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3D打印：从想象到现实 [:1700398792]
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从绘图文字处理器到AutoCAD
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历史上第一个基于计算机的设计工具出现在20世纪50年代，当时研究人员和科学家们用它进行特殊的计算和基于计算机的原始模拟。早期的商业设计软件自20世纪60年代开始投入市场，售价约50万美元（由“数据控制公司”出售）。当我还是一名本科生时，我们很羡慕博士生能够使用运速快的CDC（通信设备类）主机。当时，这种巨型计算机呈现一个设计模型需要用1分钟的时间；而如今，你的手机1秒就可以呈现30个设计模型。
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1982年，一家名为Autodesk（欧特克）的小型软件公司的首席执行官约翰·沃克给他的雇员们发了一份内部通知。在通知中他描述了对全新设计软件产品的愿景。他满腔热情地将这个新产品定位成将在微机上运行的低成本“绘图文字处理器”。大约在同一时间，身处几千英里外的查克·赫尔正在制造世界上第一台原始的3D打印机。
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在与Autodesk雇员充分讨论之后，沃克将这个新的设计软件应用程序命名为“MicroCAD”（微型CAD）。如今，成本低廉的、基于台式计算机的设计软件大行其道。但在那个年代，这却是对未知将来的一次冒险。MicroCAD之所以被认为是一个全新的设计工具并不是因为它是设计软件，而是因为它可以在台式计算机上运行。MicroCAD最主要的市场吸引力在于它的成本低，不仅软件本身价格低，而且还为用户节省在计算能力方面成千上万美元的投资。
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沃克希望MicroCAD成为这样一种设计工具：不仅可以提供和价格昂贵的竞争对手的产品相同的性能，而且成本要比竞争对手低很多。沃克写道：“与安装在70 000美元配置的计算机上的Computervision CAD（计算机CAD）相比，安装在10 000~15 000美元配置的台式机上的MicroCAD在性能和特点方面更具竞争力。”
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在20世纪80年代，对于使用基于计算机的模拟程序测试机器部件的专业设计师和工程师来说，3D建模是最主要的途径。当时，微机还是一项不成熟的新技术，就像如今的家用3D打印装备一样。与大型机或早期的UNIX（一种操作系统）服务器相比，微机体积很小，缺乏运行复杂的工业设计项目所需要的能力。
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在当时那个个人计算机知识匮乏的年代，台式计算机市场刚刚起步。那些后来通过销售个人计算机软件成为亿万富翁的人在当时连百万富翁都不是，而且大部分在高科技领域以外无人知晓。微软和苹果距离入围财富500强公司还差很远。比尔·盖茨那时乘飞机坐的还是经济舱。
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当时，沃克的这家刚刚起步的软件设计公司是由兼职雇员组成的松散组织。每个雇员每周至少需要工作14个小时，每年才获得1美元的薪水外加股票期权。
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沃克的内部通知提到：“当前，微机领域尚无知名的竞争产品（虽然苹果公司也有一些非常简单的屏幕绘图程序，但我们必须认真地向消费者讲解我们的产品与其他产品的不同之处）。” MicroCAD可以处理2D（二维）图形，并可用于建筑楼层平面图的创作，或许也能实现绘制蓝图工序的自动化。
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几十年以后，事实证明，微软、苹果和Autodesk在微机上的冒险是正确的。作为20世纪90年代低成本桌面计算的弄潮儿，MicroCAD（现已更名为AutoCAD—欧特克）和其他商业计算机辅助设计软件树立了不朽的里程碑。如今，甚至连普通手机具有的计算功能和视觉显示功能也比20世纪70年代的大型计算机多。
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如今，Autodesk是一个价值数十亿美元的全球性公司，其在全世界范围内卖出了1 000多万件AutoCAD产品。“绘图文字处理器”已经成为历史，现在的AutoCAD是3D建模领域功能强大的设计工具。
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3D打印：从想象到现实 [:1700398793]
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设计软件：以数字化的方式呈现物理世界
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设计软件必须能够无缝地捕捉模拟物理世界的连续性和几何性本质，并将其缩减为离散的二进制单位。世界著名的物理学家理查德·费曼在他的回忆录中记录了如下一段对话，这段对话捕捉到了几何的非象征性、非言语性的本质：
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有一次，我们在讨论一些事情，我们当时也就十一二岁。我说：“思考就是跟自己对话。”
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“哦，是吗？”贝尼说，“你知道汽车曲轴古怪的形状吗？”
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“知道啊，你想说什么？”
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“好。现在告诉我：当你跟自己对话时，你如何描述它？”
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费曼提出了一个很好的观点。人的心灵之眼将物理世界的形状、组成和行为感知为不同形状物体的无限连续集合，但将所有这些信息缩减为可以用来向别人再次有效描述的一组符号，毫无疑问是一个严峻的挑战。
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设计软件必须将我们模糊而多样的物理世界缩减为精确、清晰的“语言”。早期的计算机在计算和跟踪符号（如数字或文字）上迅速超越了人类。然而，依靠已有的计算能力处理原始几何图形却花费了数十年的时间和大量钱财。
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图6–1 文件（右）通过电子化的方式描述需要打印的物理对象（左），并按步骤引导打印机工作
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图片来源：Bathsheba Grossman
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基于计算机的设计文件用x、y和z坐标捕捉物理对象的形状。当描述一个简单的块状物体时，它可以精确地描述出它的高度、宽度和深度。但是，当描述一个形状较为复杂的物体时，例如一朵花，描述过程就会变得较为复杂。计算机用一系列成千上万的x、y和z坐标对“普通”的3D物理对象的形状建模。
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当设计软件在用户的电脑屏幕上显示设计对象时，计算机处理器正努力地计算生成相应图像的数学方程。每当用户在过程中用鼠标点击设计图或者拉伸设计的边缘时，计算机都在迅速地进行一系列的计算，调整设计对象的x、y和z坐标。