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3D打印：从想象到现实 [:1700398794]
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让一切皆为可能：设计软件与3D打印的结合
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设计软件和3D打印技术的共同飞跃改变了人们设计与制造物体的方式。然而，这二者之间的关系在向着单边发展。3D打印的进步依赖于设计软件，设计软件的进步并不依赖于3D打印。事实上，设计软件现在才开始认真地把3D打印作为一种可行的设计媒介。
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设计文件可以对3D打印机提供的指导仅限于此。如果我们要通过3D打印制作“真实”的岩石、功能齐全的机器人或是新的肾脏，设计软件的功能将需要进一步加强。大多数大规模生产的物体都是由单个生产的零件组装在一起，而不是被整个生产出来的复杂件，设计软件不能映射出物体表面之下的具体结构。因此，物体的内部结构对于典型的计算机（和设计软件）来说仍然是鞭长莫及的。
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图6–2 使用Autodesk Inventor软件3D打印出来的涡喷发动机实体模型
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图片来源：Gonzalo Martinez, Autodesk
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如今，用于3D打印的设计软件主要分为两类。第一类设计软件被称为“实体建模”，其使用者为工程师和工业设计师。实体建模为用户提供了一个由现成的立方体、圆柱体、球体和其他标准的物理形状组成的形状库，只需点击几下鼠标就可以将这些形状剪裁、拉伸或是组合在一起。提供这个现成的形状库是为了可以快速地启动设计工序。通过使用形状库，用户可以将这些预先设定的形状调整和改变为独特的设计。
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第二类设计软件被称为“曲面建模”，最早被卡通动画师所采用。最近，视频游戏和图形公司也开始采用曲面建模。当用图形库中现成的形状无法满足卡通形象或想象世界的设计需求时，曲面建模就有了用武之地。
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3D打印：从想象到现实 [:1700398795]
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设计机器零件：实体建模CAD
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实体建模软件诞生于工业设计和制造领域。实体建模设计包非常有效，它为用户提供了一个现成的内置核心形状库和标准机器零件的几何形状，可以实现快速的定制和组合。例如，你可以合并两个圆柱体使之成为一个木槌，也可以在另一个圆柱体上钻一个孔，把它挂在墙上。由于实体建模软件体现的是不同体积构成的形状，这与当今大多数3D打印机有异曲同工之妙。
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实体建模设计软件凝聚了多年的制造与设计经验。软件的“对话”使用一些很老派的机械加工车间词汇，如挤压、钻孔和去角。它通过可识别的真实形式进行设计操作，例如，钻孔、磨切口或者磨光的边缘。
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实体建模软件在20世纪90年代面世，那时计算能力刚刚可以做到让设计软件“记住”以前设计中重复的内容，允许用户来回查看这些重复的设计，撤销已做出的更改，以及回过头来更改尺寸。如今我们想当然地认为计算机会记得同一文档、电子表格或设计文件的每一个版本，但在最开始的时候并非如此便捷。当设计软件最终具备这种能力时，CAD浪潮开始席卷全球。参数化建模确保了设计者可以不断编辑和验证他们的设计，而无须使用铅笔、橡皮或是撕掉作废的纸张。
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设计软件简化了工作流程，改善了沟通，使得企业可以存储设计知识。在设计软件成为制造工序中的关键组成部分之前，设计师、工程师和制造商松散地联系在一起，而不是一个有组织的整体。如今，实体建模工具会告诉使用者，他们的新产品设计方案能否通过特殊的环保塑料注塑机完好地生产出来。设计软件可以帮助设计师削减单独部件的数量，节省制造和组装成本。
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如今的商业化CAD软件包可以融入公司的供应链。如果工程师要更改一个关键发动机部件的大小或者材料组成，他们可以通过检查公司的库存变化比较新部件与现有部件。如果一个新部件被添加到库存中，它对其他部件产生的影响将会被记录下来，整个供应链将得到通知并被更新。
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3D打印：从想象到现实 [:1700398796]
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绘制屏幕上的字符：3D计算机图形软件
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如果说实体建模适用于工程师的话，那么曲面建模设计软件则在动画师和插画师中生根发芽。曲面建模软件起源于娱乐界，包括卡通、电影和视频游戏产业。如今，科学家们使用3D建模软件创建DNA（脱氧核糖核酸）结构或化学合成物质的模型。建筑师和园艺师设计精美的模型卖给潜在客户。
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如果说一台计算机需要x、y和z的位置坐标跟踪一个物体的形状，那么它是如何成功捕捉动画人物或复杂分子的细节呢？曲面建模通过数字化“包装”由规则的多边形构成的虚拟网捕捉世界。曲面建模有时也被称为“多边形建模”，组成虚拟网的每个多边形都对应着虚拟网格上的一个数据点。
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每个数据点由设计软件存储，以便于设计师使用。如今，大多数3D模型采用三角形的表面网格来构建，因为这种结构很灵活，而且计算机易于处理这种信息。无论曲形图层表面如何精细，三角形终究是平面的，而不是曲面的。
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曲面建模软件的伟大之处在于它可以描绘宇宙的多样性。曲面建模软件可以描绘出电影和视频游戏中美丽的虚幻世界。摆脱了原始的块状和球状的限制，曲面建模关注的是如何表现曲面的表层活动，而不是机器零件如何组装到一起，因而，曲面建模软件是平面设计师的白板。在此基础上，艺术家可以进一步增添更多的细节，如光泽的表面、纹理、逼真的皮肤和头发以及一望无际的荒野。
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但是，曲面建模软件也有它自己的负担。图形动画需要在屏幕上顺畅地移动，看起来逼真。如果光线照在一个人物上，光线就必须随着人物的动作而流动。背景必须以正确的速度通过。跟踪这些微小细节的过程被称为“渲染”。
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高速渲染可以带来高度逼真的视频图像。渲染依靠内置在设计软件中形成实时移动的算法。在运行高速渲染时，曲面建模软件极大地耗费计算机资源。用曲面建模软件创建3D打印设计是可行的（例如，3D打印视频游戏中的虚拟化身是一个很流行的应用）。然而，正如我们前面提到的，只打印表面形状是不够的。为了适应曲面建模，3D打印设计还需要采取一些额外的步骤。
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在现实中，大多数现代化的设计工具都既可以做实体建模，也可以做曲面建模。通过生成设计物体的虚拟网格，可以轻易将实体建模转换成曲面建模。但是从虚拟网格转换成实体建模仍极具挑战性。就像从音符转换成MP3（一种音频压缩技术）声音文件是比较容易的，但反过来却很难。科学界已经花费了很长时间试图解决这个问题，但它在计算方面仍然是一个难以攻克的命题。
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3D打印：从想象到现实 [:1700398797]
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编辑物理世界就像编辑照片一样