塑料），它从喷嘴中输出时能够被暂时熔化。
热塑材料挤压技术由领先市场的Stratasys公司率先发明，它将这种技术称作“熔融沉积成型（FDM）”。后来，FDM这一术语被广泛用于（和误用）指代热塑挤压，甚至被普遍理解为材料挤出技术。然而，Stratasys公司是唯一可以使用“熔融沉积成型（FDM）”标签的3D打印机制造商，因为它拥有其商标专用权。随后，3D打印巨头——3D Systems将该技术称为“塑料喷印（PJP）”。它还有“熔丝建模（FFM）”，“熔融挤出建模（MEM）”，“熔丝制造（FFF）”或“熔融沉积法”等名称。而后者的缩写也恰好是FDM，当然，这完全是个巧合。
图2.1是材料挤出操作示意图。这一卷称作“丝”的制作材料被慢慢输送到加热至180～230℃的打印喷头中。高温将丝融化，通过喷嘴挤压，然后在打印喷头出口处将其压平。
图2.1 材料挤出3D打印技术
最初，熔融的丝被直接沉积到3D打印机平坦的制作平台或“打印床”上。随着打印喷头的移动，熔丝迅速冷却并固化，在二维空间中勾画出打印对象的第一层轮廓。有些材料挤出打印机通过移动打印喷头本身南北和东西的轴线来实现这一动作。其他的打印机则通过在相同轴线上一边来回摆动打印喷头，一边移动制作台的方式完成动作。
一旦打印出物体的第一层轮廓，制作平台就稍微降低一点，以便于下一层热塑性塑料沉积在轮廓上。这个过程不断重复，要打印出一个完整的模型通常需要几个小时。其实，整个过程类似于用电脑控制的热胶枪制作模型。
虽然图2.1演示的是单一喷嘴的工作机制，但是目前多喷嘴的3D打印机已经相当普遍。通常，这些喷嘴可以在同一构建中输出两种或三种材料，目前，有四个喷嘴打印头的打印机也已经出现在市场上。热塑挤压3D打印机甚至可以与“搅拌挤出机”结合，在单一打印头中混合不同的热塑性塑料，从而打印出彩色的塑料物体。
虽然很多材料都可以作为热塑性塑料丝，但最常见的是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯，也就是“ABS”。这种石油基材料广泛用于产品铸模。例如，乐高积木、自行车头盔和圆珠笔都是各种等级的ABS注塑模型。如果你正在电子阅读器或其他计算机设备上阅读本书，那么这些设备的外壳和按钮几乎都是ABS注塑成型的。
作为3D打印耗材，直径3毫米或1.75毫米的ABS丝轴颜色有很多种。其他材料还包括尼龙、聚碳酸酯（PC）和ABS—聚碳酸酯复合材料。热塑性聚氨酯（TPU）是最新进入市场的材料，用于制造柔韧的类似橡胶的组件。还有一种叫做ABSi的材料可以利用伽玛射线和环氧乙烷进行消毒，这使得3D打印的塑料零部件在食品工业或医药领域也发挥着作用。由于ABSi的半透明性，它还可以用于生产传输光线的物体，如汽车尾灯。
使用材料挤出技术打印物体的一大优势是采用标准的热塑性塑料（与注塑件使用一样的材料）。这意味着制造商无需进行强度、耐久性、安全性和材料其他属性等大量测试，就可以使用材料挤出技术精准打印出塑料零部件。当小批量生产大约5000个塑料零部件时，用材料挤出3D打印机比用传统方法逐个在模型中注塑成型的成本低很多。
除了ABS、碳酸聚酯和尼龙等石油基塑料材料，还有一种广泛用于材料挤出的丝质材料是聚乳酸，即“PLA”。它是由玉米淀粉或甘蔗等农产品制成的生物塑料，比ABS更加环保。PLA 在生产中是十分安全的，因为它在加热时不会发出有毒气体。因此获得了众多教育工作者的青睐，他们希望引进使用该种材料的3D打印机用于教学。
用于3D打印的PLA丝呈半透明固体状，颜色也是多种多样，这在3D打印爱好者中十分流行，因为它比ABS更容易打印。其他生物塑料丝质材料还包括聚羟基脂肪酸酯（PHA），这种材料经常与PLA混合，以创建PLA/PHA合成物。PLA和PHA都可以生物降解，并且可能在未来通过合成生物的方法来生产，第7章将进行详细讨论。
基于热塑挤压工艺的3D打印机已经广泛使用，新型打印机几乎每周都会出现。目前消费级3D打印机可以以组件形式购买，售价在350美元左右，还可以以套件形式购买消费机型，售价大约在500美元。而专业热塑挤压硬件的每台售价大约为10000美元到50000美元。适用于工厂使用的高端机器称为“3D生产系统”，成本高达90万美元。图2.2显示的是工业环境中的几台Stratasys Fortus 900mc 3D生产系统。
2D打印机都有最大“打印区域”，所以3D打印机也都有“打印尺寸”或“打印体积”。对于个人硬件来说，打印体积初始值通常是100毫米×100毫米×100毫米（或约4英寸×4英寸×4英寸）。而目前市场上最大的打印体积是1060毫米×1070毫米×1105毫米（41.7英寸×42.2英寸×43.5英寸），由BigRep ONE提供，售价为29000欧元（大约36000美元）。工业3D生产系统的第二大打印体积为914毫米×610毫米×914毫米（36英寸×24英寸×36英寸），由Fortus 900mc提供。这个尺寸的打印体积不仅可以生产大的物体，还可以在一次打印作业中并排打印出多个小物体。
图2.2 Stratasys Fortus 900mc 3D生产系统
图片来源：Stratasys公司
热塑材料挤出工艺是一项伟大的3D打印技术，它可以使用可靠的材料制造相对简单的小型或中型模型。但是，仍然有几点需要注意。
首先，相比其他的3D打印方法，通过热塑挤压创建的对象有着明显的层次。换句话说，当近距离观察一个打印物体时，可以很清楚地看到它有着不同的层。在倾斜或弯曲的表面上可能会更明显。图2.3简单说明了用热塑挤压工艺与用传统注塑成型技术制造金字塔模型所产生的区别。
图2.3 注塑成型技术与热塑挤压工艺对比
热塑挤压打印的物体是否出现层次取决于3D打印机创建它时的分辨率和精度。目前，最好的工业打印机可以挤压出0.1毫米薄的塑料物体层，两轴的精度也可以达到0.1毫米。相比数千美元来说，成本几百美元的打印机通常所能达到的层厚在0.2～0.5毫米之间（不管制造商是如何宣称的），而两轴精度大约为0.2毫米。
人们普遍认为人眼无法识别小于0.1毫米的层次，但即使这样细小的层次也能使物体表面触摸起来有些粗糙。事实上，用热塑挤压制造的物体表面都不会太光滑，除非成型后经过打磨或化学处理（例如放置在丙酮蒸汽云中）。但是，现在主流的3D打印制造商称其最新生产级质量的硬件在精度和表面质量问题上已经可以与传统的注塑成型技术相媲美了。
即使热塑挤压3D打印机可以生产出层次极薄的物体，但有些用户为了节省时间还是选择用稍厚的层次来建造。虽然一个层厚0.3毫米的物体比层厚0.15毫米的物体粗糙，但输出时间却节省了一半。鉴于某些物体可能会需要很长时间才能制作完成—我最近看到的一件中型产品零件就打印了40个小时，那么所节省的时间就显而易见了。如果打印的是货架支架、门档、割草机外壳或粗糙的原型，其表面质量可能也是无关紧要的。
除了明显的层次，使用热塑挤压的3D物体在打印过程中可能会出现变形、卷曲或收缩的现象，有时这种现象还会相当明显。这常常发生在进行冷却工艺时，由于物体不同部位冷却的速率不同，造成内部热压增大，从而导致变形。为了防止这个问题的发生，大多数热塑挤压打印机都配有加热制作平台，它可以阻止低层比高层过快冷却。
为了进一步减少变形或收缩等问题，工业热塑挤压打印机还配有封闭制作区域。这样能够阻止气流并严格地控制温度。高端硬件制造商就宣布目前变形或收缩已经不再是主要问题了。
然而大多数廉价的3D打印机还是会面临这个问题。为了解决这一现状，一些低成本热塑挤压设备在打印喷头处安装了小型风扇，用来提高打印层的冷却速度。许多人认为降低打印速度并密切关注制作平台上打印喷头的起始高度就可以减少变形和收缩的发生。另一种方法是用塑料框架或“筏”固定住物体最底层，物体打印完成后再将其拆除，它能让物体牢固地固定在制作平台上，从而减少变形。
最后，不论何种打印机类型，都可以通过有效的模型设计来控制变形。例如，减少“填充空隙”或许可以防止变形。由传统注塑成型技术制作的塑料零部件只能是实心的，但3D打印的物体可以是空心、实心或内部是半固态的开放格子。减少物体的固体部分通常能够防止其内部拉长和外部冷却变形。非实心固体的模型可以减少耗时和耗材，继而降低打印成本。
最后一个也是最主要的问题是在打印过程中无支撑点的悬空部分或“孤体”部分的处理。为了说明问题，图2.4展示了由热塑挤压3D打印机制造的四个塑料字母。在这里，大写字母“L”可以轻松打印出来。相比之下，大写字母“Y”有个向上倾斜的延伸。这里的难度在于，因打印输出的逐层倾斜堆叠而有可能掉下来。对于字母“Y”来说，它左右两臂倾斜的角度不超过45°一般是可以打印的。但如果是字母“T”，左右两臂的展开角度各自都达到了90°，如果不采取措施的话，在打印过程中肯定会掉下来。同样，大写字母“M”最初可能会无法打印，因为字母中间部分是完全悬在半空中的，没有任何支撑点。
图2.4 Overhangs and Orphan Part 延伸和孤体部位
当然，如果将“T”和“M”水平放在制作平台上是可以轻松完成打印的，而且几乎所有3D打印的物体在规划时最优先考虑的就是物体面向问题。但是很多复杂的物体根本无法简单地为之确定既有支撑点又无孤体的方向。为了处理这个问题，几乎所有的热塑挤压打印机都或多或少地需要打印“支撑结构”。打印完成后，再把这些临时的附件拆除。
支撑结构有两种方式。许多廉价的热塑挤压3D打印机利用打印物体本身的材料制作出精致格状的“分离支撑点”。打印完毕后，所有这些多余的塑料小块必须用小刀、其他工具或手动拆除。将这些支撑结构拆除后，就要做一些必要的后续清理工作，比如用砂纸或其他工具将物体打磨平整，以彻底消除支撑点的痕迹。
有些热塑挤压打印机则利用第二个打印喷嘴输出水溶性支撑材料来制作支撑结构，如聚醋酸乙烯酯（PVA）。当物体打印完成后，会被置于一罐水基清洗剂中。罐中的搅拌器不断搅动，使清洗剂循环在物体周围，从而清除支撑材料。最后将完成的3D打印物体取出，用清水洗净并烘干。
虽然大多数能够制作水溶性支撑结构的3D打印机都是大型高端的工业机器，但是目前在价格低廉的桌面硬件中也可以使用该技术。例如，Leapfrog公司生产的Creatr系列3D打印机就能够打印水溶性支撑结构，价钱为2500美元起。
相比较使用分离支撑工艺的打印机来说，使用可溶性支撑点工艺的3D打印机在制作过程中相对复杂而费时。但同时它们也给出了较好的结果。一些3D打印机制造商根据制造和拆除可溶性支撑结构工艺的特点，将其称为“SST”，即“可溶性支撑技术”。而那些使用分离支撑工艺的则被称为“BST”，即“分离支撑技术”。
虽然使用热塑挤压技术制造的物体经常需要拆除支撑点，但这种成品一旦被制造出来就可以立即投入使用（可能需要先打磨、上色，或者暴露于丙酮蒸汽中，以提高表面质量）。相反，使用其他3D打印方法制造的产品往往需要进行后处理，比如固化或注入到其他材料中。
2013年初，我刚完成本书的第一版，当时很多低成本的3D打印机能够输出的材料只有ABS和PLA。工业用户目前仍然可以使用更加广泛的热塑性塑料，Stratasys公司为其3D生产系统提供了11种不同的构建材料。但是在2014年，一种新型热塑性弹性体（TPE）的丝质材料出现在专业消费者市场上。尤其是AirWolf 3D公司的“WolfBend”和Fenner Drives公司的“Ninjaflex”这两种热塑性聚氨酯材料，它们允许3D打印爱好者制造弹性部件。尼龙和聚酯纤维等桌面材料挤压也变得越来越普遍。此外，几种复合丝材与其他材料混合形成一种热塑性塑料，以提供新型低成本的3D打印，这对于过去的18个月来说是非常显著的发展。
其中一种新型复合材料是Laywood，也称为Laywoo-D3。它由3D打印爱好者Kai Parthy在一次尝试制造比标准热塑性塑料更加不易翘曲和收缩的材料时成功发明。顾名思义，Laywood是由木头（实际上是木屑）和一种高分子黏合剂混合而成的复合材料，通过熔融和挤压来3D打印出触感和气味都像木头的物体。实际上，这种打印材料还可以被打磨或加工成木质复合材料，如中密度纤维板（MDF）。
Laywood的最大优点是，它的最终颜色取决于用于熔融和挤压的打印头的温度。在实践中，这意味着Laywood可以输出为深色木质材料、浅色木质材料或介于两者之间的材料。事实上，在适当温度的控制下，它还可以呈现出“树木年轮”或微妙的颜色渐变。
另一种木塑复合材（WPC）是ColorFabb公司生产的woodFill。这种材料混合了70%的PLA和30%的再生木质纤维，可以在很多低成本3D打印机中通过挤压制造出木质触感的物体。
除了木质复合材料，Kai Parthy和ColorFabb公司还生产出了其他有趣的新型细丝。例如，Parthy现在供应Laybrick。这种基于矿物的细丝包含石质添加剂，根据打印头的温度，通过挤出形成具有光滑或粗糙质地的模型。Laybrick非常易碎，但它是一种很好的建筑模型材料。
ColorFabb还推出了bronzeFill，这是一种PLA和PHA与铜粉混合的复合材料。用它打印出的物体表面不光滑，但是经过打磨和抛光就可以变得充满光泽。bronzeFill材料比纯热塑性长丝重三倍左右，所以倍受青睐。建议用途包括制作具有垂坠和金属质感的首饰和装饰品。在本书印刷时，ColorFabb推出了名为copperFill的铜和热塑性塑料混合的复合材料。
为了增强最终成品的强度和耐久力，人们进行着各种尝试，试图在材料挤出3D打印中引入碳纤维束。例如，一种名为Proto-Pasta碳纤维的线材已经在市面上出售。这种材料由15%（按重量）的PLA和短碳纤维复合而成。用Proto-Pasta碳纤维打印出来的物体比标准热塑性材料打印出的部件更加坚固，并且抗弯曲能力更好。同时具有坚实质感和金属光泽。Filabot公司也出售相似的碳纤维线材。
MarkForged公司采取不同的方法，开发出了一台售价4999美元名为Mark One的桌面3D打印机，它能够在挤出的塑料部件中嵌入连续的碳纤维束、玻璃纤维或Kevlar纤维。这些增强材料在打印过程中（而不是与挤出的线材预先混合）被加入到物体里，术语叫作“复合纤维制造（CFF）”。该打印机是一款可以3D打印比铝更加坚硬的塑料物体的桌面硬件。
MarkForged的唯一一个明显限制是增强的丝束只能在XY平面上输出，而无法在Z方向上打印。这势必会降低增强丝束潜在的强化性能，因为其移动位置被限制在了平层上。然而，竞争对手Freespace Composites正在克服这一限制。其打印技术也是关于在热塑性塑料3D打印输出中添加增强丝束，但他们“采用了一项能够在任一方向以最佳方式混合连续碳纤维增强结构的工艺”。该公司CEO Nathan J. Armstrong在向Composites World的读者们解释时说道：
我们的打印机包含几个多轴打印机制，基本上是6轴机械手臂。其中4轴机械手臂控制正在打印的部分，允许纤维材料被放置在各个方向上，其仅受重力和放置的物理可能性限制。
虽然MarkForged目前已经有了工作中的3D打印机，但在本书编写时，Freespace Composites正处于发展的早期阶段。不管将来这些企业是否成功，显而易见，增强塑料复合材料的3D打印有可能成为发展的重要领域。在第7章中我们将看到，3D打印和纳米技术同样可能成为天然的合作伙伴。根据这种发展方向，2014年，3DXTech公司推出了两款3DXNano系列的碳纳米管增强线材。同时，Graphene 3D Lab正在开发一种与石墨烯混合的3D打印增强线材。
实际上很多非塑料材料都可以用图2.1所展示的3D打印过程打印出来。毕竟许多物质都能以固态形式置于打印头中，再经过加热至熔化，并在计算机的控制下进行沉积。唯一的问题是使用非塑料材料实现这一目标的复杂性。
目前最新研究的一项变体技术是“金属熔融沉积建模技术”，也就是“FDMm”。有几项报道指出标准型热塑挤压3P打印机已经被改良成可以用金属合金作为材料的3D打印机。例如，德克萨斯大学一支由Jorge Mireles率领的团队通过以金属合金线圈为材料对改良的打印机进行测试。使用的合金具有相对较低的熔点（低于300℃）。有了这个限制条件，就能将金属成功加热并挤压为不到一毫米的厚度层。
还有一种方法，研究人员已成功使用气体金属电弧熔融焊接遥控装置来进行3D打印。例如，克兰菲尔德大学的研究人员开发出了“线圈与电弧增材制造（WAAM）”。此工艺是将薄钛丝通过一个电脑控制的可动手臂，经过打印头的加热和挤出，进而建立连续物体层。
据2013年12月的报道，Cranfield团队与其工业合作伙伴BAE Systems公司合作，使用WAAM技术生产飞机机翼上1.2米的翼梁区段。他们使用钛材料，用了37个小时完成3D打印，而传统的制造方法可能需要几个星期。该项目的工程负责人，BAE Systems公司的Matt Stevens在新闻发布会上说：
我们能够从该项目中证明的是我们有能力制造如此规模的钛部件。接下来，我们将继续合作，生产更多的零部件，同时开发一套完整的工艺流程，把该项技术安全并无缝地应用到航空领域。
另一项基于挤压的3D打印试验形式是多相喷射凝固技术（MJS）。方法是用黏合剂将陶瓷或金属粉末混合形成一种可用于3D打印的丝（或粉末），过程如图2.1所示。MJS黏合剂的材料多种多样，包括热塑性聚丙烯或蜡。供给到打印头的丝或粉末也很多样化，但通常都是60%的陶瓷或金属粉末和40%黏合剂的比例。
在最初的打印过程中，黏合剂是熔融的，当黏度达到一定程度就能通过打印喷头成功挤压进而形成物体层。打印完成后，还需要将这个“半成品”上的黏合剂去除。根据所使用的材料不同，可以用化学方法（将半成品浸入到适当的溶剂中），或加热法（将半成品加热至几百摄氏度从而去除黏合剂）。最后的“成品”或“脱脂品”是十分脆弱的，还需要加热到非常高的温度。根据所使用的材料，最后的“致密化”阶段通常需要在窑中长时间加热至1000℃，窑内的物体也会出现一些收缩现象。首次使用MJS是在20世纪90年代中期，目前已被其他3D打印技术所取代并用于商业中。
众所周知，在建筑行业，混凝土是一种应用非常广泛的构建材料。鉴于倒入混凝土之前，先要将其混合成黏稠状，所以混凝土也是大规模材料挤出工艺最适合的材料。
第一台使用混凝土的3D打印机2004年诞生于南加州大学。自那时起，大学工业及系统工程学教授Behrokh Khoshnevis便开始致力于完善其所谓的“轮廓工艺（Contour Crafting）”。他将该工艺描述为“这是一种大规模的分层制造工艺，通过逐层沉积粘黏材料以空前的速度构建表面质量优异的大型三维部件。”
Khoshnevis教授和他的团队通过使用动作控制的喷嘴在自然预设状态下逐层挤出混凝土的方法，已经多次证明轮廓工艺的可行性。由于缺少空间和相应的建造许可，他们还无法打印整个房子。但是已经完成了墙壁和其他建筑部分。Khoshnevis教授预计在未来几年内，他们将能够以商业形式由4个人在18或19个小时内3D打印一座2500平房英尺的大房子。希望通过使用3D打印来削减住房成本，并且令建筑施工更加安全。
在这方面Khoshnevis教授并不孤单。例如，拉夫堡大学的自由建设项目就制造出了一台类似的使用挤压材料制作大型混凝土物体的3D打印机。该机器从打印头输出水泥基砂浆，打印体积可达2米×2.5米×5米（约6.5英尺×8.2英尺×16.3英尺）。虽然早期版本的打印机是基本的3轴喷嘴，但最新的版本则在自动手臂上增加至7轴喷嘴，以便进一步提高打印质量、速度和尺寸。拉夫堡大学的团队已打印出一件1吨重的混凝土建筑作品，以此来展示这项技术的可行性。
中国的盈创建筑科技有限公司展示了这项工艺的真正潜力，经过12年的研究和开发，创建了一台3D混凝土打印机。该巨型机器宽10米，长32米，高6.6米（约33英尺×105英尺×22英尺），能够挤压快干水泥和建筑废料的混合材料。2014年4月，盈创公司利用该惊人的打印机在24小时内建造出了10间全尺寸房屋。每间房屋的最终建筑成本只有4800美元。盈创公司的CEO马义和在接受国际财经时报时说：
我们从国外购置打印机零件，在苏州工厂进行组装。这样的新型3D打印建筑更加环保且性价比高。拆毁的建筑物中的工业废料正在污染我们的环境，但是在3D打印中，我们可以回收这些工业废料，并使之成为新型建材。这为建筑工人提供了一个更加安全的环境，并且大大减少了施工成本。
与混凝土3D打印密切相关的是陶瓷挤出，这种工艺通常被称为熔融沉积陶瓷技术（FDC）。顾名思义，该过程是通过从细喷嘴中挤出半液体黏土来创建物体，然后按照正常方式进行烧制和上釉。这一领域的先锋包括比利时Unfold工作室的Dries Verbruggen和Claire Warnier，以及英国艺术家Jonathan Keep，他们都用这种工艺生产出了令人惊叹的艺术作品。你可以访问keep-art.co.uk网站，查看更多Jonathan做的实验和他的“数字时代的陶器”。
通过大规模挤出黏土进行生产的是总部位于意大利的世界先进储蓄计划（WASP）团队。基于“利用数字技术拯救世界”的理念，WASP专注于项目的设计、开发和生产。因此，该团队已经开发出多种材料挤压3D打印机。其中最大的一台是试验版“Big Delta”，它可以挤出与树脂混合的黏土或土壤等天然材料。Big Delta已经能够打印宽为1米左右的物体，它的可扩展特性使其可以3D打印房屋或模块化建筑截面。
这个构想的最终目的是将全尺寸的Big Delta打印机运往灾区和第三世界的其他地区，然后用于快速重建家园。该技术最大的好处是打印机的构建材料可以由黏土与当地的土壤、油和水混合而成。在2013年伦敦举办的3D打印展览上，我看到了WASP的这台Big Delta，如图2.5所示。
图2.5 WASP团队的Big Delta打印机正在使用黏土进行3D打印，打印中的模型大约1米宽
有一些美味食物是以挤出形式制作的，例如巧克力、冰淇淋、糖果和蛋糕糖霜等。这吸引了增材制造爱好者的注意，他们开始了3D打印食物的试验。例如，2012年6月，发明家Sean Clanzer就建造了一台用于装饰蛋糕的3D打印机。
西班牙的Robots in Gastronomy研究小组也开发出了一台名为FoodForm的3D打印机，它可以在任何表面上挤出可用的构建材料，包括在热烤架、油炸锅或冷却的器具上。通过利用FoodForm进行试验，Robots in Gastronomy已经使用面包、蛋糕、曲奇、榛子和巧克力奶油、蜂蜜、奶酪、冰淇淋、乳酪蛋糕、酥皮、各种糖霜、通心粉、鸡蛋、香肠以及果泥等食品成功地进行了3D打印。
来自埃克赛特大学的衍生公司Choc Edge只专注于巧克力打印，他们发明了一台名为Choc Creator的材料挤出3D打印机。早在2012年，该打印机就已经成为世界上第一台商业食品打印机。Choc Creator V1的打印体积为175毫米×175毫米×70毫米（约6.9英寸×6.9英寸×2.75英寸），它能够生产图标和简单的3D模型。到目前为止，可食用的产品包括圣诞树、铃铛、雪花、雪人和扫描的人脸。
撰写本书时，Choc Edge正计划推出第二代打印机Choc Creator V2。届时，食品打印机的市场将会不断升温。首先，Natural Machines公司打算在“2014年底”推出一款食品打印机Foodini。同一时间还会发行可挤出巧克力酱的Edison系列桌面3D打印机。而最为重要的或许是3D打印巨头3D Systems也将推出ChefJet和ChefJet Pro两款3D打印机。
2014年1月展出但并未上市的Chefjet系列打印机被标榜为“世界上第一个也是唯一一个具有专业认证，可用于厨房的3D食品打印机”。3D Systems宣称他们能够让“烹饪艺术家创造出各种形状和大小的美味装饰品、可食用雕塑和糖果”。这意味着ChefJet系列打印机使用糖、巧克力或冰糖等耗材打印出的有趣形状的食品将会拥有各种口味。
正如我们已经看到的，材料挤出是3D打印输出多种现有材料的一种形式。这是一项相对容易操作的技术，因此使用该种工艺的3D打印机售价也比较低廉。也就是说，虽然目前几乎所有的消费级3D打印机都基于材料挤出工艺，但是工业级3D打印机因其造价昂贵的黏合粉末、固化液体或黏合材料层等工艺，使用起来更加精准。这些技术中的第一类是“桶式光聚作用”，通过使用光源固化桶内液体感光树脂表面或底部的连续物体层。虽然这听起来十分具象，但是桶式光聚作用已经通过“光固化快速成型工艺”、“DLP投影技术”、“扫描、旋转和选择性光固化”、“基于光刻的陶瓷制造”，以及“双光子聚合技术”这五种不同的方法实现了商业化。
光固化快速成型工艺是有史以来第一个3D打印技术，它是在一桶（或一池）液态感光性树脂内通过使用计算机控制的激光束来构建3D物体。第一台光固化快速成型3D打印机由3D Systems制造，也被称为“光固化快速成型设备”或“SLA”。
在大多数的SLA硬件上，物体都是在穿孔的制作平台上进行创建，这个平台位于桶中感光性树脂表面。然后UV激光束在液体表面勾勒出物体的第一层形状，这可起到固定作用，然后制作平台稍微降低一点。接着更多的液态感光树脂流到物体第一层的上面，或者通过机械装置使池中表面液体强行穿过物体第一层，再用激光勾画出下一层并固定。反复重复此过程直至打印完整个物体。最后制作平台回到表面并与物体脱离。图2.6展示了传统的光固化快速成型3D打印法的过程。
图2.6 传统的光固化快速成型工艺
注意：
有些打印机的技术是反向的，激光束由透明感光性树脂桶底部开始固化物体层
和材料挤出工艺一样，使用光固化快速成型技术3D打印的物体通常也需要附加的结构来作为延伸和孤体的支撑点。打印完成后将这些支撑点分离或用工具去除。然后再使用溶剂对物体进行清理，最后用水冲洗，就可以得到一个完整清洁的物体。很多物体还需要在UV炉中进行调整。如果将在透明树脂中打印的物体暴露于阳光下，那么要对其喷漆以防止变色。有时物体还可以利用玻璃珠来改善表面质量，或者用喷气磨砂法来进行抛光。
与材料挤压技术不同，光固化快速成型技术是十分精确的，由它打印出来的物体表面都很光滑。目前最大的生产型光固化快速成型打印机是3D Systems公司的双激光3D打印机ProX 950，它的打印体积可达1500毫米×750毫米×550毫米（59英寸×29.5英寸×21.65英寸），最大打印重量为150公斤。该硬件X轴和Y轴的精度为0.025毫米，而其售价则为99万美元。
虽然在分辨率和表面质量方面，光固化快速成型是一项高品质的3D打印技术，但是其昂贵的价格把专业消费者和小型企业都拒之门外。然而，最近由于市场上出现了几款小型低成本的光固化快速成型3D打印机，这种状况正在逐步改变。2011年11月，Asiga公司推出了一款桌面光固化快速成型打印机，售价在7000美元以下。2013年5月，Formlabs推出了一款叫作Form1的桌面光固化快速成型打印机，售价为3299美元（2014年6月，Form1升级为Form1+）。
Form1+在制作平台底部固化物体层，制作平台先与感光性树脂浅池基接触。浅池基是一个涂有硅的光学透明盒，激光束投射在上面，从而固化物体层。当各层打印完成后，浅池基稍稍倾斜，随着制作平台的上升，在浅池回到水平位置之前将物体的底部与硅层分离。该动作为最后一个物体层重新涂上新的感光性树脂，如此反复。
Form1+的打印体积为125毫米×125毫米×165毫米（4.9英寸×4.9英寸×6.6英寸），可实现的最小层厚仅为0.025毫米。由于其反向的工艺，Form1+和相似的硬件可能需要在物体上添加坚硬的支撑结构，如果没有支撑结构，零部件会在打印过程中回落到感光性树脂桶中。
3D Systems同样不甘示弱，于2014年3月推出了一款名为ProJet 1200的“微型SLA”打印机。它的售价是4900美元，打印体积为43毫米×27毫米×150毫米（1.69英寸×1.06英寸×5.9英寸）。2014年5月，软件巨头Autodesk还宣布其打算推出一款基于新型“Spark”开源平台的桌面光固化快速成型打印机，预计售价约为5000美元。
当光固化快速成型技术最初被发明出来的时候，只能使用脆性树脂打印物体。因此，它通常用于制造生产模具，或者制作概念模型和展示模型。现在已经开发出了各种形式的感光树脂。包括橡胶状塑料、ABS和其他热塑性塑料的替代品、阻燃材料、纯树脂，以及专门用于牙科模型和珠宝设计的特殊感光树脂。所以，光固化快速成型技术还在继续生产模具和试制模型，同时也开始用于制造最终产品或零部件。但是感光树脂的价格仍然高于热塑性挤压材料。例如，Form1+消耗一升树脂的费用为149美元。
第二种桶式光聚作用3D打印方法是DLP投影技术。你或许对DLP（数字光处理）技术已经有所了解，许多电影院、阶梯教室、学校或家庭中使用的视频投影机内部都使用了这种技术。DLP投影机有一个微小的成像芯片，里面包含一组显微镜面或“数字微镜元件（DMD）”。这些镜面可以迅速旋转，将光线从投影机镜头、散热片或“光储”中反射出来。通过控制镜面排列方向可投影出高品质图像。
你可能会问，有了DLP投影机就可以3D打印了吗？答案是只有能够选择性固化液态感光性树脂的DLP投影机才可以。在一台类似结构的倒置的光固化快速成型打印机中，DLP投影机被置于一个装有液态感光性树脂的透明浅池基的上方，然后投影机在制作平台的底部固化物体的一整层。
与基于激光的光固化快速成型打印机类似，DLP投影3D打印机同样可以达到很高的精度。而且，小型打印机的精度要高于大型打印机，因为投影图像只需集中在较小的区域里。目前最大的DLP投影3D打印机能够打印的最小层厚约为0.025毫米，构建体积为267毫米×165毫米×203毫米（10.4英寸×6.5英寸×8英寸）。
多种感光树脂可用作DLP投影3D打印机的制作材料，包括传统塑料的透明或不透明的替代品，以及蜡基聚合物和一些牙科或医疗级塑料。事实上，EnvisionTEC公司的DLP投影3D打印机已经广泛用于3D打印助听器外罩及牙科专业领域。接下来的几章将详细介绍它的应用范围。
2013年12月，Prodways公司发明了一种名为Moving DLP的技术。这项技术与标准的DLP投影技术类似，但是通过一个移动的安装于顶部的投影机在液态感光性树脂池的表面投影物体层，进而达到更高的分辨率。Prodways公司称其为“MOVINGLight技术”，并且通过使用最新的UV LED作为DLP投影机的光源来提高打印速度。
扫描、旋转和选择性光固化技术（3SP）由DLP先驱EnvisionTEC公司于2013年12月推出，这是一种新型桶式光聚作用工艺。在3SP打印机中，光通过一个旋转的桶反射，经过一系列光学元件将光束聚集到Y轴感光性树脂桶的表面。然后，UV光源和其成像组件根据需要在X轴上移动。3SP允许比DLP构建更大的尺寸，其中EnvisionTEC公司生产的Xede 3SP打印机的构建尺寸为457毫米×457毫米×457毫米（18英寸×18英寸×18英寸）。
第四种桶式光聚作用技术由奥地利的Lithoz公司开发，即独特的基于光刻的陶瓷制造（LCM）工艺。这是DLP的另一种有效形式，而不同之处在于它可以选择性固化包含陶瓷颗粒的感光性树脂。打印完成后需要进行相当广泛的后处理，以便去除感光性树脂，然后烧结其余的材料，进而形成紧凑的陶瓷部件。所有工序完成后，由LCM技术打印的物体将完全由陶瓷材料制成。
最后一项桶式光聚作用3D打印技术是双光子聚合技术（2PP）。这是一种“纳米光学”3D打印法，类似于光固化快速成型技术，未来可能会成为主流3D打印形式。世界各地的几个研究小组正在开发2PP，包括维也纳技术大学由Jürgen Stampfl领导的增材制造技术（AMT）小组，以及德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的衍生企业Nanoscribe公司。
2PP通过使用“飞秒脉冲激光”选择性固化感光性树脂。这听起来似乎像光固化快速成型，但2PP 3D打印机能够实现的最小层厚和X-Y轴分辨率在100~200纳米之间。鉴于传统的光固化快速成型技术中X和Y轴的分辨率为0.025毫米，最小层厚为0.05毫米（Z轴），也就是说，2PP使所有轴的分辨率都达到了0.0001毫米。换句话说，目前2PP比传统光固化快速成型技术大约精准了250倍，打印出来的东西比细菌还要小。2PP也远远快于光固化快速成型技术，甚至能够每秒钟打印几米物体层。
未来2PP可以十分精准地打印很微小的东西，如微电子和光电子电路，还可以快速制造大型物体。特别是，2PP能够让未来的3D打印物体既轻巧又坚硬，因为它们的制造材料不是实心的，而是中空的纳米晶格材料。目前，纳米晶格结构只存在于自然界中，典型的例子包括人骨和木材。通过允许人为创建此种结构，2PP可能因此开拓出一个全新的制造领域。
为了开发2PP，维也纳科技大学众多学科的科学家们一直共同致力于提高感光性树脂性能和镜像技术。他们开发的感光性树脂含有特殊的“引发剂”分子，确保只有在同时吸收两个光子时才能固化周围的树脂单体。因为这只发生在激光束的正中心，所以使其成为一种极为精确的3D打印工艺，它允许在感光性树脂桶内的任意位置固化材料，而不仅仅在其表面上。
谈到移动的3D打印机激光束，这个来自维也纳的团队已经开发了一个非常高速的系统来保持镜子不停地运动。这减少了加速过程和减速过程时所丢失的时间，因此缩短了3D打印的过程。
为了证明他们的系统，维也纳的研究人员已经用2PP 3D打印机制造出了一台0.25毫米长的一级方程式赛车模型，耗时4分钟。他们还制造了维也纳圣史蒂芬大教堂模型，如图2.7所示，长度仅为0.1毫米。
图2.7 双光子聚合技术
此打印模型为维也纳圣史蒂芬大教堂，由维也纳科技大学Jürgen Stampfl领导的AMT团队合作完成，长度为0.1毫米。图片转载已获得Robert Liska许可
在德国，Nanoscribe公司上市了一台名为Photonic Professional GT 2PP 3D打印机。这个屡获殊荣的硬件是当前市场上分辨率最高的商用3D打印机，目前正用于众多前沿研究领域。其中包括组织工程、新型电子设备的创建、生物黏合剂以及纳米微型机械。
回到我们的话题，另外一项基于固化液体的3D打印技术是“材料喷射”。这种技术有多种形式，大部分是将液态感光性树脂从多喷嘴的喷墨式打印头中喷射出。如图2.8所示，这种类型的3D打印机喷头在制作平台上移动以沉积一层液态感光性树脂。然后被从上述打印头中发出的UV光固化。3D打印机制造商Stratasys公司基于该技术所销售的硬件注册名称为PolyJet（“感光性树脂喷射”的简称），而3D Systems把此技术称为“MultiJet Printing”或“MJP”。
图2.8 感光性树脂材料喷射技术
材料喷射打印机通常先使用凝胶状物质做成支撑结构，物体打印完成后再用手、刷子或喷水工具将其去除。当所有支撑结构被去除之后就不再需要进行后续处理了。这也使得材料喷射技术比传统的光固化快速成型技术操作起来更快捷方便。
许多坚硬的、柔软的、不透明的和透明的感光性树脂被广泛用于材料喷射技术。其中包括ABS、聚丙烯、聚碳酸酯和橡胶。许多材料喷射打印机在一个打印作业中还可以输出多种材料。这是通过向打印头中提供不同的感光性树脂基，并且在打印过程中将其混合为不同的组合来实现的。例如，Stratasys公司的Connex系列打印机能够创建一个由14种材料组成的物体。Objet500 Connex3 3D打印机甚至可以输出多种材料的彩色物体。本书编写时，材料喷射3D打印机能够构建的最大打印体积是1000毫米×800毫米×500毫米（39.3英寸×31.4英寸×19.6英寸），由Stratasys公司的Objet1000材料喷射3D打印机实现。
硬件除了可以喷射和固化液态感光性树脂，还有一些材料喷射打印机能够通过喷射热蜡滴构建铸模。例如，3D Systems有一系列ProJet 3D打印机使用其专业的VisiJet蜡和蜡质辅助材料，通过材料喷射技术构建“RealWax”物体。
Stratasys公司有一种基于“蜡沉积模型（WDM）”材料喷射工艺的材料喷射打印机，可用于为牙科和珠宝制造行业构建蜡模。它由SolidScape公司（现属于Stratasys公司）开发，并命名为“热敏按需喷墨法（DOD）”。与3D Systems的RealWax技术类似，它由特殊的蜡样塑料构建物体，与大多数材料喷射技术不同的是，该工艺的构建材料无需UV光固化。相反，“TrueWax”的固态热塑性塑料和辅助材料从打印头里输出之前需先在池中预热变成液态。喷射后，由于迅速冷却而自然变硬。
最后一种材料喷射3D打印技术是Printoptical。该技术由荷兰的LUXeXceL公司开发，用于制造原型或功能性光学部件。
Printoptical使用的是“One-Step-CAD-to-Optic”打印工艺，根据CAD设计的形状，用其3D打印机喷射透明感光性树脂的液滴。然后，LUXeXceL的软件在每个液滴喷射之前决定其是否应该由UV光立即固化，或者是否应该随其滴下以增强平滑度。随着这项技术的发明，LUXeXceL已经非常巧妙地开发出3D打印光滑镜头的能力，而无需任何抛光或其他后续处理。这意味着，LUXeXceL已经拥有一项可直接在打印床上使用的精准、高速且易扩展的工艺，实现3D打印坚硬体积的高质量镜头。
目前，LUXeXceL正专注于3D打印安装在LED照明系统中的照明用镜头，而不是用于成像的镜头。第4章将详细介绍LUXeXceL。
介绍完固化液体的3D打印机，再来了解三组黏合粉末构建材料的技术。第一种是黏合剂喷射技术，如图2.9所示。制作过程开始时，把一层粉末置于制作平台上形成“粉末床”。这通常是通过提高相邻的“粉末池”和使用清扫刀片或滚压机来推动粉末到达粉末床。然后一个多喷嘴的喷墨式打印头穿过粉末床，选择性地喷出黏合剂溶液，以此来形成第一个物体层。接着粉末床稍稍下降，另一层粉末被推过来，黏合剂继续喷出，如此反复。
整个物体打印完成后，使用真空系统自动去除散粉并回收未使用的粉末，以便以后继续使用。然后手工取出打印物体，转移至“去粉室”中，使用压缩空气喷掉物体表面粉末，直到它完全干净。最新的黏合剂喷射3D打印机有内置的去粉室，还有能够回收多余粉末的闭环负压力真空系统，几乎不会浪费未使用的打印材料。
黏合剂喷射打印有时也被称为喷墨式粉末打印法或“Zprinting”。后一个名称源于该技术最初是由Z Corporation开发，并且销售了一系列“ZPrinter”型号打印机。然而，早在2012年，Z Corporation被3D Systems收购，同时ZPrinter的工艺被重新命名为ColorJet Printing。
图2.9 黏合剂喷射技术
黏合剂喷射技术比其他3D打印技术具备许多优势。首先，对比大多数基于粉末的3D打印工艺，其打印过程无需制作和去除支撑结构，因为延伸和孤体部分可由周围的散粉支撑。其次，该技术能够比上述两项工艺更快速地构建物体。第三，该技术的制作成本低于其他3D打印技术。最后，黏合剂喷射3D打印机可以实现全彩打印。
黏合剂喷射3D打印机在粉末层上同时喷射黏合剂和彩色墨水就能够打印出彩色物体。这项技术和传统的2D照片打印机所使用的工艺是一样的，将绿色、红色、黄色和黑色墨水适当混合从而打印出全彩照片。3D Systems的黏合剂喷射打印机更有优势的一点是，它可以只喷入物体表面几毫米深处，从而节省墨水的消耗。
3D Systems销售的大部分黏合剂喷射3D打印机都通过一种名为VisiJet PXL的基于石膏的专有粉末材料制造物体。使用这种材料打印出来的物体，在从打印机中移出之前需要进行固化（大约一个小时）。即使在固化后，物体仍然相当易碎。虽然它们可能会被用来当做展示品（比如陈列模型），但大部分物体还需要一定形式的后续处理。即所谓的“浸渍”，这涉及到刷、喷或用其他化学涂层等操作，从而填补物体表面的微小气泡和坑洞。
使用VisiJet PXL材料打印的半成品可以用多种化学物质浸渍。有些物体用“盐水固化法”就能够处理完成。而有些需要重点处理的则可使用“ColorBond”加固胶水，如果物体需要强力浸渍，则需要高强度的“StrengthMax”加固胶水。处理后的物体会变得十分坚硬，甚至可以用作功能原型和最终生产零件。例如，黏合剂喷射结合StrengthMax浸渍已经成功制造出了扳手和机器人零件等物体。用黏合剂喷射3D打印机制作出的物体一旦经过适当的浸渍，可以满足打磨、钻孔、油漆和电镀等需求。
除了使用石膏粉末的硬件，3D Systems还销售全彩黏合剂喷射打印机—ProJet 4500，它使用的材料是VisiJet C4 Spectrum塑料粉末。该打印机于2013年12月推出，具有构建无需后续处理的半刚性塑料部件的能力。ProJet 4500的制作区域大小为203毫米×254毫米×203毫米（8英寸×10英寸×8英寸）。如图2.10所示，这是由ProJet 4500制作的3D打印样品。
虽然3D Systems是唯一一家能够用塑料粉末进行彩色打印的公司，但德国一家名为voxeljet（以小写v开头）的公司已经开发出使用喷射黏合剂工艺制作大型单色物体的硬件。这些硬件使用由丙烯酸树脂玻璃改良的PMMA粉末进行构建，打印完成后需要单色浸渍。PMMA还可以与蜡浸渍用于铸模。一些voxeljet打印机的打印体积十分庞大，其中voxeljet 4000可以打印4米×2米×1米（约13.1英尺×6.5英尺×3.3英尺）大小的物体。
图2.10 ProJet 4500制作的3D打印样品
除了使用石膏或塑料粉末构建物体，有些黏合剂喷射3D打印机（包括voxeljet 4000）还可以使用铸砂作为制作材料，从而实现模具和模芯的3D打印，这对于工业领域有着非常显著的影响。
几千年来，砂型铸造一直是生产铁、青铜、黄铜、铝和黄金等金属的常见制作工艺。该技术主要使用一种特殊的树脂浸渍砂，根据物体“模板”进行制造。这种模板一般是用木材等相对容易塑造成型的材料做成。
砂在模板中压实之后，就要将模板从组装的模具中拿掉，这个过程可能需要将模具拆分再重新组装。然后将熔融金属倒入模具形成模板的形状。最后，等金属凝固后，把砂型模具分离掉就得到了最终的物体。
黏合剂喷射砂型铸造模具3D打印机使用完全相同的工艺，如图2.9所示。唯一的区别是在较大的打印机中，特别设计的砂平铺在打印床上方的料斗中，而不是在上升的粉末池中推滚或扫过。打印完成后，周围松散的砂被回收，再用普通砂型铸造工艺往组合模具中填充金属。
3D打印砂型铸造模具工艺最大的优势在于它在打印前无需制造物理模板（这个过程需要时间和精巧的工艺技能，或者使用其他3D打印技术）。它还可以制造十分复杂和大型的模具，而且在浇铸之前不需要为了移除模板而打破模具。因此，这项技术的应用能够节省大量时间和金钱，同时制造出更多新颖的产品。虽然这样的打印机只是生产砂型铸造模具，而不能直接打印物体，但这仍然是一项非常重要的技术，它大大加快了这一最古老的制造工艺生产速度并降低了成本的。
Z Corporation开发的黏合剂喷射3D打印机本来是利用石膏复合材料来打印高分辨率的陈列模型和原型的。但是一家创新公司ExOne打破了这一界限，开始开发以青铜、铁、注入青铜的不锈钢或镍合金Inconel 625为材料制造物体的硬件。和图2.9一样，平铺一层金属粉末，移动的打印头在适当的地方喷射黏合剂使金属颗粒黏合在一起。接着加热灯将该层干燥，之后再平铺一层新的粉末。如此反复直至打印完成。
打印完所有层后，装有易碎和多空物体的“粉盒”被送入175℃的固化炉中保持24小时，目的是蒸发水分并固化黏合剂。接着去除所有未使用的和松散的金属粉末，露出仍然未成型的物体，它大约包括60%的金属和40%的空气。
为了使物体更坚固，还需要注入更多的金属。方法是将它放在一个盒子里，里面装有金属粉末，四周用氧化铝粉固定。然后放到温度为2000℃的窑中继续烧制24小时。此温度能够将青铜粉末液化并浸润到物体中，使其成为金属含量99.9%的固体金属。
冷却之后将物体从窑中取出。之前帮助浸渍的所有支撑点或“熔渣”都要手工去除。大多数使用黏合剂喷射金属打印方法制造的物体都需要进行抛光。
正如你所看到的，黏合剂喷射金属打印或多或少都要涉及到烧制（幸亏很多物体可以在窑中同时进行打印、固化和浸润）。即便如此，目前该技术却是最廉价的3D金属打印形式，利用Inconel 625制作的零件甚至可以用来制造航空航天、涡轮机和其他高端工业部件。黏合剂喷射金属打印还有一系列表面抛光等工艺，包括镀金。因此，该技术在那些制作珠宝的艺术家中十分流行。ExOne的M Print机型目前能够实现的最大打印体积为800毫米×500毫米×400毫米（31.5英寸×19.68英寸×15.75英寸）。
陶瓷同样可以用于黏合剂喷射过程中。逐层平铺硅酸铝陶瓷粉末再喷射黏合剂。所有层都打印完成后，将物体置于烤箱中进行干燥并将多余粉末去除。然后再放到窑中烧制、预上釉、再烧制、上釉、最后再烧制一次。富有光泽的陶瓷成品具有高耐热性并达到了食品安全级别。
率先将这一技术推向市场的是ExOne。然而，2014年1月，3D Systems宣布新型3D打印机CeraJet将能够制造适合烧制和上釉的全彩陶瓷物体。正如来自3D Systems的Buddy Byrum所说，CeraJet“令数字化时代的陶瓷制作更加大众化，它是传统艺术向新时代科技转变的最好例证”。
虽然最终成品是光滑的，但以这种形式3D打印的物体各轴的分辨率被限制在2毫米，尤其是上釉的过程会影响细节。然而，对于生产花瓶、盘子、杯子、碗、蛋杯等餐具还是可以的。现在有些在线3D打印网站提供黏合剂喷射陶瓷打印服务，为那些想要拥有个人定制餐具的人们提供了方便。
ExOne的黏合剂喷射硬件还可以制作玻璃物体，这是该技术的另一种变形。即平铺一层粉末状钠钙玻璃，它的细小颗粒与被喷出的黏合剂有选择性地黏合在一起。打印出来的物体在脱粉之前先在烤箱中进行固化。然后将其装入到盒子中，与添加的玻璃粉末一起在750℃的窑中烧制。窑中的物体被玻璃粉末浸润，将其表面空隙填满从而变得更加坚硬。
目前这种技术可使用的材料为白色或黑色玻璃，摸起来多孔、易碎且粗糙。该技术只能生产相对较小的物体（约75毫米×75毫米×75毫米，或3×3×3英寸），一般用于制造雕塑及其他装饰品。
黏合剂喷射是一项基于粉末的3D打印技术，虽然应用于众多领域，但也有其局限性。尤其是在对物体进行固化和后处理时，无法100%使其成为固态。如果这是必需的，则有必要转向另一种名为粉末床熔融的3D打印工艺。该技术与黏合剂喷射类似，但是选择性加热周围的粉末颗粒，进而实现黏合。
多种方式可以实现粉末床熔融3D打印技术，其中使用最广泛的方法是“激光烧结（LS）”，有时也称为“激光溶化（LBM）”粉末层在粉末床上推滚或扫过，激光束在其横断面上勾画出物体第一层的轮廓。发热的激光将触及到的粉末颗粒物“烧结”，从而使部分粉末和周围的颗粒物熔化。图2.11说明了此过程。
图2.11 激光烧结粉末床熔融技术
激光烧结能够使用多种粉末材料进行制造。包括塑料尼龙（聚酰胺）、多种金属、陶瓷、砂和蜡。如前所述，激光烧结的材料为砂和蜡时，所得到的物体被用作传统铸造工艺中的模板。目前，一家名为Graphite Additive Manufacturing的公司使用“Carbon SLS”提供低运行制造。打印的部件由激光烧结塑料制成，并且在输出过程中使用碳纤维加固。Carbon SLS非常受一级方程式赛车队的青睐。
激光烧结技术还能用两组粉末材料制造物体。这样的混合粉末具有较高熔点（例如玻璃或金属），而在涂层时使用较低熔点的材料（如尼龙）。这能够让激光只熔化熔点低的材料，以便将熔融的粉末颗粒固化。最近，一种叫作“alumide”的双组材料开始流行起来。它是尼龙粉末和铝的混合物，成本低廉，操作简单，依靠相对较低温度下产生的金属火花就能够制造物体。
激光烧结技术通常是十分精准的，尤其是使用尼龙等塑料材料制造物体时。然而，烧结（或不完全熔化）的金属塑料混合粉末不能用于生产工程应用的最终产品中，例如发动机部件。正因为如此，所以出现了激光烧结技术的变形，比如使用激光束将颗粒充分熔化形成单一材料粉末，如铝、铜、钢、钴铬合金、铁、银、金或钛，以此来制造更纯的金属物体。制作过程的不同取决于特定的3D打印机制造商，种类有直接金属激光烧结（DMLS），直接金属打印（DMP）、选择性激光熔融（SLM）和laserCUSING。德国的EOS e-Manufacturing Solutions公司还开发出了一种“微型激光烧结（MLS）”技术用于制造复杂的小零件。图2.12显示了由英国3D打印服务公司3T RPD使用DMLS制造的铜部件。
需要注意的一点是，DMLS、SLM、laserCUSING和MLS都可被归类为“金属增材制造（AMM）”，这个标签还可以用在我们前面所说的金属熔融沉积建模（FDMm）和线圈与电弧增材制造（WAAM）等技术上。如果你已陷入了3D打印技术的词汇泥潭，那么我很同情地告诉你，你并不孤单！
图2.12 3T RPD使用DMLS打印的铜部件
虽然这听起来非常直接，但是激光烧结是一个充满挑战的工艺。当使用尼龙和其他非金属材料时，为了使激光易于熔融粉末颗粒，打印机的构建室要预热至恰好低于材料的熔点。当使用金属作为材料时，预热至熔点以下是无法完成的，并且需要采用高功率激光。而激光烧结的非金属部件无需在物体上添加任何支撑结构（因为无用的散粉可以替代延伸和孤体部分），在使用金属材料打印时，通常需要支撑物。这对于支撑延伸、孤体部分以及散热来说都是必要的。
目前使用塑料、蜡和混合材料进行激光烧结的商业3D打印机能够打印的最大体积为550毫米×550毫米×750毫米（21.6英寸×21.6英寸×29.5英寸），最小层厚为0.08毫米。DMLS及相关金属工艺在生产小型打印体积上有相似的精度（通常为250毫米×250毫米×320毫米，约10英寸×10英寸×12.5英寸）。德国公司Concept Laser研发出了一台大型3D金属打印机，名为X Line 1000R。它的打印体积为630毫米×400毫米×500毫米（24.8英寸×15.7英寸×19.7英寸），最小层厚为0.02毫米。
激光烧结技术打印的物体表面光滑，并能实现一系列抛光作业。对于金属物体，抛光程度可达镜面质量。因此，激光烧结通常是3D打印成品的首选技术。唯一的问题是，激光烧结（以及选择性激光熔融等相关技术）需要使用大而昂贵的硬件，每台打印机的费用都要数十万美元。例如，3D Systems的ProX系列DMLS 3D打印机的售价在23.5万到72.3万美元之间。图2.13显示了其中一种3D制造机器。
图2.13 3D Systems的一台ProX 300 Direct Metal 3D打印机
图片来源：3D Systems
然而，目前市场上出现了一种更小更便宜的硬件。例如，2014年10月，Sintratec公司推出了一款售价5000美元的打印机。它可以在桌面上使用尼龙和蜡进行激光烧结。同时，德国制造商Realizer推出了SLM-50打印机。这是首台实现在桌面上直接制造小型金属物体的3D打印机，其构建材料包括钴铬合金和金。
除了激光烧结和直接金属打印技术，还有两种3D打印技术是在粉末床上进行加热，从而选择性固化固体层。第一种是电子束熔炼（EBM）技术，也被称为电子束添加剂制造（EBAM）技术，打印过程如图2.11所示。
EBM 3D打印机已率先由Arcam公司开发出来了，它可以在真空中用电子束在每一物体层打出多条电子束，然后再逐层创建，最终制造出高质量的金属物体。第一条电子束通过扫描粉末床将制作材料预热至最佳温度，接着第二条电子束熔融出物体第一层轮廓，剩下的电子束将轮廓内的大量材料熔化。
EBM所涉及的技术十分复杂，它是利用电磁偏转来移动电子束，而不是用机械移动的。EBM与其他技术相比的优势在于，用它制作的完全致密（换句话说是100%固体）的金属零件精密程度可达到零失真，因为它是在真空中打印的。
EBM的应用局限于高价值的制造材料，如各种级别的钛和钴铬合金。现在这些金属已被用来制造航空航天和其他特殊工业领域的最终零部件。医用移植物也在使用这项技术。目前使用EBM技术的型号为Arcam’s A2XX的打印机可打印的最大体积为350毫米×350毫米×380毫米（13.8英寸×13.8英寸×14.9英寸）。
另外一家率先使用类似于激光烧结3D打印技术的公司叫作Blueprinter。该公司使用的技术名为“选择性加热烧结（SHS）”，它通过使用热敏打印头选择性固化塑料粉末来打印物体。其优势在于能够在桌面上使用低成本硬件完整打印整个固态塑料物体。
在SHS打印机内部，分散的叶片将粉末层平铺在粉末床上。然后经过热敏打印头的扫描把所需的颗粒熔融在一起。重复此过程直至整个物体打印完成，最后去除多余粉末。
使用基于粉末材料的SHS技术打印出的物体无需附加支撑结构，打印过程中物体周围的散粉可以托住延伸和孤立部位。因此，随着时间的发展，SHS或许会成为替代热塑挤压3D打印的流行工艺。目前桌面SHS Blueprinter 3D打印机售价约为13000美元，打印体积为160毫米×200毫米×140毫米（6.3英寸×7.9英寸×5.5英寸），粉末层最小厚度为0.1毫米。
另一个粉末来生产最终物体的技术是“定向能量沉积”技术（DED）。该技术用大功率激光束直接熔融沉积金属粉末。许多公司都开发出了这种技术，包括Optomec，它是另一（专有）名称“激光近净成型（LENS）”的拥有者。
多种材料可用于定向能量沉积技术，包括不锈钢、铜、镍、钴、铝和钛。与粉末床熔融技术不同，在这种工艺中，注入打印头的金属粉末可以在输出过程中被连续改变。因此，它能够制造出传统方法无法完成的特殊物体。
由于打印输出不在平坦的粉末床中完成，所以定向能量沉积技术的另一个优势是它可以在修复现有物体的同时制造出一个新的物体。虽然用这种技术生产的物体需要进行一定程度的表面处理（如用机器进行抛光），但它们也能作为致密的金属零件直接使用。
大多数3D打印工艺挤出的都是半熔融材料、固态感光性树脂或者黏合的粉末。然而，最后还有一种不同于其他3D打印方法的工艺，叫作“层叠制造成型”，即纸张、塑料或金属箔经过激光或刀片的切割黏合在一起进而形成物体层。它还有一个更常见的名字—“分层实体制造技术（LOM）”。
层叠制造成型技术可以通过使用各种机制来实现，但都是以某种方式把材料推到制作平台上。使用的材料要么有背胶，要么在制作过程中涂抹黏合剂。激光或刀片在薄板上切割出物体层轮廓，然后降低制作平台。此过程不断重复，直至打印完成整个物体。
作为基于粉末的3D打印技术，使用层叠制造成型技术制造的物体同样不需要支撑结构，周围的打印材料可以将其固定住。为了避免去除大量材料，打印机可以进行交叉打印。这就需要将小块的纸张、塑料或金属箔手动去除。
早在2001年，我所见到的第一台工作中的3D打印机就是使用层叠制造成型工艺的，机器尺寸为一辆小型汽车大小。当时用该设备测试性打印出了一双鞋的鞋底，并且做工相当不错。实际上，它是利用激光切割将纸张逐层黏合而制造出坚实漂亮的鞋底，看上去像是木头雕刻出来的（需要说明的是，激光切割能使纸张边缘轻微变成棕色）。然而，我被垃圾桶旁大量浪费的材料所震惊，我想这项技术似乎很难持续发展。很偶然的一次机会，2012年我在3D打印研究所见到了这台被捐赠的落满了灰尘的机器，这种特殊的LOM硬件只能在Windows 3.1系统附带的软件上运行，所以已经有很多年都没再使用过了。
1991年发明层叠制造成型技术的Helisys公司已经停业，而其他几家生产层叠制造成型3D打印机的制造商也自那时起陆续进入并离开了3D打印市场，很多评论家认为这是一项已经衰落的技术。然而，这样的说法似乎言之过早，因为最近一些新的层叠制造成型打印机又重新回到了市场上。特别是爱尔兰的Mcor Technologies公司已经推出了两款打印机，使用专有工艺“选择性沉积层叠（SDL）”黏合标准复写纸。
Mcor公司的硬件打印物体的成本低于本章中介绍的任何一种打印技术。这种3D打印机使用A4纸打印的物体体积为256毫米×169毫米×150毫米，而使用信纸打印的体积为9.39英寸×6.89英寸×5.9英寸，分辨率为0.1毫米。Mcor的Iris 打印机甚至能够利用集成的喷墨打印头在每张纸层表面喷洒彩色墨水，用这种方法打印出的全彩色物体有“坚韧、耐用、环保”等特点。
另一家早期使用层叠制造成型技术的企业是Fabrisonic。它开发出了一种名为“超声波增材制造（UAM）”的工艺，通过高频（20000赫兹）振动将金属带焊接在一起，进而创建物体。
正如我们在本章所看到的，目前已经有很多种方式能够进行3D打印，可使用的材料也多种多样，包括塑料、光固化树脂、金属、食品材料和陶瓷。虽然3D打印革命仍然处于起步阶段，但毫无疑问的是，它已经具备了非常坚实和广泛的技术基础。
根据以上观点，新型3D打印技术将会不断涌现并且商业化。尤其是在2014年10月，惠普公司计划在2016年发布“多喷头熔融”这一新技术之前，将于2015年由少量客户针对该技术进行第二阶段测试。多喷头熔融技术是在第二个打印头选择性喷射“熔融和细化剂”的液滴之前在打印架中平铺一层粉末。在本书出版前几天多喷头熔融技术才开始推向市场，所以在本书第3版中我们将对其进行深入介绍。
2015年，位于亚特兰大的3D打印公司DDM Systems推出了基于“LAMP”的硬件，这又是一个新的进展。LAMP指的是“大幅面无掩模光聚合”，物体层通过在打印床上刮涂液态构建材料形成，然后使用移动的DLP投影机进行固化。制作材料由感光性树脂和陶瓷粉末混合而成。我很好奇ASTM该如何对LAMP和惠普公司的多喷头熔融这两种技术进行分类。
与此同时，30岁的哈佛毕业生Grace Choi通过创建一台3D化妆品打印机而改变了550亿美元的美容行业。这台打印机叫作Mink，它可以制作口红、唇彩、眼影、腮红、指甲油、眉粉等客户所需要的所有化妆品。Grace认为，化妆品的色彩以及时尚趋势将不再需要由大公司来决定，年轻女性和其他最终用户都拥有控制权。
寻求改造传统市场方法的另一位先驱是格拉斯哥大学的Lee Cronin教授。在早期阶段他就计划开发一款名为“chemputer”的3D打印机。它可以在家庭中3D打印药品。制作材料通常为简单的化学试剂，在打印过程中经过复杂的分子反应从而形成药品。Cronin教授与他的团队已经开始研究chemputer的原型机器，并希望利用它3D打印出布洛芬等简单的药物。
虽然我们在谈医药，但值得注意的是，还有另一个完整的领域是器官3D打印技术。“生物打印”潜在的打印领域是十分令人着迷的，第6章会详细介绍。生物打印开拓者们已经掌握了3D打印活体人体组织的技术，并希望在10年内开发出用于器官移植的3D打印技术。
本章概括介绍了3D打印技术及其可能性和局限性。在下一章中，我们将在此基础上详细了解一下广泛的3D打印领域。
