3D打印：下一波淘金热？

会飞的猫

“Tea, Earl Gray, Hot. ” 不知各位读者是否听过这句在电影「星舰迷航」（Star Trek）中毕卡舰长（Picard）的经典台词？他在电影中对著黑箱子说出吃的或喝的，这台神奇的机器都可以在片刻后满足需求。
      根据影集中的设定，这台机器是以原子為素材，依据使用者的要求来组成各种食物饮料。这概念跟现在流行的 3d打印非常接近，只是素材有些不同。
     小型的 3D 印刷机器在 80 年代只出现在科幻小说中。在电视影集《新虎胆龙威》（Mission: Impossible）中，一只手提箱就可以印出仿真皮肤面具，这大概是 3D 打印想像的先河。场景是红色的激光光雕刻某些固态、半流体的材质，形成面部的细节。
     今日的 3D 打印虽然还没有达到毕卡舰长的要求，但离新虎胆龙威倒也不远。以下将介绍现在的 3D 印刷的基本流程，以及可能的未来发展。

什麼都能印，但印不多
不知道要拿 3D打印印什麼？不妨参考 thingiverse 这个网站。没错，如果你那昂贵的单反相机需要一个镜头的话，你可以自己印一个。如果你不满意现在身上穿的衣服，也可以自己印一件独一无二的衣服。虽然可能需要一些打版知识，但可以大大减少撞衫的机会。
可以用来 3D打印的材质（filament）繁多，但以 PLA（Poly Lactic Acid ）跟 ABS（Acrylonitrile Butadiene Styrene）為大宗。PLA 能快速冷却，但 ABS 质地坚固，因此 LEGO 也用 ABS 作积木的材料。还有一些特殊的材质，例如金属混合的粉状材料、巧克力（敢吃吗？），甚至类似骨头的材料等。未来能在家裡印出人造骨头，也是蛮诡异的。
消费性 3D 打印机的产品可谓琳琅满目。但成品大部分还停滞在 prototyping 阶段，主要是因為材料昂贵：一公斤重的 ABS 要价近 40 美元，只能打印出 4 到 5 个马克杯。同时消费性机种有许多限制，例如成品体积无法太大。
但 3D 印刷的价值在成品独一无二。因此或许对许多小型文化创业与个人工作室是一种优势？困难处在于靠著个人创意，让杯子加上创意能够价值高于40 美金。

第一次 3D打印就上手
3D 模型的流程如下：

图一、 3D打印的流程。图片来源：Chi-Feng
１. 检查模型
3D 模型完成后不像写文章，可以写完马上打印。3D 模型需要先检查模型是不是符合打印的条件。常见的问题像是模型没有厚度（thickness），或是模型原本应该「密封」的面，却多了开口，如下图。

图二 福特老式卡车模型。圆圈处可以看出原本应该平整的鈑金却有开口。图片来源 Chi-Feng
模型厚度的设定适合在 1 mm 到 2 mm 左右。多了浪费材料，少了可能会使成品从打印机的打印床上裂开。
2. Vertex to vertex rule
STL 是目前广被接受的一种 3D 打印的文档格式。简单的说，如果模型是三角形，那 STL 档案将会记录三角形的三个顶点，与垂直於该三角形面的法向量。如图三：

图三。图片来源：Chi-Feng
此时有称为 “vertex to vertex” 的法则。亦即三角形的三个顶点，不能坐落在其他三角形的边上，必须是顶点对顶点（vertex to vertex）才行。
如图四便违反了此法则。三角形的顶点座落在另一个三角形的边上。解决方法如图五，再分割出一个三角形。

图四。图片：ncku

图五。图片：ncku
3. 减少细节
模型不能有太多细节，否则会受限於 3D打印机器的解析度，甚至在成品上看不到这些细节。但细节太多会造成 STL 档案非常庞大，造成不必要的资源浪费。

图六 现阶段3D打印的解析度有其极限
图片来源http://3dprinting.com/
4. 模型切片（sliced）
模型在打印之前都要把模型一片一片切割（图七）。也可以说一层一层，从最底层的开始，一层一层的往上打印。

图七、模型在打印之前通常要切片。图片来源：ning
不像纸张的打印机都是由上往下打印，3D打印机可能有不同的打印方向。因此切片同时也会指示 3D 打印机该依循的打印方向（tool path）。
如图八是模型的一层，箭头代表的是印刷时喷头行进的方向。切片与方向这两道手续通常可以利用机器所附的软体完成。

图八。图片：Practical 3D Printers: The Science and Art of 3D Printing page 37
5. 开始打印
完成上述准备工作之后，就可以打印了。3D 打印机跟纸张打印机一样，会提供软件调整参数，例如著名的 Maker Ware。

图九、调整打印参数。图片：www.inventables.com
打印也可能出错。就像纸张打印机一样，3D 打印机的喷头有可能会塞住，或是喷头过热。最好自备一些清洁工具或者使用软件的校准（calibrate）功能，自行排除故障。
3D 打印的未来发展
上述是 3D 打印的基本过程。如果放大、替换材料、或是提高精准度，就会衍生出各式各样的应用。包括：
大型建筑
近期的工程研究已经尝试在 20 小时内用 3D 印刷出一整栋房子。未来可能房子的造价将大大降低，装潢费用也大大下降（只要建商与土地开发商不要从中作梗 . . . .）
皮革
或许未来不仅皮製品将不再高贵，也可以整改变制皮业的生态，让那些被拿来制成皮革的小动物们也欢呼鼓掌。
个人防卫
3D 打印的枪已经不是新闻。在 Cody Wilson 打印出 AR15 的同时，美国与加拿大的法律都已经出台，对抗所谓的 3D 打印非法武器。但未来随著打印材质的多元化，可能会有一些合法的有限伤害性的武器出现。再加上成本低廉，一般社区巡守队也可能配备这种武器来维持社区安全。
人体器官组织
3D 打印器官移植已经有了一些初步的成果。在本文一开始也提到类似人骨的印刷材质。未来继续进展，对需要器官移植的病患可说是一大福音，
3D 淘金热
3D 印刷可能是下一波淘金热（gold rush）。笔者也确实感受到这波热潮的掘起，在我任职的学校便陆续开了相关的新课程。笔者期待这波热潮激起许多商业的创新（如上述的服装產业），或者改善个人生活（自己印一个削果皮刀取代不顺手的大卖场產品）。这一股比拼创意的热潮只是开始。
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