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3D打印：从想象到现实 [:1700398798]
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设计软件的未来
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现代软件设计仍然不能摆脱它的起源—它最先在制造业和动画领域使用，这些领域最近才开始关注3D打印。具有讽刺意味的是，同样的设计工具（旨在处理有限的计算能力以及节省时间、金钱和提高知识转移）对能够3D打印的对象仍然存在限制。其结果是设计文件没有描绘物理对象的内部细节（至少没有很多额外的自定义工作），设计软件也没有图形化地建模以及预测不同材料的复杂混合。
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例如，实体建模软件的标准程序库中的原始形状不能被编辑成不规则几何形状。可是3D打印机却可以制造出传统制造机器无法生产的独特的不规则形状。因此，很大的设计潜力有待挖掘。实体建模软件无法满足新的、大量未开发的设计空间的需求。随着3D打印技术的不断提高，传统的实体建模这个有用但有些简单的设计工具将会过时。
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动画师和视频游戏设计师使用的曲面建模软件具有与实体建模软件类似的局限，即缺乏描述对象内部的设计数据。如果你设计并尝试3D打印出一个外形精巧并带有生动有趣图案的多彩茶壶，打印出的茶壶其外表看起来可能棒极了，但却没有实用性。因为你的设计文件没有指定茶壶内腔的形状，壶嘴也不是空心的，盖子也无法严丝合缝地盖上，你的3D打印茶壶没有任何内部结构、无法使用。
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即使是精心设计的最详细的3D图形设计也不能引导3D打印机打印出曲面下面的对象。想想曲面建模软件的起源，就可以理解为什么存在这种限制了。卡通动画师从来不需要3D打印他们的“设计文件”。一些专门的软件就能“辨别”曲面下面的形状，并且可以补充丢失的细节，但这个过程往往容易导致错误和失败。
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打印出物体内部只是其中一个挑战，另一个挑战是3D打印技术能够制造非常复杂的物体，而设计这些物体涉及的数据点超过了如今计算机的处理能力。例如，设计和3D打印一件由上百万混合塑料（硬塑料和软塑料）精细衔接而制成的衬衫，打印出的面料质地恰恰符合你的身体。
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采用了实体建模程序，你会发现定义一个单环的锁甲又快又简单。然而，制作以及环环相扣上百万个这样的小环将极其烦琐和费时。如果你为每个特定的锁甲的连接处指定一种塑料，计算机系统将崩溃。即使计算机可以跟踪使用所有类型的塑料，当今任何传统设计工具也不能3D建模你所完成的锁甲设计。
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图6–4 手部CT扫描
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注：这只手是直接3D打印的，无须将扫描数据转换成表面网格或STL文件。
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图片来源：Daniel Dikovsky, Objet Inc.
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3D打印正朝多种材料的趋势发展，而设计软件还没有准备好登上这个竞技场。可以同时使用几种材料打印使得设计人员能够以全新的方式结合材料，这对于传统制造业来说是不可能的。多种材料打印不仅使人们有可能在一次打印作业中制造出复杂的多部件物体，还可以产生全新类型的材料，例如，可以从一种类型逐渐转变为另一种类型的梯度材料。
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然而，目前面临的挑战是设计软件还没有准备好“考虑”多种材料。用钢或者钛制作一个齿轮模型是一回事，而制作一个内部是轻钛材料、外部是淬火钢的齿轮模型完全是另外一件事。一些3D打印机已经可以制造如此复杂的由多金属组成的齿轮，但还没有能够执行这个任务的设计软件。
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当不同类型的材料以新的方式相结合时，另一个困难出现了。有时候，随着打印对象形状的变化，材料的性能也发生显著的变化，这就增加了如今的设计软件都不能处理的复杂度。把不同类型的材料组合成一个打印物体带来很多新的设计可能性。不过，在设计软件满足挑战之前，这些可能性仍然无法探索。
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当一个设计部件有复杂的功能并由多种材料组成或涉及上百万精致又不同的设计曲面时，其设计文件一定会占用大量的内存。这就是为什么现代设计软件还不能准确地描绘出由细胞、神经末梢和血管结构组成的有血有肉的手的详细模型。
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把设计的东西完美打印出来
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从设计文件转换为可打印的对象使CAD和3D打印之间长期的单向关系变得明朗。作为响应，制造并使用3D打印机的人发明了工具使设计文件能够按照计划打印出来。一些软件工具（如Materialise Magics和Netfabb）被用作“修复”工具，帮助用户找出他们的设计文件存在的问题。
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我们想简单地说说3D打印另外一个软件相关的方面：STL文件。（还记得ABC成像公司的约翰·T·李吗？）为了准备客户的设计文件，约翰将文件转换成STL格式。从设计文件转换到3D打印机这一过程中，STL文件发挥了举足轻重的作用。
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STL：目前的标准
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标准和文件格式是技术通用语，是互操作性的重要基础。例如，MP3文件格式使得每个人（包括音乐播放器的制造商和消费者）都可以交换、出售、购买和下载音乐文件，这成就了今天的音乐产业。类似的行业标准文件格式是其他形式媒体的广告特色：所有的数码相机照片都被保存为JPEG格式（一种流行的图形文件格式），因为这样可以与激光打印机和网络浏览器兼容。
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3D打印机领域有自己的行业标准文件格式，即STL文件格式。STL文件格式始于20世纪80年代，在那个年代3D打印机是全新的原型工具，而设计软件和计算机已经和如今一样小巧。像如今受限于内部效率低下的设计软件一样，STL文件格式的目的是简化从设计文件到初露锋芒的3D打印机的转换。
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为了将一个设计文件数字化“切片”成可以3D打印的格式，早期的STL文件不得不接受3D打印机只能处理这么多物理细节的事实。那时，计算机内存有限并且昂贵。STL文件格式会删除一些设计细节，这非常理想，因为这样能够节省计算能力。例如，设计文件可能包含颜色信息和一些细微的设计差异，而STL文件会把它们都去掉。一个典型的3D打印机只需处理当前层的三角形，可以暂时忽略其他层，直到制造下一层。
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30年后的今天，STL文件最初的优势可能已经成为3D打印的限制因素。如果想让3D打印发挥它的潜力，几十年来一直有用的STL格式需要光荣地退休了。设计软件正在逐步改进，3D打印机同样如此。
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