3D列印的概念、原理和应用:完整认识即将改变世界的新制造科技

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具体描述

英国「经济学人」:3D列印将会成为「第三次工业革命」的划时代技术!
  「哈佛商业评论」:3D列印即将改变世界!
  连欧巴马、郭台铭、韩国三星都关注的新兴产业,是什么样的产业引爆如此大的效应,让世界各国都投入大量资金与人力?

  最夯的3D列印产业革命来了!

  当世界各国投入大量人力和资金的时候,台湾,准备好了没?
  你不能不知道这最夯的新兴产业!
  将传统制造业重新洗牌的3D列印──
  唯有详细了解,才能在市场成功卡位!

  3D列印技术不仅让你在家就能制造自己设计的玩具、日常用品,甚至连  人体器官也能重新打造。3D列印技术对制造业、医疗、太空、汽车和国防等领域提供无限商机与希望;甚至在环保意识抬头的现代,减少能源消耗成为这项技术未来的亮点。

  随着3D列印设备愈来愈小,价格也愈来愈低,过去由大型工厂大规模量产的方式即将转型,透过3D列印技术将设备和原料成本降低许多,即使小量客制化的生产,一样能获利。加上3D列印是以极小体积的材料堆叠,因此各种形状复杂或无规则的物体,皆可以制造或复制出来,例如3D列印的服饰在巴黎时尚展登场,波兰和上海也透过3D列印列印出建筑物。牙科诊所也能列印病患齿模,降低手术风险,提高医疗效率,甚至在未来,连肝脏、视网膜细胞皆可列印出来。

  本书完整且详尽介绍从3D列印的概念、设计、软体,以及应用层面,以深入浅出的方式说明,并以作者本身丰富的制造业技术背景,描绘了个人在3D列印技术所形成的新型制造业模式,且如何为各领域产业带来冲击性的影响。

本书特色

  1.本书主要分两大部分,前半详细介绍3D列印的机器、材料与制作原理;后半则是探讨未来的发展契机
  2.搭配多张清楚简洁的3D列印制作原理图说。
  3.深入浅出的介绍,一本就能搞懂3D列印。

名人推荐

  国立台北科技大学机械系副教授 汪家昌
  佳世达公司设计经理      陈人凤    联合推荐

  越来越多人想要更了解3D列印是甚么?能做甚么?因此市面上相关的课程、演讲与书籍等资讯越来越多。笔者拜读完水野操先生的这本着作后觉得内容浅显易懂,从3D列印原理、制作使用流程等基础知识,到未来商业应用模式都有广泛完整的叙述与中肯的建议,非常适合对3D列印有兴趣者阅读。──佳世达公司设计经理 陈人凤

  3D列印堪称为第三次工业革命乃因其具有现阶段人类科技的制造方式瓶颈提供可能解决方案,不论是列印人体器官抑或是列印食品,皆足以撼动未来的生活型态,透过具有想法的自造者持续的投入与探索,更多的应用层面与启发不断的迸出,盼本书可引领您更了解3D列印的相关知识,进而孕育更多的自造者一同「改变」!──国立台北科技大学机械系副教授 汪家昌
突破性材料科学的边界:从原子到巨型结构的精密构建 本书深入探索了当代材料科学领域最为前沿和激动人心的发展方向——超精密制造与自组装材料设计。我们不再仅仅依赖传统的减材或等材制造,而是聚焦于如何以前所未有的精度控制物质在纳米尺度上的排列,从而实现宏观性能的革命性飞跃。 全书分为五个核心部分,层层递进地揭示了从基础理论到尖端工程应用的完整图景。 --- 第一部分:量子调控下的物质新相 本部分聚焦于基础物理与化学的交汇点,阐述如何通过外部能量场(如超强磁场、高强度激光脉冲或精确控制的化学势)诱导出材料在传统热力学范畴之外的新型量子物态。 1. 拓扑材料的能带工程: 深入剖析狄拉克半金属、Weyl半金属和拓扑绝缘体在二维和三维结构中的电子行为。探讨如何通过应变工程和界面耦合来“调谐”拓扑非平庸性,从而实现无损耗的电荷传输和自旋电流的有效分离。这不是关于“打印”的,而是关于“设计”原子排列以获得特定电子属性。 2. 活性分子自组装的动力学: 详细分析了非平衡态下,具有特定官能团的分子如何通过范德华力、氢键和疏水作用力实现动态、可逆的超分子结构(Supramolecular Architectures)的形成。内容涵盖了液晶相的复杂拓扑缺陷、DNA折纸术(DNA Origami)在信息存储和纳米机器构建中的应用,以及如何利用化学梯度驱动系统达到稳态结构。 3. 活体仿生材料的界面设计: 关注材料表面与生物环境的相互作用。探讨了如何通过表面粗糙度、化学能带和电荷分布的精确控制,来引导细胞附着、分化或迁移。这包括对抗血栓材料的表面修饰,以及设计能够模仿天然细胞外基质(ECM)的水凝胶支架的结构梯度。 --- 第二部分:超尺度集成系统的热力学与结构完整性 随着制造尺度的增大,材料的宏观性能不再仅仅是微观构成的简单叠加,而是与制造过程引入的内应力、缺陷演化以及热力学平衡状态紧密相关。本部分着重于大规模复杂结构的稳定性与可靠性分析。 1. 极端载荷下的微裂纹孕育与扩展模型: 引入了基于相场(Phase-Field)方法的断裂力学模型,用于模拟材料在周期性冲击、高频振动或极端温度变化下,内部缺陷如何萌生并跨越不同尺度的晶界或界面。重点分析了异质结构界面的应力集中系数和界面粘结能的计算方法。 2. 结构热管理与多物理场耦合分析: 在集成电路、高功率密度设备或太空结构中,热管理是决定系统寿命的关键。本章详细介绍了有效导热系数的各向异性建模,以及如何通过设计具有特定孔隙率或晶体取向的复合材料层,实现对热流的定向引导(Thermal Cloaking或Thermal Guiding)。 3. 大尺度材料的残余应力预测与补偿: 讨论了在快速冷却、化学沉积或快速固化过程中产生的残余应力场。引入了傅里叶变换红外光谱(FTIR)和电子背散射衍射(EBSD)在宏观尺度下应力分析中的应用,以及通过结构拓扑优化来自然释放应力的设计思路。 --- 第三部分:信息驱动的材料性能逆向工程 本部分完全脱离了传统的试错法,转向利用先进计算工具,实现从所需性能到结构设计的逆向推导。 1. 贝叶斯优化与高通量计算平台: 描述了如何结合机器学习(如高斯过程回归)与密度泛函理论(DFT)计算,构建一个高效的材料信息学数据库。重点在于如何定义“性能向量”并利用贝叶斯优化算法,以最少的计算资源收敛到满足特定力学、电学或光学指标的原子结构集合。 2. 结构-性能数据挖掘与潜在关联发现: 探讨了如何处理来自高通量实验(如微阵列筛选)产生的海量数据。引入了拓扑数据分析(TDA)来识别数据集中隐藏的、非线性的结构特征与性能之间的关联,发现传统物理模型难以察觉的结构冗余或关键变量。 3. 逆向设计中的约束条件处理: 在逆向工程中,系统往往面临多个冲突的性能指标(例如,需要高强度同时需要高韧性)。本章详细介绍了帕累托前沿分析在确定最佳折衷方案中的应用,并讨论了如何将实际加工限制(如最小特征尺寸、温度上限)有效地嵌入到逆向优化算法中。 --- 第四部分:极端环境下的功能性超构材料 本部分探讨了材料设计如何超越传统材料的内在限制,通过结构几何的巧妙设计来赋予材料全新的、依赖于结构而非成分的特性。 1. 声学与振动控制的超材料(Metamaterials): 重点阐述了如何通过周期性或非周期性的单元结构设计(如亥姆霍兹共振器、迷宫式通道),实现对特定频率声波的负有效质量或负体积模量的调控。这包括用于隔离超低频振动和构建“隐形”声学结构的应用。 2. 负折射率与电磁波调控: 深入分析了光子晶体和等离子体超材料的原理。讨论了L-C谐振单元在微波频段的性能,以及如何利用费米能级调控在太赫兹(THz)波段实现动态电磁开关。 3. 机械超材料的应力梯度响应: 介绍了通过层级结构设计,实现材料对外部载荷的非线性响应。这包括可编程刚度材料,它们可以在受力后从柔性转变为刚性,或实现能量的单向吸收(单向锁止机制)。 --- 第五部分:环境响应与自适应系统的构建 本书的最后一部分关注材料的动态行为,即材料如何感知环境变化并主动进行结构或功能上的调整。 1. 形状记忆合金(SMA)与高通量相变动力学: 详细考察了镍钛合金及其他多组分SMA的马氏体相变过程。重点在于如何通过应力诱导相变的控制,实现高能密度下的精确驱动和恢复,以及如何设计具有多重触发温度的级联形状记忆系统。 2. 化学梯度驱动的自修复与自装配: 探讨了模仿生物系统的反应-扩散(Reaction-Diffusion)模型在材料宏观自愈合中的应用。分析了微胶囊破裂后释放的修复剂在损伤区域的扩散速率、聚合动力学与最终修复效率之间的关系。 3. 响应性软物质的流变学特性: 分析了剪切增稠、触变性(Thixotropy)和磁流变液(MR Fluids)中的复杂流体行为。重点是如何通过控制悬浮颗粒的表面电荷或磁性,精确控制屈服应力,以实现对液体和半固态介质的快速、可逆的力学状态切换。

著者信息

作者简介    

水野操


  尼古拉设计与科技有限公司CEO,社团法人3D data活用会理事。一九九〇年开始将CAD/CAE/PLM等业界引进,大规模让供应商与外商谘询公司支援制造相关事务。二〇〇四年成立尼古拉设计与科技有限公司,之后独自从事品牌产品开发。为了3D data能活用于商业领域,以及投入CAD/CAM/CAE/PLM工具,积极导入3D列印技术。主要着作有《数字创业》、《图解3次元CAD》、《初学者3D列印与周边工具活用指南》、《在家就能做:超入门!3D列印与Autodesk 123D Design,创造新型自家制造业》等。

译者简介

林咏纯


  台湾大学物理系、地质系双学士,日本九州大学艺术工学府硕士。视日本福冈为第二个故乡。曾在民间研究机构担任日文研究助理。现为专职日文译者,认真对待经手的每个文字,期许自己更上层楼。译有《旅读书店》、《千年语录》、《人脉力》等等。

推荐者简介

陈人凤

  现为佳世达公司设计经理。设计过许多3C产品、知名品牌灯具。

  曾服务于大可意念、明基电通公司、屡获国内外设计竞赛大奖、受邀担任许多设计竞赛评审、演讲、台湾首场3D列印设计展策展人,有多年3D列印使用经验与作品。

图书目录

第一部 基础篇 让我们来认识3D列印吧!

第一章3D列印热潮的背景

自造者纪元前
自造者纪元后

第二章 3D列印的原理与可以做到的事情
3D列印机的原理
不同机器的成型方法不同

第三章 使用3D列印机的制造流程
[步骤一]3D档案的准备(设计业务)
[步骤二]3D列印用档案的准备
[步骤三]输出的设定
[步骤四]使用3D列印机来输出
[步骤五]输出的后处理
[步骤六]上传3D档案
[步骤七]订制输出物
[步骤八]输出物的出货

第四章 制作让3D列印机运作所需的档案
制作重要的3D档案
3D CAD与3D CG

第二部 商业篇 透过3D列印拓展商机

第五章 3D列印机的业务与商机
确认3D列印的特征
制作3D列印机可用的3D档案
从业务流程中寻找商机
3D列印的输出服务
制作3D档案的服务

第六章 活用3D列印的事业与产业
3D列印也能活用在制造业以外的地方

第七章 使用3D列印机来做生意的必要条件
带领3D列印相关产业迈向成功的必要条件
1 3D建模
2产品制造的流程与试做业务
3 3D列印的原理、方式、材料、特征
4活用网路的技巧
5培养社群(自己公司的粉丝)

第八章 新时代的自造者诞生
出现新型态的自造者
——新时代自造者的午后
个人也能成为无厂制造商的时代

第九章 从异业种迈向自造者
二〇〇三年:很久很久以前,自造者热潮出现之前的自造者故事

第十章 新时代工厂的可能性
经营工厂的必要条件
——数位工厂老板的一天
支援创造性的工厂
新时代自造者需要的工厂
服务新时代自造者的工厂需要什么?

第十一章 从其他领域跨足3D列印事业的实例
支援自造者的输出服务

第十二章 如何帮助未来3D列印相关事业的发展
周边事业的可能性

终章 新时代产品制造的可能性


图书序言

推荐序

3D列印实现未来无限可能


  从二〇〇六年起,我们公司就开始使用3D列印机在设计开发过程中,当时除了台北设计中心以外,在慕尼黑、北京也都各有一台3D列印机,三地的设计师除了经常email设计图档即时远距检讨之外,也会在各自的办公室内使用3D列印机即时印出一:一模型同步检讨设计提案。从过去到现在实体模型制作在设计过程中一直是不能缺少的步骤,因为电脑萤幕里的设计图无论多么吸引人,终究还是需要实体模型来做进一步确认;例如检讨一支手机的设计时,我们虽然可以从萤幕中看到外观造型,却无法真实感受它握在手里的感觉,也无法确认使用起来有没有问题、按键会不会被误触、会不会太宽不好握等。因此使用我们办公室里那台可以列印彩色模型的Zcorp Printer,只要上传档案按下列印按键后一小时就能制作完成,做出来的模型虽然不比CNC制作的精致,但是制作快速且操作简单,可以说真是设计师们的好帮手。

  虽然3D列印技术已经有三十年历史,但是在过去二十几年之间大多只在特定专业领域使用,而且因为机器昂贵,动辄上百万甚至上千万台币,所以一直无法普及,以致于许多一般大众误以为这是个过去没有的新技术。直到最近这几年有些专利到期,许多便宜的热熔成型(FDM)机器开始在市场上普及,越来越多人有能力购买3D列印机来实现自己的创意,同时也越来越多人想要更了解3D列印是甚么?能做甚么?因此市面上相关的课程、演讲与书籍等资讯越来越多。笔者拜读完水野操先生的这本着作后觉得内容浅显易懂,从3D列印原理、制作使用流程等基础知识,到未来商业应用模式都有广泛完整的叙述与中肯的建议,非常适合对3D列印有兴趣者阅读。

  近二、三年来3D列印在全球非常火红,这个在过去只有专业领域人士才知道的技术,随着电视媒体的频繁报导,例如3D列印可以印房子、飞机、枪、人体器官、义肢、食物、客制化商品……等无所不印,以及世界各国政府如何看中并且积极发展这项技术,所有日新月异的新闻都让一般大众都对这项技术充满好奇。不论在日常生活的食衣住行育乐或是医疗、军事、航太等高端领域的应用,今日3D列印正扮演着跨时代的推动者角色,从过去只在特定领域使用到现在百花齐放,这一刻我们正在见证科技的力量,人们对这无所不印的科技充满想像与期待。虽然有时我也觉得媒体的报导稍嫌夸张,但是3D列印的重要性与未来的发展是不需怀疑的,它就像是已经开始向前行驶的火车,没有意外的话是不会中途停下来的,不管时间长短,它都是朝着目的地前进着。

  从世界各国3D应用的案例我们可以看到科技与人文结合所创造出的惊人价值,例如在医疗方面,不论是为人量身订作义肢、人工关节、人体器官、牙齿矫正器等等,都发挥3D列印可以高度客制化的特性来造福人类。在汽车航太方面,应用雷射烧结3D列印技术不但可以制作出复杂、精密、高强度、轻量化的零件,而且可以缩短传统繁复制造方式的时间。在模具开发制造方面,3D列印的加法制造方式能够做出CNC无法加工的造型,因此可以制作最佳化的模具水路,达到更好降温效果以缩短大量生产时间、提高效率与品质,德国EOS公司与台湾数可公司已经有许多这样的成功案例。

  在时尚方面,过去几年有许多国际时尚设计师尝试应用这个技术产生许多大胆且令人惊艳的设计,另外,Nike、New balance等国际球鞋大厂不约而同推出能够提升运动员速度的3D列印球鞋。在建筑方面,各国专家都在尝试应用此技术列印出快速而且成本便宜的房子,今年在上海公开展示十栋只花二十四小时就列印完成的两层楼房子,可以说颠覆了传统建造模式。

  运用3D列印来制造产品,就一定要了解3D列印的特点。特点包括:一、量产不用模具,零库存,制作速度快;二、少量多样,生产弹性高,材质选择多;三、结构复杂也可以一次成型,不须工厂生产线。目前虽然3D列印的产品单价较大量生产产品高,但是不需要负担昂贵的模具费而且开发时间短,很适合应用在开发大量客制化、个性化商品,例如可以上网订制个人专属公仔的Makies,以及可以配合消费者耳朵形状推出专属的耳塞式耳机的Normal。另外,具有高艺术价值与收藏价值的设计商品也越来越多,如MGX的从上述这么多的应用案例看来,已经有越来越多应用3D列印这种有弹性的制造工艺形成大量客制化商业模式。过去工业革命开启了大量生产的时代,大量生产模式有效降低家具与灯具作品都是一时之选。

  产品成本,可以满足消费大众的基本需求,但是今日大量生产的产品利润越来越低,许多企业生存越来越困难,甚至已经到了不得不做改变的时刻,许多业者开始思考如何从大量生产低利润的红海,转变到以更好的服务创造更高经济价值的大量客制化模式。对消费者而言,大量生产的产品虽然价格低,但可以选择的有限,这样的模式已经不能满足追求独特、个性化的现代人。因此企业可以思考大量客制化模式,以网路与全世界广大的消费者即时沟通,了解消费者需求,并以更有弹性、更能缩短生产时间的方式制造,以满足不同消费者各种不同的需求、创造更高经济价值。

  随着3D列印技术的快速发展,未来将有更多新的商业模式、新的设计思考与新的可能发生,各位读者你准备好了吗?

国立台北科技大学机械系机电整合研究所副教授‧3D技术特色实验室负责人 汪家昌

  犹如科幻电影「钢铁人」男主角在片中全自主设计及开发的情节,现今已在真实社会中发生,透过3D列印的技术可实现许多不可能的任务。自从二〇一三年初春美国总统欧巴马的演讲开始,大量的文摘报导蜂拥而出,片面而未消化过的资讯让普罗大众对3D列印的无所不能感到惊奇。同时市场上亦出现低价一入手的3D列印设备,更让许多人误以为「3D列印即是如此」!

  本人自一九九八年开始进行3D列印的相关研究工作,迄今已逾十载,看着此一加工技术突然于近年跃昇为显学感到喜悦,更殷切的期盼能有浅显易懂且完整介绍3D列印的科普读物能出现以飨读者大众。拜读本书后深感本书将工程内容以易读的文字呈现予读者,而让一般大众得以对3D列印有正确的认知;同时本书对因3D列印而异军突起的「Maker」自造者运动,亦有相当介绍!

  3D列印堪称为第三次工业革命乃因其具有现阶段人类科技的制造方式瓶颈提供可能解决方案,不论是列印人体器官抑或是列印食品,皆足以撼动未来的生活型态,透过具有想法的自造者持续的投入与探索,更多的应用层面与启发不断的迸出,盼本书可引领您更了解3D列印的相关知识,进而孕育更多的自造者一同「改变」!

图书试读

用户评价

评分

我是一名小規模創客,平時喜歡自己動手做一些小東西,也常常在網路上看到關於3D列印的各種分享,但是對於它的「概念」和「原理」始終覺得一知半解,有點像是霧裡看花。《3D列印的 இவற்ற、原理和應用:完整認識即將改變世界的新製造科技》這本書,光是標題就讓我覺得非常有吸引力,特別是「完整認識」這幾個字,我希望能藉由這本書,真正搞懂3D列印是怎麼一回事。它有沒有可能成為我未來創作的利器?書中提到的「應用」,我更是好奇,除了我看到的那些小零件,它還能做出什麼更複雜、更有創意、甚至更實用的東西?我希望能透過這本書,了解有哪些現成的3D列印機適合個人或小型工作室使用,又有哪些材料是可以選擇的,以及在實際操作上,有哪些需要注意的地方。總之,我期待這本書能給我帶來實實在在的知識和啟發,讓我在創客的道路上,能夠更進一步,玩轉這個充滿無限可能的3D列印新世界。

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身為一個對科普和新科技充滿好奇心的普通讀者,我對於「3D列印」這個詞總是聽過,但總覺得它離我的生活有點遙遠,好像是個專門給工程師或是科技宅的玩意兒,直到我看到這本《3D列印的 இவற்ற、原理和應用:完整認識即將改變世界的新製造科技》。它的標題很吸引人,尤其是「即將改變世界的新製造科技」這幾個字,讓我不禁想像,這個東西究竟有多大的魔力,能被冠上如此響亮的稱號?書名裡提到的「概念、原理和應用」,感覺非常紮實,不像有些書只是講一些皮毛。我希望它能用比較淺顯易懂的方式,把3D列印的基本概念講清楚,讓我這個門外漢也能聽懂。像是它到底是怎麼「印」出東西來的?跟我們傳統的製造方式有什麼不一樣?在「應用」的部分,我更是充滿想像,它能不能印出家裡的備品?能不能製作出獨一無二的禮物?甚至是醫療、建築這些大領域,它又能扮演什麼角色?光是想到這些可能性,就讓我的腦袋開始運轉,希望這本書能帶我走進這個令人興奮的3D列印世界,讓我不再是旁觀者,而是能稍微理解這個正在改變世界的新技術。

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最近在關注一些趨勢報導,發現3D列印這個話題出現的頻率越來越高,但總覺得對它的理解還停留在「可以印出小模型」的階段。《3D列印的 இவற்ற、原理和應用:完整認識即將改變世界的新製造科技》這本書的出現,簡直是為我這種想要深度了解的人量身打造的。我一直覺得,要真正掌握一項新技術,不能只看表面,一定要理解它的「概念」和「原理」。這本書標題就強調了這一點,讓人感覺它會深入探討3D列印的核心機制,而不是流於形式。更重要的是「應用」的部分,我非常想知道它在各個產業的實際落地情況,像是汽車、航空、甚至藝術和時尚,它能帶來什麼樣的突破?有沒有那些我們意想不到的獨特應用案例?作為一個喜歡思考未來發展和產業變革的人,我希望這本書能提供一個全面且深入的視角,讓我對3D列印有更清晰、更具體的圖像,明白它究竟是如何「改變世界」的,以及我們應該如何去迎接這場新的製造革命。

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天啊,收到這本《3D列印的 இவற்ற、原理和應用:完整認識即將改變世界的新製造科技》真的讓我眼睛一亮!我本身就是在工業設計領域打滾了幾年,一直對新科技的發展保持高度關注,特別是那些能實際運用在我們工作上的。3D列印這東西,概念我大概懂,但總覺得摸不著邊際,好像很厲害但又不知道具體能做到什麼程度,或者說,它到底能把我們現在的設計流程帶來多大的顛覆?這本書的光標題就抓住了我的痛點,它承諾「完整認識」,這對我來說太重要了,我不需要那種蜻蜓點水的介紹,我想要深入了解它的「概念」和「原理」,這樣我才能知道在實際專案中,哪裡可以用得上,哪裡又是我需要避開的雷區。而且「應用」這個詞,更是讓我期待,因為我最關心的是它在不同產業、不同領域的實際案例,看看那些前輩們是怎麼玩轉這項技術的,有沒有什麼獨特的解決方案,或者我能從中獲得什麼靈感,讓我的設計更具前瞻性。總之,對於我這種渴望技術升級,希望在職場上保持競爭力的人來說,這本書就像是及時雨,我迫不及待想翻開它,看看它到底能帶給我多少驚喜!

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說實話,看到《3D列印的 இவற்ற、原理和應用:完整認識即將改變世界的新製造科技》這個書名,我心裡其實是有點壓力的。因為「3D列印」和「新製造科技」這些詞,聽起來都離我這個從事傳統服務業的人有點遠。但是,身處在一個快速變化的時代,我總覺得自己應該要對這些可能會影響未來趨勢的科技有所了解。這本書承諾「完整認識」,這讓我這個有點抗拒又有點好奇的讀者,覺得或許可以嘗試一下。我希望它能從最基礎的「概念」講起,用最簡單、最容易理解的方式,解釋3D列印到底是什麼。然後,對於「原理」,我不用學到非常專業的程度,但至少能知道它大概是怎麼運作的。而「應用」的部分,我最期待的是能看到一些跟我生活相關的例子,或者是一些令人驚訝的、意想不到的應用,讓我明白這個「改變世界」的科技,究竟能為我們的生活帶來什麼樣的實際影響,而不是只存在於新聞報導或電影情節裡。希望這本書能讓我這個「科技小白」也能對3D列印有一個清晰的認知,不再覺得它那麼遙不可及。

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