设计软件塑造了我们的世界。几乎每个建筑模型、每件产品原型以及成品的背后都存在一个计算机设计文件。你此刻坐着的椅子、你办公桌上的订书机、你的汽车甚至你衬衫上的纽扣，所有这些东西在实际生产出来之前都是数字化的。可以说设计文件是现代工程的语言。
设计软件是3D打印的核心。正像基于纸笔的手绘图是维多利亚时代的造船者在建造过程中的指导工具，设计文件指导3D打印机如何打印。
从绘图文字处理器到AutoCAD
历史上第一个基于计算机的设计工具出现在20世纪50年代，当时研究人员和科学家们用它进行特殊的计算和基于计算机的原始模拟。早期的商业设计软件自20世纪60年代开始投入市场，售价约50万美元（由“数据控制公司”出售）。当我还是一名本科生时，我们很羡慕博士生能够使用运速快的CDC（通信设备类）主机。当时，这种巨型计算机呈现一个设计模型需要用1分钟的时间；而如今，你的手机1秒就可以呈现30个设计模型。
1982年，一家名为Autodesk（欧特克）的小型软件公司的首席执行官约翰·沃克给他的雇员们发了一份内部通知。在通知中他描述了对全新设计软件产品的愿景。他满腔热情地将这个新产品定位成将在微机上运行的低成本“绘图文字处理器”。大约在同一时间，身处几千英里外的查克·赫尔正在制造世界上第一台原始的3D打印机。
在与Autodesk雇员充分讨论之后，沃克将这个新的设计软件应用程序命名为“MicroCAD”（微型CAD）。如今，成本低廉的、基于台式计算机的设计软件大行其道。但在那个年代，这却是对未知将来的一次冒险。MicroCAD之所以被认为是一个全新的设计工具并不是因为它是设计软件，而是因为它可以在台式计算机上运行。MicroCAD最主要的市场吸引力在于它的成本低，不仅软件本身价格低，而且还为用户节省在计算能力方面成千上万美元的投资。
沃克希望MicroCAD成为这样一种设计工具：不仅可以提供和价格昂贵的竞争对手的产品相同的性能，而且成本要比竞争对手低很多。沃克写道：“与安装在70 000美元配置的计算机上的Computervision CAD（计算机CAD）相比，安装在10 000~15 000美元配置的台式机上的MicroCAD在性能和特点方面更具竞
争力。”
在20世纪80年代，对于使用基于计算机的模拟程序测试机器部件的专业设计师和工程师来说，3D建模是最主要的途径。当时，微机还是一项不成熟的新技术，就像如今的家用3D打印装备一样。与大型机或早期的UNIX（一种操作系统）服务器相比，微机体积很小，缺乏运行复杂的工业设计项目所需要的能力。
在当时那个个人计算机知识匮乏的年代，台式计算机市场刚刚起步。那些后来通过销售个人计算机软件成为亿万富翁的人在当时连百万富翁都不是，而且大部分在高科技领域以外无人知晓。微软和苹果距离入围财富500强公司还差很远。比尔·盖茨那时乘飞机坐的还是经济舱。
当时，沃克的这家刚刚起步的软件设计公司是由兼职雇员组成的松散组织。每个雇员每周至少需要工作14个小时，每年才获得1美元的薪水外加股票期权。
沃克的内部通知提到：“当前，微机领域尚无知名的竞争产品（虽然苹果公司也有一些非常简单的屏幕绘图程序，但我们必须认真地向消费者讲解我们的产品与其他产品的不同之处）。” MicroCAD可以处理2D（二维）图形，并可用于建筑楼层平面图的创作，或许也能实现绘制蓝图工序的自动化。
几十年以后，事实证明，微软、苹果和Autodesk在微机上的冒险是正确的。作为20世纪90年代低成本桌面计算的弄潮儿，MicroCAD（现已更名为AutoCAD—欧特克）和其他商业计算机辅助设计软件树立了不朽的里程碑。如今，甚至连普通手机具有的计算功能和视觉显示功能也比20世纪70年代的大型计算机多。
如今，Autodesk是一个价值数十亿美元的全球性公司，其在全世界范围内卖出了1 000多万件AutoCAD产品。“绘图文字处理器”已经成为历史，现在的AutoCAD是3D建模领域功能强大的设计工具。
设计软件：以数字化的方式呈现物理世界
设计软件必须能够无缝地捕捉模拟物理世界的连续性和几何性本质，并将其缩减为离散的二进制单位。世界著名的物理学家理查德·费曼在他的回忆录中记录了如下一段对话，这段对话捕捉到了几何的非象征性、非言语性的本质：
有一次，我们在讨论一些事情，我们当时也就十一二岁。我说：“思考就是跟自己对话。”
“哦，是吗？”贝尼说，“你知道汽车曲轴古怪的形状吗？”
“知道啊，你想说什么？”
“好。现在告诉我：当你跟自己对话时，你如何描述它？”
费曼提出了一个很好的观点。人的心灵之眼将物理世界的形状、组成和行为感知为不同形状物体的无限连续集合，但将所有这些信息缩减为可以用来向别人再次有效描述的一组符号，毫无疑问是一个严峻的挑战。
设计软件必须将我们模糊而多样的物理世界缩减为精确、清晰的“语言”。早期的计算机在计算和跟踪符号（如数字或文字）上迅速超越了人类。然而，依靠已有的计算能力处理原始几何图形却花费了数十年的时间和大量钱财。
图6–1?文件（右）通过电子化的方式描述需要打印的物理对象（左），
并按步骤引导打印机工作
图片来源：Bathsheba Grossman
基于计算机的设计文件用x、y和z坐标捕捉物理对象的形状。当描述一个简单的块状物体时，它可以精确地描述出它的高度、宽度和深度。但是，当描述一个形状较为复杂的物体时，例如一朵花，描述过程就会变得较为复杂。计算机用一系列成千上万的x、y和z坐标对“普通”的3D物理对象的形状建模。
当设计软件在用户的电脑屏幕上显示设计对象时，计算机处理器正努力地计算生成相应图像的数学方程。每当用户在过程中用鼠标点击设计图或者拉伸设计的边缘时，计算机都在迅速地进行一系列的计算，调整设计对象的x、y和z坐标。
跟踪由单一材料做成的简单立方体设计的变更并不是很难。然而，当物体为弯曲状或结构复杂时，跟踪起来就比较复杂。即使是一个高度和直径都很规矩的圆柱体，也需要做大量的计算以便准确展示所有曲线和阴影的美感。对于一个创建装饰讲究的金属散热器的设计项目，设计文件将跟踪大量的x、y和z数据点，以便描绘金属散热器表面的所有曲线、镂空和边缘。
20世纪90年代，当普通的公司和小型工程企业也可以负担得起设计软件时，工业设计发生了永久性的改变。与模糊的历史记载情形或者手工绘制图不同，设计文件可以被锁定，文件内的知识可以牢牢地、准确地被记录。设计文件可以即刻被发送到地球的另一端，其接收人可能是一个陌生人，他不需任何参考和提示，仅根据原始的物体设计就可以研究、保存、修改或3D打印他接收的设计文件。
设计软件可以自动完成设计工序中的烦琐环节。文字处理软件可以减少对时间以及打印文件所需纸张的浪费。设计软件减轻了重复设计的痛苦。设计者可以快速地在屏幕上重复设计，也可以返回到之前的设计。你可以轻易地将某一部分的设计复制并粘贴到另一部分来试验表面的纹理和颜色。设计软件会跟踪每一个设计版本，其存储的数据点比人类能够记住的数据点要多。
你还记得如何使用纸笔绘制一个立方体吗？如果你的立方体设计很简单，使用纸和笔就能绘制得很好了。但是，如果你想在设计上做一些试验，并添加一些创意，事情就变得麻烦了。
我记得我上小学时，如果在绘制立方体时出错了或是想改变设计，我会使用橡皮。如果我在边角处应采用清新而明亮的黄色而非灰色，但发现得太晚时，我会在一张新纸上用一支黄色的铅笔重新开始。即使是重复简单的设计也会浪费纸张和时间，这样也就增加了挫败感。如果我的老师要求我在立方体上添加一些表面纹理或勾画一些内部通道，这些看似简单的附加设计就远远超出了我的能力。
我第一次接触设计软件是高中时为图形设计写代码。上大学时我找到了一份兼职工作，帮助一家荷兰制造商在计算机上设计简单的钣金件。他不得不请一个经验不足的大一新生帮助他做这项工作，可见在那个年代会使用CAD的专业工程师可谓凤毛麟角。我的同学居伊·沙维夫和我一起写了个简单的程序，用来勾勒出钣金件的轮廓，就好像它是由纸做的，无须考虑其实际物理厚度。
我们的想法是，当设计文件到达工厂以后，生产一线人员再输入钣金件的实际厚度。相应地，工程师的设计会自动调整。这是一个很简单的想法，与如今的实时、逼真、全景的动画设计比起来相距甚远。但是，我的指导老师摩西·什皮托尼（Moshe Shpitalni）很有先见之明，他预见到CAD不仅仅是改善设计本身这么简单。
设计软件可以实现制造工厂的各个部门之间的无缝沟通。我们的程序使制造商放宽采购标准，与传统的“固定”的蓝图相比，可采购原材料的范围更广。该软件获得了巨大的成功，最终卖出了400万美元（其中我和我的朋友每小时得到2.5美元）。
后来，我在20岁出头时，到海军服役，我们部队有一个特殊的蓝图部门。这个部门设在一个光线充足的房间里，在这里，训练有素的绘图员在桌面倾斜的绘图桌上辛苦地绘制船舶的船体、引擎和其他部件的详细蓝图。
我和我的指挥官游说上级，使其将3D设计软件引入海军工程单位。最终，我们成功了，但这确实不是一件容易的销售工作。这些绘图员之前已经花费了许多年学习传统的绘制方法，仅有一些新入伍的士兵愿意重新开始学习如何使用基于计算机的设计工具。然而，甚至连之前最排斥的绘图员最终也意识到使用设计软件不仅可以提高效率，而且可以进行重复设计，其内置的计算与预测能力是任何人类绘图员都无法企及的。
海军结构工程师可以很快地在他们的计算机上勾画出水箱的形状。然后，根据后勤部门的反馈信息，快速地通过数字化的方式改变水箱的容积。实际上他们几乎可以“称”出水箱的重量，并确定它的制造成本。最重要的是，计算机可以计算出不同形状和尺寸的水箱对船在公海上航行的稳定性造成的影响，而如果就这个问题请教专家的话，通常需要一个多星期才能得到答案。
设计软件的伟大之处在于，它以数字化的方式呈现了物理世界，将自动化的所有优势都注入设计工序里。设计软件的不足之处在于，即使在今天，它仍然不能通过数字化的方式捕捉物理对象的全部本质。计算机可以很好地预见一系列有限数量的元素，例如计算两名国际象棋棋手可能走出的全部不同棋步的组合。然而，将物理世界分解成一系列有限的可能性并不是一件容易的事情。
让一切皆为可能：设计软件与3D打印的结合
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。
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。
图6–2?使用Autodesk Inventor软件3D打印出来的涡喷发动机实体模型
图片来源：Gonzalo Martinez, Autodesk
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。
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。
设计机器零件：实体建模CAD
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。
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。
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。
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。
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。
绘制屏幕上的字符：3D计算机图形软件
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。
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。
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。
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。
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”。
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。
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。
编辑物理世界就像编辑照片一样
用光学扫描数字化地描述物理对象正变得越来越流行。不久前，扫描指的是将一份纸质打印文档或者照片变成一个数字文档。如今，人们可以扫描建筑项目中的建筑物正面，或使用核磁共振扫描疼痛的肘部以找到扭伤的韧带。
扫描数据通过一组三维坐标描绘物理世界的形状和规模。扫描数据介于实体建模软件设计的原始形状和曲面建模软件中包装数字对象的虚拟网格之间。试想如果你把胶水浇到自己身上，然后在一大堆五彩纸屑中翻滚，结果会怎么样。当你站起来时，纸屑会粘满全身，你的身体牢牢地粘着密集的五彩纸屑。
假如有人看到这一场面会认真耐心地记录粘在你身体表面的每张五彩纸屑的精确位置。也许第一次尝试时他会耐心地采用描述的方法记录下每个纸屑的位置，例如“鼻尖上有一个红色的纸屑”。按照这种方式辛辛苦苦记录下来后，记录者会发现一种隐藏在五彩颜色背后的更高效的纸屑位置记录方法：根据其在空间的精确位置或依据x、y和z坐标快速记下每张小纸屑的位置。
这从本质上解释了扫描仪如何捕捉物体（如数字纸屑的表面涂层）的物理特点。每个数字纸屑代表了一个数据点。每个数据点包含三维空间中每一个小点在你身体表面的位置信息，以x、y和z坐标的方式记录。
粘在我们身体表面的数字纸屑也可以称作“点云”。大多数扫描仪数字化地采集点云，然后将数据反馈给计算机。扫描后的数据会被上传给设计软件，为了解收集的位置坐标信息，设计软件通过一系列快速计算将点云转换成表面网格，有时会计算丢失的数据点来填充表面空缺。
3D打印和点云简直是天作之合。扫描数据开辟了设计新领域，并释放出3D打印的巨大潜力。对于没有设计文件的对象来说，扫描对于捕捉其几何形状是有用的，例如天然的物体（如植物、动物、人、解剖模型）以及无生命的物体（如石头甚至风景）。当原始的CAD文件不可用或者根本不存在时（如考古对象和破碎的部件），扫描对于捕捉合成对象的形状也是有用的。
在我看来，扫描数据是跨越模拟物理世界和二进制数字世界鸿沟的桥梁。原件与副本、受版权保护的对象与衍生作品之间的界线已逐渐模糊，扫描和复制的物理对象就处于这个灰色区域。一旦设计文件捕捉了扫描数据，这些数据就可以被编辑、复制和复印了。
总有一天，我们编辑物理世界变得像编辑数码照片一样容易。
图6–3?点云数据和相应的表面网格
图片来源：Ligang Liu, Zhejiang University, China
瓶颈在于计算能力以及缺乏足够智能的算法填充空白以完善数字点云的细节。计算机并不一定了解它扫描的内容，所以你不能只扫描一个花瓶然后要求计算机将花瓶的瓶壁做得更厚一点儿，因为计算机不知道哪里是瓶壁以及哪个方向需要“更厚一点儿”。与其他的数字化软件工具一样，光学扫描的数据不能捕捉一个物体的内部结构。光学扫描数据像其他数字化软件工具一样不能捕捉物体的内部。目前改进的医疗成像技术，如CT（电子计算机X射线断层扫描技术）扫描仪、核磁共振成像和超声波检查，正在改变这种情况。
设计软件的未来
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。
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。
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。
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。
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。
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。
图6–4?手部CT扫描
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。
图片来源：Daniel Dikovsky, Objet Inc.
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。
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。
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。
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。
把设计的东西完美打印出来
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。
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。
STL：目前的标准
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。
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。
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。
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。
如今的设计软件通常能够处理涉及数十亿位置坐标或复杂网格的设计文件。与此同步，如今最好的3D打印机正在快速地接近1微米的打印分辨率。然而，STL文件（跨越这两种技术的重要桥梁）却跟不上步伐。
增材制造：新标准
更换和升级STL文件的一个可用的方法是采用基于XML（可扩展标记语言）的新标准—AMF（增材制造格式）。开诚布公地讲，AMF标准是我与其他人一起合作开发的，我理所当然支持它。我与一群3D打印机制造商、CAD软件供应商以及专家级用户一起开发了AMF标准。我们成立了一家国际机构开展合作，该机构负责技术标准（美国材料与试验协会颁布）的制定和实施。
AMF保留了STL格式的曲面网状结构，但新增加了功能来反映设计软件和3D打印机的先进性。例如，AMF文件格式可以处理不同颜色、不同类型的材料，创建格子结构以及处理其他详细的内部结构（这正是增材制造的巨大优势之一）。与STL采用的平面三角形相比，曲面三角形可以更准确、更简洁地描述曲面。
2010年5月标准机构正式通过AMF标准，但对一个标准的最终测试是其能否被广泛地采用。在写作本书时，该标准尚未被3D打印厂商所采用。这个过程可能需要数年。我们正踯躅于鸡和蛋的悖论：CAD厂商和3D打印公司都等着看是否有人愿意在新格式上赌一把，而放弃又老又乏的战马—STL格式。
下一代的设计软件：数字化捕捉
如果说第一代主流设计软件经历了桌面计算和传统制造业的浪潮，新一代的设计软件则经历数字化捕捉或“现实捕捉”的浪潮。设计软件的市场化未来是要让任何人都可以实现现实捕捉。软件公司之间的竞赛就是看谁能够捕捉消费市场。Autodesk（20世纪80年代推出绘图软件MicroCAD）希望屹立于下一个大的改革浪潮之上。Autodesk致力于创造123D（一款CAD工具），这是一套针对儿童和消费者的免费设计工具。
其他CAD公司（如SolidWorks、PTC、犀牛和SketchUp）为从事设计类的消费者构建模块。然而，像任何已经在成熟领域有一席之地的公司一样，软件设计公司面临的问题是很难缩小差距。一方面，公司必须利用其组织资源捕捉到这个新的市场机会；另一方面，公司必须继续保持其核心生产力引擎，该引擎为99％的传统制造业服务并为公司带来收入。
“未来的设计软件会使现实与软件之间的转换更加容易。”Autodesk公司大众产品部门的副总裁贡萨洛·马丁内斯说，“我们的目标是要加快该过程。我们现有的工具可以捕捉一个物体上亿个数据点的物理细节。我们的目标是使人们更容易地操作这些数据，以便从人的角度了解并且回答这个问题：‘那个物体是什么？’”
“我们正在探索新的方法来设计和制造东西。”贡萨洛说，“去年，我们建立了一个国家级艺术加工实验室。现在，我们拥有西海岸最多的3D打印机收藏品。”
如果捕捉物理对象的设计细节成为一个快速而轻松的过程，那么每个人都可以成为设计师。一旦3D打印无处不在，每个人都可以成为制造商。“我11岁的儿子设计了一个复杂的物体，而我曾花了3年时间学习如何设计这个物体。”贡萨洛笑了起来。
图6–5?这个3D打印的头骨被123D Catch软件以数字的形式捕捉
图片来源：Josh Mings
贡萨洛说：“我们的长期目标是从点云数据生成参数（形状库）。这对逆向工程来说很好，如果我们要以数字形式复制或改变对象，它可以加快设计过程。简单地说，下一代设计软件将快速地把现实带到计算机中。”
