§3D打印重塑世界

《西游记》是我们从小就耳熟能详的故事，孙悟空七十二般变化的本事，我们都很向往。孙悟空大战哪吒三太子的场景（图1-1），你一定很熟悉。吴承恩在书中写到“哪吒三太子与悟空各骋神威，斗了个三十回合。那三太子六般兵器，变做千千万万；孙悟空金箍棒，变作万万千千。半空中似雨点流星，不分胜负。原来悟空手疾眼快，正在那混乱之时，他拔下一根毫毛，叫声‘变！’就变做他的本相，手挺着棒，撵着哪吒；他的真身，却一纵，赶至哪吒脑后，着左膊上一棒打来。哪吒正使法间，听得棒头风响，急躲闪时，不能措手，被他着了一下，负痛逃走；收了法，把六件兵器，依旧归身，败阵而回”。

这段故事我们都很熟悉，可是原材料“猴毛”变成生命体，在现实生活中，谁能做到呢？别急，3D打印可以帮助我们实现梦想。下面是我们未来的生活，处处都离不开3D打印技术。

李平（假设名）一起床，就先来到了数字厨房，将昨天老妈给自己的食谱和原材料输进了食品打印机，转身去洗漱。再次来到厨房时，香喷喷、热腾腾的糖油粑粑和豆浆已经按照老妈给的食谱打印出来了，好久没吃过老家小吃的李平急不可待地将糖油粑粑塞进了自己的口中，烫的他直唆气，可那来自儿时记忆的味道却让他舍不得把糖油粑粑吐出来。

吃完早餐，李平来到衣橱换上制服，刚要出门，突然想起下班后还要去接女朋友看电影。他马上转身回到衣橱旁，从抽屉中取出一条精致的领带系上。这条领带是李平和女朋友购买的，由知名设计师精心为他俩设计的个性化3D打印领带，上面有李平和女友的照片及誓言。

上班途中，他习惯性地拿出手机，浏览当天的信息。突然一条信息引起了他的注意，“中国发射的火星4号航天器已成功着陆并开始工作”。该航天器有一条特殊的机械手臂用于打印“火星牌3D打印机”，而打印出的“火星牌3D打印机”将利用火星上的物质来打印中国在火星上的空间站。火星4号航天器的这条特殊机械手臂恰恰正是由李平所在的“云端技术公司”设计制造，并拥有全部知识产权。看到这儿，李平不由自主地想起当初研发时度过的紧张岁月。那时候，大家讨论得最激烈、也是最有挑战性的问题：如何有效利用火星物质，打印出3D打印机，然后打印出空间站所需的一切！李平清楚地记得，当自己的博士导师提出这个设想时，几乎所有的人都一致反对，认为这简直是不可能完成的任务，最后导师排除异议，表示愿意承担一切后果和费用，才得到公司的支持并派出一小部分科研人员进行研发，李平就是其中之一。在此之前，公司的设想是发射航天器到火星，把材料从地球带过去建立空间站，但是这种做法需要同时发射许多航天器，风险大、成本高。

到公司后，李平开始一天的工作，李平所在的“云端技术公司”主要研发和生产3D打印机，公司会根据客户要求为其私人定制一切合法的东西。

快下班时，李平意外发现一封来自公司竞争对手——“宇宙3D打印公司”发来的邮件。原来“宇宙3D打印公司”与“云端技术公司”都推出了款式和技术几乎一致的私人定制手机，“宇宙3D打印公司”准备起诉，但是希望两家公司能够有和解的可能。

目前，随着3D打印机日益普及，盗版现象越发猖獗。虽然中国相关法律法规对此有严格规定，但是在商业竞争中追究起来还是困难重重。行业内曾经的两大巨头“快捷3D打印”和“如家3D打印”就曾因专利问题对簿公堂，接下来是无休止的庭下调查和庭上对质，这两家公司也无暇发展技术，结果双双被行业后起之秀赶超了。

李平把邮件内容和个人处理意见报告给上级之后，离开公司去接女朋友下班回家了。到家之后，李平把从网上买的食谱程序还有食材一股脑地放进数字厨房，跑到客厅跟女朋友一起看3D电影，直到一个紧急电话打破了两人之间的愉快氛围。电话是李平的爸爸打过来的，说李平的奶奶心脏出现严重问题，需要更换健康的心脏。后天李平爸爸带着奶奶从老家过来，毕竟李平生活的地方是首都，医院的仪器更先进，条件也更加便利。李平马上给医院打了电话，预约3D打印的心脏，并预约医生做手术移植，很快将一切都安排好了。

李平看着墙上3D版全家福，每一个人脸上的笑容是如此栩栩如生。还记得照相的那天，其实就是一个月前过年的时候，奶奶还是那么的健康，怎么会一下子查出来心脏出了问题呢？不过还好，现在的医学技术已经相当发达了，器官的移植也不需要到处去找匹配者，然后还要经历痛苦的免疫排斥观察期。

送完女朋友，李平躺在**拿出为女朋友准备的世界上独一无二的戒指，这可是世界知名珠宝设计师的杰作，不过也是由社区打印店打印出来的。他想起他爸爸说，曾经向他妈妈求婚的时候，这样一枚由世界知名设计师设计的戒指，那可是天价啊，而且还得等很久才能拿到，哪有现在这样方便啊。想着想着，李平进入了梦乡。

鲁班在世

2014年4月，10幢3D打印建筑在上海张江高新青浦园区内揭开神秘面纱。这些建筑的墙体是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，依据电脑设计的图纸和方案，经一台大型的3D打印机层层叠加喷绘而成（如图1-2），据介绍，10幢小屋的建筑过程仅花费24小时。

外媒2014年1月22日报道，“轮廓工艺”3D打印技术已经问世，该技术由美国航天局（NASA）出资与美国南加州大学合作研发。大约232平米的两层楼，“轮廓工艺”3D打印技术24小时内就可以印出，只需一个按键就可以操控机械打印出房子。“轮廓工艺”3D打印技术可以显著节约建筑成本和建筑时间，假设人类移居月球或火星，该技术可以就地取材，“外星屋”则能批量且快速打印出来。

根据南加州大学教授比赫洛克·霍什内维斯（“轮廓工艺”项目负责人）介绍，“轮廓工艺”外形犹如一台悬停在建筑物之上的桥式起重机，中间的横梁是“打印头”，两边是轨道，横梁进行X轴和Y轴的打印工作，可以上下前后移动，将房子逐层的打印出来。

目前，基于设计图的预先设计，以水泥混凝土为材料，高密度和高性能的混凝土由3D打印机喷嘴喷出，运用“轮廓工艺”3D打印技术一层层打印出装饰、隔间和墙壁等，整座房屋的基本架构由机械手臂完成，电脑程序操控全程。根据相关介绍，“轮廓工艺”机器人打印的房屋非常节省建筑材料。空心的墙壁可以打印出来，质量虽然更轻，但强度系数达到10000psi，也就是说每平方英寸可以支撑10000磅的压力，节省了25%～30%的材料和20%～25%的资金，强度超过传统房屋墙壁很多。利用3D打印机，“轮廓工艺”可以消耗更少的能源，节省45%～55%的人力，减少二氧化碳的排放，明显降低了成本，显著提高了效率，而且“轮廓工艺”最大的节俭是节省了人工。

据联合国估计，2050年全球人口将达到史无前例的96亿人，地球居住空间将更为拥挤，荷兰非营利组织“火星一号”从20万报名者中挑出1058人，参加移民火星训练，预计将挑选出24位移民者，2024年分成6个梯次依序升空到火星居住。而人类未来若要移居其他星球，解决住宅问题可谓首要任务。

所以说，随着人工成本价格日益猛增，以及机械工业大量耗费能源等缺点，3D打印技术一旦开始进入建筑行业，必将带来翻天覆地的变化。

汽车新生

随着3D打印技术的进步，越来越多的机构和企业开始重视这项新兴的技术。现在3D打印技术已经开始影响到我们的生产方式，在不久的将来，3D打印产品必定会如潮水般涌入我们的生活，3D打印技术也将重塑整个世界。

2011年3月，英国一位科学家设计出一款自行车，车轮、轴承和车轴由3D打印机一次成型打印出，其坚固程度与钢铝材料不相上下，更重要的是它可以骑；2011年9月，世界首辆3D打印机制造的汽车（见图1-4）现身加拿大温尼伯市……作为一个乐于接受新鲜事物的人，你是不是由衷地希望自己也拥有一辆这样的自行车或汽车？现在，在中关村，你也可以利用3D打印实现自己任何千奇百怪的想法，虽然还只是能够打印一些小玩意儿，但毫无疑问，3D打印已经悄悄地向我们靠近了，或许就在不久的将来，你便可以拥有一辆自己设计、自己“打印”的汽车了。

随着汽车业的不断发展，中国、美国、日本以及欧洲等国家，都在不断追赶，不断创新，意图在21世纪抢占汽车行业的制高点。为某汽车巨头研发部门工作的王华（虚构），目前正面临着一项同时间博弈的研发工作。

为了赶在竞争对手之前推出新车，王华在近三个月内被折磨的筋疲力尽，不断拿着汽车外形的修改图进行调整，然后不断地将其送往设计部门打造汽车模型，然后就是一两天的揪心的等待，等待着打造出来的汽车模型，等待着相关人员的评价，最后再进一步地修改。然而在经过一个月的努力之后，因为某个修改后的形状在铸模的时候存在困难而耽误了时间，从而导致整个研发的时间拖长，最终并没有能够在规定的时间内完成任务。王华作为主要的负责人，不可避免地承当了相当大的责任，并导致在以后的工作中信心大受打击，不敢果断地做出决定，最后丢失了工作。

如果在汽车的设计中采用3D打印技术，上面的事情将不会发生。3D打印机能够在设计方案提出后，就马上将模型打印出来，然后再立刻进行修改。这样的3D打印技术不仅节约了很多时间，还节省了人力资源。

教育奇艺

3D打印不仅能在饮食和医学的舞台上大展神威，而且也能在与我们息息相关的其他领域大放异彩。传统教育方式也将被3D打印技术改变。当前，教学工具和仪器一般由专门的教学设备生产厂商生产，供需沟通不畅，更新换代慢，满足不了教师的要求和学生的需求。传统课堂上，学生们只能从老师的描述、板书或PPT展示上，通过文字、图像和动画认知所学习的对象，无法有直接的感官接触。很多学生因为课程的枯燥，没有兴趣学习，考试也是靠死记硬背应付通过，之后很快忘记。3D打印做到了使每位教师可以根据自己的教学思路和方法，方便地打印自己上课想要展示给学生的模型，比如难以获取的医学解剖、文物古迹等模型，真正做到自己的授课方式完全由自己掌握，让无聊的课堂变得生动起来。课堂上，学生们可以通过触碰3D打印出的立体仿真模型，对所学的理论知识有更直观的感应。学生们无需死记硬背，提起相关知识内容，模型便出现在脑海中，知识的吸收和消化将更快更深刻，知识从而变成了“常识”。3D打印技术为教与学提供了新的媒介，提高了教学的效率和质量。课程作业也可以用3D打印机来完成，让学生们自己动手，将自己的想法实现，这将极大地调动起学生们的积极性，并能提高他们的动手能力和创新能力。对于年轻人，尤其是建筑、汽车工程、艺术设计等专业的学生，他们有着数不清的的想法，他们迫不及待地想要将自己的作品以三维立体的形式展示给大家，与大家交流，得到大家的肯定，并获得中肯的建议，以求进步。

不要认为3D打印技术不够完善，将其应用于教学还不现实。其实，“梦想已经照进现实”了。目前，一些国家和组织已经开始探索3D打印在教育领域中的应用。2012年，英国教育部开展了一项为期一年的试验项目，将3D打印技术试应用于数学、物理、计算机科学、工程和设计等课程中，推动教学创新。美国国防高级研究计划局制作实验和拓展项目计划也已在美国高中推广3D打印机。上海静安区青少年活动中心“创意梦工厂”配置了3D打印机及配套的3D扫描仪，并且定期开设相关课程，免费为有兴趣的学生教授三维设计和计算机辅助制造课程，并打印自己设计的产品。

2013年10月，全国首家3D打印体验馆在北京开业（如图1-5），听起来炫酷的3D打印技术将个性化的三维设计图“打印成真”、“克隆”立体人像成为现实。一台手持3D扫描仪，仅有鞋盒大小，360度旋转扫描顾客，犹如科幻片常见的一样，照相者的立体数据显示在电脑屏幕上。三维模型通过软件处理，点击打印，喷头喷出材料，逐层挤压堆积成型，“如假包换”的彩色人物塑像即被打印出。

医学创新

3D打印技术可以打印出为病人量身定做的药物。事实上3D打印在医药领域的应用已经往前走了一大步。请你想象一下，有一天你生病了，你把你的基因信息和病情输入电脑，电脑根据你个人的情况为你制定一个独一无二的药方，然后将这个药方交给3D打印机，这个神奇的机器就为你做出了你所需要的药。你所想象的就是目前科学家正在努力实现的，并且取得了十足的进步。用3D打印机即时生产的药物不但可以做到真正地对症下药而且还能解决药物浪费的问题。据世界卫生组织的数据显示，全球有近60%的药品因过期而浪费。与此同时，全球只有40%的病人可以获得诊断治疗，超过50%的病人无法获得有效治疗。究其原因，药品的产业链难逃其咎：药品从厂商到病人手中需要经过大量环节，每增加一个环节，药价便升高一次，大部分的重病患者都对如此高昂的费用望“药”兴叹。3D打印出的药物，不仅能降低药品的制作成本，还能将药品的产业链缩短，使更多的患者能够负担得起药费，接受更好的治疗。

相比于打印食物和药物这些成分复杂的东西，3D打印技术在医学的其他领域已经实实在在走进了人们的生活。比如说骨科临床，利用CAD设计软件，根据每位患者特有的骨骼结构，设计出和患者最为契合的人造骨骼或义肢，通过3D打印机打印出来，就可以使用了。美国科学家用3D打印机直接造出一副塑料机械臂，给一位手臂残疾的小女孩带来了福音，带上机械臂后，她基本能够正常活动，这种量身定做的义肢，可以减少对她皮肤的磨损，减轻使用义肢时的痛苦。3D打印机在美国的许多牙科诊所得到了更广泛的应用。牙医只要学会3D打印机的操作，通过扫描牙齿，3D打印机可以很快制作出牙齿的模型，牙医甚至还可以现场磨制假牙给病人换上（如图1-6所示）。

将来听力障碍者或许可以用到科学家研制的更为先进的助听器，现在科学家们已经研制出一款3D仿生耳，能够使人听到正常人类耳朵听力范围之外的无线电频率，不久后便会用于外科修复学。

科学家还能用3D打印机制造诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织，如图1-7所示。

某医院的外科医生李刚（虚构）遇到了一个不大不小的困难，他接诊了一位5岁的小患者。这位小患者在一场无妄之灾中被严重烧伤，其完好的皮肤面积不超过30%，这在烧伤病例里算是7级烧伤，是非常严重的，这一切对于才五岁的小朋友来说，真是有点难以承受。

小朋友不仅需要在无菌病房里呆好几个月来等待皮肤移植，还需要同疼痛做斗争。所以李刚医生很是心疼，他很希望从小朋友身上取下完好的皮肤，在培养室内培育，使其生长得更快一些，这样就能尽早地解除小朋友的痛苦。但是毕竟细胞的生长速度就摆在那里，李医生即使再这么替小朋友感到揪心，也只能无能为力了，因为这不在他的能力范围之内。

有了3D打印机帮助的李刚医生就不一样了！

在将准备好的材料输入打印机之后，很短的时间内就可以得到小朋友大块的活性皮肤，然后将其移植到小朋友身上，由于该皮肤是由这位小朋友自身的皮肤细胞制造出来的，不存在异体排斥，所以小朋友移植皮肤的痛苦也不大。

目前能够进行3D打印的人体部件主要有六种：外耳、肾脏、血管、骨头、皮肤和牙齿，其中，外耳、骨头、皮肤和牙齿的打印应用最为广泛，这些同以前的应用技术相比，与病人本身契合的更紧密，病人的痛苦更小。

未来有一天，3D打印机能够使用病人身上的干细胞制造出肾脏、肝脏甚至心脏这样的大型人体器官，这样就会减少器官移植后的排异反应，人们再也不用担心自己的亲人因为等不上合适的器官而离开自己。

毋庸置疑，医学将是未来3D打印机的重要应用领域。