神奇的3D打印世界
想象一下，如果有一天你想要一个独一无二的玩具，比如一只长着大象耳朵的兔子，或者一块印有你名字的巧克力饼干，你该怎么办？去商场买？可是商场里卖的玩具都是工厂大批量生产的，不可能专门为你一个人设计。去网上搜？也许能找到一个差不多的，但肯定不是你心里想象的那个样子。这时候，你需要的可能是一样神奇的东西——一台能够“变出”你脑海中任何东西的机器。
没错，这就是我们今天要认识的新朋友：3D打印机！
听到“打印机”这三个字，你可能会想到家里或者学校里的普通打印机。没错，它们确实有关系，但普通打印机只能在纸上印出平面的图案和文字，而3D打印机可就厉害多了！它能像变魔术一样，把你电脑屏幕上看到的立体图形，变成真实存在、可以拿在手里的东西。就像，如果你能在一张纸上画出你想要的玩具，然后这张纸“噗”的一下站起来，变成一个真的玩具，那该多神奇啊！
3D打印机就是这样一个神奇的“立体魔法师”。它不像我们平时见到的那种只能打印文件的普通打印机，而是一种能够“打印”出真实物体的超级机器。想象一下，你正在玩一款3D游戏，里面有一个超级酷的机器人角色。你只需要在电脑里把这个机器人设计出来，然后按一下按钮，3D打印机就开始工作了。它会像挤牙膏一样，一点一点地把塑料或者其他材料堆积起来，一层、两层、十层、一百层……慢慢地，屏幕上那个虚拟的机器人就变成了一个真真切切的、你可以拿在手里玩的玩具机器人！
这就是3D打印最神奇的地方：它不是像我们平时做东西那样，用刀削、用锤子敲、用胶水粘，而是像盖房子一样，一层一层地把材料“堆”上去，最终“堆”出一个完整的立体形状来。科学家们给这种方法起了一个专门的名字，叫做“增材制造”。你可能会问，为什么叫“增材”而不是“减材”呢？因为普通的方法，比如雕刻一块木头，需要把多余的部分削掉，就像“减去”材料一样；而3D打印呢，正好相反，它是从无到有，一点一点地“增加”材料，最终形成你想要的东西。
从积木世界到3D打印
要更好地理解3D打印是怎么工作的，让我们来玩一个游戏。拿出一堆积木，你能用它们搭出什么东西呢？一座小房子？一辆小汽车？还是一只小恐龙？没错，积木是一种很神奇的玩具，因为你可以用它搭出各种各样的形状。
但是你有没有发现，用积木搭东西的时候，每一块积木都是一小块一小块的，不管你搭什么作品，表面都会看到一块一块积木的痕迹。就像一堵用砖头砌成的墙，每块砖头都清晰可见。如果你想要一个表面非常光滑、完全没有缝隙的东西，用积木就很难做到了。
现在让我们换一种方式来想象。假设你有一支神奇的笔，这支笔里装的不是墨水，而是塑料。你在一张纸上画了一个圆圈，然后把这张纸往上抬高一点点，再画一个同样的圆圈。就这样，你一层一层地画，每一层都比上一层稍微高一点点，就像盘旋而上的楼梯一样。当你画完很多很多层之后，你画的那些圆圈就变成了一个圆柱体！如果你画的是其他形状，一层层叠起来就会变成各种不同的立体图形。
3D打印机工作的原理，其实就跟这个差不多。它有一个超级精细的“小嘴巴”，能够挤出非常非常细的塑料丝。这个“小嘴巴”会按照电脑里的设计图纸，一层一层地画出横截面。就像你用那支神奇的笔画画一样，只不过3D打印机画的不是平面图形，而是一个个薄薄的横截面，然后把这一层一层的横截面堆叠起来，最终就形成了完整的立体物品。
这就好比你画一本厚厚的书。如果你把一本书的每一页都单独画上图案，然后把这些纸一页一页叠起来，从侧面看，它们就变成了一个立体的雕塑。3D打印就是这样一个过程，只不过它用的是塑料或者其他材料，而不是纸。
日常生活的魔法：3D打印就在你身边
也许你会想，这么神奇的东西，一定是很高深的科技，离我们的生活很远吧？其实不然！3D打印技术已经悄悄走进了我们的日常生活，正在悄悄地改变着我们的生活方式。让我们一起来看看，3D打印都在哪些地方悄悄地帮助着我们吧。
你的专属玩具
说到玩具，你最喜欢什么？是变形金刚、芭比娃娃、还是各种各样的小汽车、小飞机？如果你能用3D打印自己设计玩具，那会是什么样的体验呢？
想象一下，你正在玩一款3D游戏，里面有一个超级酷的机器人角色。你只需要在电脑里把这个机器人设计出来，然后按一下按钮，3D打印机就开始工作了。它会像挤牙膏一样，一点一点地把塑料或者其他材料堆积起来，一层、两层、十层、一百层……慢慢地，屏幕上那个虚拟的机器人就变成了一个真真切切的、你可以拿在手里玩的玩具机器人！
也许你想要一只长着大象耳朵的兔子，这在普通的玩具店里肯定找不到。但如果你会使用3D设计软件，就可以自己画出这个奇妙的生物，然后用3D打印机把它打印出来。也许你想要一个印着自己名字的笔筒，或者一个刚好能装下你手机的手机壳，3D打印都能帮你实现。
甚至在学校里，老师们也开始用3D打印来制作教学工具。比如在地理课上，老师可以打印出地球仪的模型，让学生更直观地了解地球的构造；在历史课上，老师可以打印出古代文物的复制品，让学生“触摸”历史；在生物课上，老师可以打印出人体器官的模型，帮助学生理解人体的结构。
美味的3D打印食物
听到“打印食物”，你是不是觉得有点不可思议？吃东西也能打印吗？
其实，在一些高科技餐厅里，已经可以用3D打印机来制作食物了！不过这里的“打印”可不是真的把食物印在纸上，而是用一种特殊的“食物打印机”，把可以食用的材料一层一层地堆叠起来，形成各种形状的美食。
最常见的是3D打印的巧克力。你知道吗，制作巧克力的过程其实有点像画画。厨师先把巧克力融化，然后把它装进3D打印机的“墨盒”里。打印机根据设计好的图案，一层一层地把巧克力堆起来，最终做出各种精美造型的巧克力：可以是卡通人物，可以是小动物，也可以是你自己设计的任何形状！想象一下，吃一块印着自己名字的巧克力，或者一块自己设计的机器人形状的巧克力，那该有多开心啊！
除了巧克力，现在科学家们还在研究打印披萨、打印糖果，甚至打印肉类！是的，你没有听错，将来可能真的可以用3D打印机“打印”出牛排来。当然，这些技术现在还在研发阶段，也许等你长大以后，就能真正吃上3D打印的美食了。
迷你建筑大师
你玩过乐高积木吗？那种一块一块拼起来的感觉是不是很棒？如果我告诉你，可以用3D打印技术“打印”出一整栋房子来，你是不是会觉得我在吹牛？
事实上，科学家和工程师们真的在研究用3D打印来建造房屋！而且现在已经有一些3D打印的房屋建成了。虽然这些房屋目前还比较简单，不能像真正的房子那样住人，但它们证明了用3D打印技术建造房屋是完全可行的。
想象一下未来的建筑工地：没有忙碌的工人，没有轰鸣的机器，只有一台巨大的3D打印机在缓缓移动，一边“挤”出混凝土，一边一层一层地“打印”墙壁。几天之后，一栋崭新的房子就出现了！这样的场景，也许在不久的将来就会成为现实。
对于我们小朋友来说，虽然暂时还不能打印真正的房子，但我们可以打印建筑模型啊！比如，你可以设计一座梦想中的城堡，然后用3D打印机把它变成一个小小的模型，放在你的书桌上。或者，你可以和同学一起，用3D打印技术“建造”一个微缩版的校园，比比谁的设计最有创意！
太空里的3D打印机
你知道吗？在遥远的太空中，也已经有3D打印机在工作啦！
国际空间站是一个在地球上空飞行的巨大实验室，宇航员们要在那里生活和工作很长时间。但是太空可不比地球，物资运送非常困难。从地球到太空运东西，需要用火箭发射，不仅花费巨大，而且一次运送的物资也很有限。
于是，NASA（美国国家航空航天局）的科学家们想到了一个办法：把3D打印机送到太空去！这样一来，如果宇航员在太空里需要什么工具或零件，就不需要等地球这边发射火箭送过去，而是可以直接用3D打印机自己“打印”出来。这就像是太空里的“变形金刚”，需要什么就能变出什么来！
更有趣的是，NASA甚至在研究如何用3D打印技术来打印太空食品。想象一下，如果能把披萨的材料装进打印机里，在太空里直接打印出一块热乎乎的披萨来，那宇航员们的伙食可就大大改善了！
医疗领域的神奇应用
3D打印在医疗领域的应用，可能是最让人惊叹的。
你有没有想过，如果有人不小心受伤，失去了身体的某一部分，有没有可能用3D打印技术来“打印”一个新的出来？虽然现在还不能打印出真正的人体器官，但是3D打印在医疗方面的应用已经非常厉害了！
比如说牙齿。如果你去医院看过牙医，可能见过牙医给你做的牙套或者假牙。现在，通过3D打印技术，牙医可以更快速、更精准地制作出适合你的牙套。而且，3D打印的牙套是根据你个人牙齿的形状专门设计的，戴起来更加舒适。
再比如说假肢。对于那些因为意外或疾病而失去手臂或腿的人来说，假肢是他们重新获得行动能力的重要工具。但是，传统的假肢制作既费时又昂贵，而且很难做到完全贴合使用者的身体。用3D打印技术就不一样了，它可以根据每个人残肢的具体形状，打印出完全匹配的假肢接受腔，让假肢戴起来更舒服。
更有意义的是，3D打印的假肢成本比传统方法低得多！这样一来，那些家庭贫困的患者也有机会获得合适的假肢了。有很多公益组织已经开始使用3D打印技术为需要帮助的孩子们制作假肢，让那些失去手臂的小朋友也能重新“长”出新的手臂来。
还有一些科学家正在研究用3D打印技术来“打印”人体器官。虽然真正的可以移植的心脏、肝脏还需要很多年才能实现，但科学家们已经能够打印出一些简单的组织，比如皮肤、软骨，甚至是用细胞打印出微型的器官组织来。这些技术虽然还在实验阶段，但前景非常光明，说不定等你长大以后，真的可以用3D打印来制造人体器官呢！
你脚上的鞋子可能也是打印的哦
你可能每天都在穿运动鞋，但你有没有想过，你脚上的鞋子可能也跟3D打印有关系呢？
现在，很多运动品牌都开始尝试用3D打印技术来制作鞋子的中底部分。什么是中底呢？就是鞋子底部中间那一层，它的作用是提供缓冲和支撑，让你的脚走起来更舒服。
传统的鞋底是用模具压制出来的，所有同款鞋子的鞋底都是一模一样的。但是每个人的脚都不一样，有人脚宽一点，有人脚窄一点；有人走路姿势是外八字，有人是内八字。用传统方法很难为每个人定制完全贴合的鞋底。
但是有了3D打印技术就不一样了！通过扫描你的脚型，然后用特殊的设计软件，工程师们可以为你专门设计一款完全匹配你脚型的鞋底，最后用3D打印机打印出来。这样做出来的鞋子，穿起来会特别舒服，因为它就是专门为你设计的！
3D打印的“族谱”：从科幻梦想到现实科技
看到这里，你是不是觉得3D打印是一种特别神奇的技术？这么厉害的东西，是谁发明的呢？它是怎么一步一步发展到今天的呢？让我们一起坐上时光机，回到过去，看看3D打印技术的发展历程吧！
1981年：梦想的种子
让我们把时间拨回到1981年。那一年，在日本的一所大学里，一位名叫近藤诚的工程师提出了一个革命性的想法：能不能用紫外线来硬化液态的树脂材料，一层一层地堆积出三维物体来呢？
这是一个非常超前的想法！要知道，在那个时候，人们甚至还没有“个人电脑”这个概念，互联网更是闻所未闻。近藤诚的这个想法刊登在了一本学术期刊上，虽然在当时没有引起太大的关注，但却是人类历史上第一次有人提出“用光来固化材料制造三维物体”的概念。
可以说，近藤诚在1981年种下的这颗种子，为后来3D打印技术的发展奠定了理论基础。虽然他没有真正制造出一台能用的机器，但他提出的原理，跟今天很多3D打印技术的基础原理已经非常接近了！
1986年：关键的一年
时间来到1986年，这一年对于3D打印技术来说，具有里程碑式的意义。
一位名叫查克·赫尔的美国发明家，成功申请到了世界上第一个3D打印技术的专利！他的专利是一种叫做“立体光固化成型”的技术，英文缩写是SLA。听起来很复杂对不对？让我们来解释一下。
SLA技术的工作原理是这样的：有一池子装满了液态的树脂材料，这种树脂有个特别的本领——遇到紫外线就会变硬。3D打印机的激光头会发出细细的紫外线光束，按照电脑设计的图案，在液态树脂表面一点一点地“画”出第一层的形状。被激光照到的地方，树脂就会变硬，变成固体。这样，第一层就做好了。然后，机器会把已经硬化的第一层往下沉一点点，让新的液态树脂流到上面，再画第二层……就这样一层一层地做下去，最终就能得到一个完整的三维物体。
这个原理其实跟我们之前讲过的“用笔画画”的比喻很像，只不过画画用的是笔和颜料，而SLA用的是激光和光敏树脂。
查克·赫尔不仅申请了专利，还用这个技术创办了世界上第一家3D打印公司——3D Systems公司。这家公司在后来成为了3D打印行业的巨头之一，它生产的3D打印机卖到了全世界的各个角落。
1988年：第一台商业化的3D打印机
虽然查克·赫尔在1986年发明了SLA技术，但要制造出一台真正能用的、商业化的3D打印机，还需要解决很多实际的技术问题。
两年后的1988年，也就是1986年之后的两年，一位名叫斯科特·克伦普的美国工程师，成功制造出了世界上第一台真正可以商业化销售的3D打印机！他发明了一种叫做“熔融沉积成型”的技术，英文缩写是FDM，这也是目前最流行、最普及的3D打印技术之一。
FDM技术的工作原理，比SLA更容易理解。想象一下你见过的热熔胶枪，一按开关，胶条就会被加热熔化成黏黏的液体，从枪口挤出来。用FDM技术的3D打印机也是这样，只不过它用的不是热熔胶，而是塑料丝。
这台打印机里面装着一卷卷的塑料丝，最常见的是一种叫做PLA的塑料。这种塑料有一个特点：常温下是硬硬的固体，但被加热到一定温度以后就会熔化成液体，冷却以后又会重新变硬。FDM打印机就是利用这个特性，把塑料丝加热熔化，然后通过一个很细的喷嘴挤出来，一层一层地堆叠成三维物体。
因为FDM技术简单可靠，成本也相对较低，所以现在很多家庭和学校使用的3D打印机，都是采用这种技术的。它也成为了3D打印技术中最“亲民”的一种，让更多的人能够体验到3D打印的乐趣。
1990年代：技术百花齐放
进入1990年代以后，3D打印技术迎来了快速发展的时期，各种新技术层出不穷。
1992年，也就是FDM技术发明四年后，一位名叫卡尔的人发明了另一种叫做“选择性激光烧结”的技术，英文缩写是SLS。这种技术厉害了，它可以使用尼龙、金属、甚至巧克力等各种各样的粉末材料。打印的时候，一束激光会照在粉末床上，被照到的地方粉末就会被烧结（就是像烧砖一样烧在一起）成固体。
SLS技术有个很大的优点：它不需要额外的支撑结构！因为粉末本身就起到了支撑的作用，你可以在空中打印一些悬空的部分，而不用担心它们会塌下来。这让它可以打印出形状更复杂的物体。
也是在1990年代，3D打印开始从实验室走向工厂。很多大公司开始认识到3D打印的价值，用它来制作产品原型。在此之前，制作一个产品原型需要开模具、找工厂，花费大量的时间和金钱。有了3D打印以后，工程师们只需要花几个小时或几天，就能把电脑里的设计变成真实的原型，大大加快了产品开发的速度。
2000年代：走进普通人生活
时间进入21世纪，3D打印技术继续快速发展，但更重要的是，它开始真正走进普通人的生活。
2005年，一件里程碑式的事件发生了：世界上第一台开源的、面向普通消费者的3D打印机诞生了！这意味着什么？意味着以前只有大公司和大实验室才能拥有的3D打印技术，开始向普通个人开放了。
更让人兴奋的是，随着技术的进步和市场的扩大，3D打印机的价格开始大幅下降。从最初几十万美元一台，到后来几千美元，再到现在的几百美元，普通家庭和学校也能买得起了。3D打印不再是高高在上的神秘科技，而是成为了每个人都能接触到的日常工具。
2009年，又一个重要的技术专利到期了，这是FDM技术的一个核心专利。这意味着任何人都可以自由地使用和改进FDM技术，不需要再付专利费。一下子，市场上涌现出了大量的FDM 3D打印机品牌，价格也越来越便宜，3D打印真正进入了“寻常百姓家”。
2010年代：3D打印的黄金时代
2010年代，是3D打印技术蓬勃发展的黄金时期。
2012年，英国《经济学人》杂志发表了一篇封面文章，宣称“3D打印技术将引领第三次工业革命”！这篇文章引起了全世界的关注，也让更多人开始了解和认识3D打印技术。
在这个时期，3D打印的应用领域不断拓展。从最初主要用于工业原型设计，逐渐扩展到医疗、教育、建筑、食品、航空航天等各个领域。你能想到的，几乎都有3D打印的身影。
2013年，美国总统奥巴马在国情咨文演讲中专门提到了3D打印技术，鼓励美国加大在这方面的研发投入。这一举动让3D打印在美国乃至全世界都火了起来，成为了最热门的技术话题之一。
也是在2010年代，各种新型的3D打印技术不断涌现。比如可以打印金属的技术，可以打印食物的技术，可以打印生物组织的生物打印技术……3D打印的能力越来越强大，能打印的材料也越来越多。
现在和未来：无限可能
现在，让我们回到现在。3D打印技术已经走过了将近40年的发展历程，从1981年的一个天才想法，发展成为一门改变世界的技术。
今天，你已经可以在很多地方看到3D打印的成果：医院里的牙科修复、定制化的助听器外壳、宇航员在太空打印的替换零件、珠宝店里3D打印的戒指模具、建筑公司打印的景观雕塑、餐厅里3D打印的巧克力……3D打印已经渗透到我们生活的方方面面。
但是，3D打印的故事还远远没有结束！
科学家们正在研究更加先进的技术：打印速度更快、精度更高的技术；能够一次打印多种材料的技术；能够打印真正可移植人体器官的技术；能够在月球或火星上打印建筑物的技术……
也许在不久的将来，你住的房子是用3D打印的，你吃的晚餐是用3D打印的，你穿的衣服也是用3D打印的。也许将来某一天，人类真的能够在太空中建立殖民地，而那里的所有建筑，都是用从地球带去的或者就地取材的3D打印机打印出来的。
而这一切的实现，可能就要靠你们——未来的科学家、工程师和创造者们了！
认识3D打印的家族成员
虽然我们统称这些技术为“3D打印”，但其实3D打印是一个很大的“家族”，里面有很多不同的“成员”。每一种技术都有自己的特点和擅长的领域，就像一个大家庭里的不同成员，有的力气大、有的动作快、有的心细手巧。让我们一起来认识一下这个大家庭里的几位主要成员吧！
FDM：最常见的“塑形师”
FDM，也就是熔融沉积成型，是我们最常见的3D打印技术。它的原理我们之前已经介绍过了，就是把塑料丝加热熔化后挤出来，一层一层地堆叠成型。
FDM技术的优点很多：设备便宜、操作简单、维护成本低、材料安全（常用的PLA塑料是玉米和甘蔗做的，很环保）。正因为这些优点，FDM成为了最受初学者和家庭用户欢迎的3D打印技术。如果你家或学校有一台3D打印机，十有八九就是FDM的。
不过FDM也有它的局限性：打印精度比不上其他技术，表面会有一些细细的纹路，打印速度也比较慢。
SLA：光固化大师
SLA，立体光固化成型，是最早商业化的3D打印技术。它使用的是液态光敏树脂和紫外激光，能够做出表面非常光滑、精度非常高的作品。
用SLA打印出来的东西，看起来就像是用塑料模具做出来的一样精细，完全看不出3D打印的痕迹。这让它非常适合制作需要精细外观的展示模型、珠宝铸造用的模型、牙科修