1700400057
约翰向我们展示了一个白色的帝王豪宅建筑模型。豪宅前面竖立着8根立柱，构筑起了一个庞大的游廊。屋顶上，精致的栏杆环绕着雕刻成放射状的圆顶。豪宅右侧，一道蜿蜒的楼梯把游客引向前门。
1700400058
1700400059
豪宅屋顶露台的围栏像蛛丝一样细，如此精致的建筑模型既无法用注压成型这样的传统塑料加工技术实现，工匠也不能用雕刻工具以其精湛的技巧将模型从塑料块中雕塑出来，传统的硬纸板模型也不能胜任。如果要雕刻出游廊柱子后面的开阔空间，柱子就会在压力下折断。
1700400060
1700400061
约翰想在打印创作方面不断突破，想制作更精致的物体。他说：“3D打印让你可以制造一些令人称奇的模型和零部件，一些用3D打印制作的几何体是无法用其他方法制作出来的。”
1700400062
1700400063
1700400064
1700400065
1700400066
图5–1 3D打印的最终模型：一座古老的修道院
1700400067
1700400068
图片来源：Midwest Studios. Photo：Ed Watson
1700400069
1700400070
3D打印：从想象到现实 [:1700398785]
1700400071
3D打印机的两大家族
1700400072
1700400073
向人们介绍3D打印时，我经常会说3D打印有两大家族，第一个家族通过沉积原材料层制造物体，第二个家族通过黏合原材料制造物体。
1700400074
1700400075
第一个家族我们称之为“选择性沉积打印机”—将原材料沉积为层，这类打印机通过某种注射器或打印头注射、喷洒或挤压液体、胶状物或粉末状的原材料。家庭或办公室应用的通常是沉积型3D打印机，这是因为激光或工业热风枪相对来说容易产生危险。
1700400076
1700400077
第二个家族是将原材料黏合在一起（不是放置或沉积）的打印机，通常是利用激光或在原材料中加入某种黏合剂来实现，这类打印机被称作“选择性黏合打印机”—利用热或光固化粉末或光敏聚合物。不知道你是否还记得那个推销员的话，他告诉我和我的同学：他是在一台机器上利用激光打印出他的模型的。
1700400078
1700400079
3D打印：从想象到现实 [:1700398786]
1700400080
喷射、挤压或喷雾打印机
1700400081
1700400082
首先，我们探讨使用打印头沉积原材料的选择性沉积打印机。所用原材料可以是遇到打印台就会变硬的软塑料、原始的饼干面团或是特殊医疗凝胶里的活细胞。如果你在媒体上看到过诸如MakerBot的消费类3D打印机，你可能已经见过上述这种打印机了。
1700400083
1700400084
这类打印机所应用的打印技术的正规学名是FDM（熔融成型）。FDM打印机是斯科特·克伦普于20世纪80年代发明的，他凭借该技术创立了公司。如果一台机器被称作“FDM打印机”，那就意味着这台打印机会通过打印头挤出某种软质材料。
1700400085
1700400086
打印头开始工作前，这种类型的3D打印过程已经开始了数个步骤。第一步是定位软件设计文件，该文件可以告知3D打印机的内置软件（就是常说的“固件”）需要打印什么。一旦设计文件准备就绪，用户便将笔记本电脑连接到打印机，并将设计文件保存为能被3D打印机的内置软件读取并使用的特殊格式（我们稍后将详细解释转换过程）。
1700400087
1700400088
1700400089
1700400090
1700400091
图5–2
1700400092
1700400093
注：白色的物体正在被打印，如果仔细观察可看见锥尖在接触白色部分的顶层并挤出细缕白色塑料。黑色塑料是打印的支撑结构，稍后会洗掉。
1700400094
1700400095
图片来源：Stratasys Inc.
1700400096
1700400097
一旦打印机固件开始读取文件，它将计算出打印头的机械路径和动作。例如，打印头需要知道在哪里沉积出外形的轮廓，以及在哪里喷射多少材料等。
1700400098
1700400099
3D打印机固件完成操作计划后，物理打印过程就可以开始了。沉积材料的打印头通常沿着一系列的水平、垂直轨道（工程师们称作“桁架”）移动。沉积第一层时，打印头先勾勒出要打印物体的轮廓。第一层勾勒出物体的基础，就像在咖啡杯底部用铅笔描画出其形状。然后打印头来回扫描以填充轮廓，就像孩子在图画书中按形状填充颜色一样。
1700400100
1700400101
第一层打印完成后，打印头会略微抬起，然后回落并开始第二层打印。3D打印机持续重复该过程，耐心地打印出设计文件所描绘物体的每个横截面，这一过程可能持续数小时甚至几天。
1700400102
1700400103
3D打印家族的这个分支的优点在于其打印技术可以简化为技术含量相对较低的版本。简化版本的成本低、可使用的材料范围广。任何可以通过喷嘴挤压的原材料都可以进行3D打印。霜状白糖、奶酪和饼干面团是热爱美食的打印爱好者喜爱的原材料。另一种新兴的打印材料是“活体墨水”，它是一种特殊医疗凝胶中的活细胞混合物，医学研究人员使用这种医疗凝胶研究生物打印。
1700400104
1700400105
制造公司和设计公司使用昂贵的大型3D打印机，选择性沉积是家庭、学校或办公室的理想选择。即使是低端的3D打印机运行起来也很安静，而且它们使用相对低温的打印头，和高功率激光3D打印机相比，操作更安全。
1700400106