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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。
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跟踪由单一材料做成的简单立方体设计的变更并不是很难。然而，当物体为弯曲状或结构复杂时，跟踪起来就比较复杂。即使是一个高度和直径都很规矩的圆柱体，也需要做大量的计算以便准确展示所有曲线和阴影的美感。对于一个创建装饰讲究的金属散热器的设计项目，设计文件将跟踪大量的x、y和z数据点，以便描绘金属散热器表面的所有曲线、镂空和边缘。
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20世纪90年代，当普通的公司和小型工程企业也可以负担得起设计软件时，工业设计发生了永久性的改变。与模糊的历史记载情形或者手工绘制图不同，设计文件可以被锁定，文件内的知识可以牢牢地、准确地被记录。设计文件可以即刻被发送到地球的另一端，其接收人可能是一个陌生人，他不需任何参考和提示，仅根据原始的物体设计就可以研究、保存、修改或3D打印他接收的设计文件。
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设计软件可以自动完成设计工序中的烦琐环节。文字处理软件可以减少对时间以及打印文件所需纸张的浪费。设计软件减轻了重复设计的痛苦。设计者可以快速地在屏幕上重复设计，也可以返回到之前的设计。你可以轻易地将某一部分的设计复制并粘贴到另一部分来试验表面的纹理和颜色。设计软件会跟踪每一个设计版本，其存储的数据点比人类能够记住的数据点要多。
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你还记得如何使用纸笔绘制一个立方体吗？如果你的立方体设计很简单，使用纸和笔就能绘制得很好了。但是，如果你想在设计上做一些试验，并添加一些创意，事情就变得麻烦了。
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我记得我上小学时，如果在绘制立方体时出错了或是想改变设计，我会使用橡皮。如果我在边角处应采用清新而明亮的黄色而非灰色，但发现得太晚时，我会在一张新纸上用一支黄色的铅笔重新开始。即使是重复简单的设计也会浪费纸张和时间，这样也就增加了挫败感。如果我的老师要求我在立方体上添加一些表面纹理或勾画一些内部通道，这些看似简单的附加设计就远远超出了我的能力。
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我第一次接触设计软件是高中时为图形设计写代码。上大学时我找到了一份兼职工作，帮助一家荷兰制造商在计算机上设计简单的钣金件。他不得不请一个经验不足的大一新生帮助他做这项工作，可见在那个年代会使用CAD的专业工程师可谓凤毛麟角。我的同学居伊·沙维夫和我一起写了个简单的程序，用来勾勒出钣金件的轮廓，就好像它是由纸做的，无须考虑其实际物理厚度。
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我们的想法是，当设计文件到达工厂以后，生产一线人员再输入钣金件的实际厚度。相应地，工程师的设计会自动调整。这是一个很简单的想法，与如今的实时、逼真、全景的动画设计比起来相距甚远。但是，我的指导老师摩西·什皮托尼（Moshe Shpitalni）很有先见之明，他预见到CAD不仅仅是改善设计本身这么简单。
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设计软件可以实现制造工厂的各个部门之间的无缝沟通。我们的程序使制造商放宽采购标准，与传统的“固定”的蓝图相比，可采购原材料的范围更广。该软件获得了巨大的成功，最终卖出了400万美元（其中我和我的朋友每小时得到2.5美元）。
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后来，我在20岁出头时，到海军服役，我们部队有一个特殊的蓝图部门。这个部门设在一个光线充足的房间里，在这里，训练有素的绘图员在桌面倾斜的绘图桌上辛苦地绘制船舶的船体、引擎和其他部件的详细蓝图。
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我和我的指挥官游说上级，使其将3D设计软件引入海军工程单位。最终，我们成功了，但这确实不是一件容易的销售工作。这些绘图员之前已经花费了许多年学习传统的绘制方法，仅有一些新入伍的士兵愿意重新开始学习如何使用基于计算机的设计工具。然而，甚至连之前最排斥的绘图员最终也意识到使用设计软件不仅可以提高效率，而且可以进行重复设计，其内置的计算与预测能力是任何人类绘图员都无法企及的。
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海军结构工程师可以很快地在他们的计算机上勾画出水箱的形状。然后，根据后勤部门的反馈信息，快速地通过数字化的方式改变水箱的容积。实际上他们几乎可以“称”出水箱的重量，并确定它的制造成本。最重要的是，计算机可以计算出不同形状和尺寸的水箱对船在公海上航行的稳定性造成的影响，而如果就这个问题请教专家的话，通常需要一个多星期才能得到答案。
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