您知道我们为啥这么专注青少年3D打印创新教育吗？
3D打印是一种将数字模型转化为实体物体的技术，它可以让我们用电脑设计出任何想象中的形状，并用各种材料将其制作出来。3D打印不仅可以应用于工业、医疗、建筑等领域，也可以成为青少年学习创新思维和实践能力的有效工具。
我们专注于青少年3D打印创新教育，是因为我们认为这是一种能够培养孩子们未来所需的核心素养的教育方式。通过3D打印创新教育，孩子们可以：
激发想象力和创造力。3D打印可以让孩子们自由地设计出自己想要的物品，无论是玩具、饰品、机器人还是艺术品，都可以用3D打印实现。孩子们可以在电脑上使用专业的3D设计软件1，或者在手机上使用简单的APP2，来绘制出自己的创意，并看到它们在现实中成形。
培养科学素养和工程思维。3D打印不仅是一种艺术表达，也是一种科学探索。孩子们可以通过3D打印了解到物理、化学、生物等科学原理，以及机械、电子、软件等工程知识。孩子们可以通过3D打印制作出各种有趣的实验器材和科学模型，或者将3D打印与其他技术结合，如激光切割3、人工智能3、机器人2等，来创造出更多可能性。
提高问题解决能力和团队合作能力。3D打印是一种需要不断尝试和改进的过程，孩子们可以在这个过程中遇到各种挑战和问题，如设计难度、材料选择、打印参数设置、模型修复等。孩子们可以通过自己的思考和实践来解决这些问题，或者与其他孩子交流和合作，共同寻找最佳方案。
增强自信心和成就感。3D打印可以让孩子们从零开始，亲手制作出自己的作品，并将其分享给家人、老师和同学。孩子们可以从这些作品中感受到自己的能力和价值，也可以从他人的反馈中获得认可和鼓励。
我们专注于青少年3D打印创新教育，是因为我们希望通过这种教育方式，让孩子们在快乐的学习中发现自己的兴趣和潜能，培养自己的创新精神和实践能力。
随着3D打印技术不断的成熟发展，火爆的3D打印技术已经在各个行业几近无所不能了！今天玖玖就带您一起深度了解3D打印创新教育对孩子们的重要性以及对未来产生的重大影响。
友情提示：内容干货较多，请用心阅览！
一、3D的基本概念
因为3D包含的内容太多了，我们就先从3D软件说起。3D软件是用来创造3D内容的工具，创造出来的内容包括：3D模型和图像渲染。我们常说的3D建模（或者珠宝行业的电绘），就是用3D软件来完成的。
3D软件的种类也非常多，从功能上分主要有建模、渲染、动画、物理仿真、工业CAD（包括CAM）、3D分析工具（力学、流体力学、热力学、机械可靠性分析等等）。从行业上分，就是：影视、游戏、建筑、城市规划、制造业等等。
所以我们看到，3D工具和它所创建的内容有这么多，几乎是无所不能，3D数据是未来信息化社会的核心资产。而且，3D是虚拟现实、增强现实和混合现实的技术基础。没有3D就无法实现这些高端应用。
二、3D建模
在三维软件里，我们使用三维空间坐标描述物体的形状和位置（也就是X、Y、Z轴）。物体有各种各样的造型，无论多么复杂的立体造型，都可以使用点、线、面、体来进行描述。每个3D造型的表面上的任何一点，在三维空间中都有对应的坐标值，这为后期的3D打印和CNC加工提供了原始数据。有关数字化加工，在后面会提到...
下图，犀牛软件的点线面体的图例说明：
下面这张图是四个简单的3D立体模型，可以看到一个实体模型（封闭的实体）是由很多小平面或小曲面构成的：
我们再来看看下面的，曲面其实也是由更多细小的平面拼合而成：
下图这两张图可以看出，任何复杂造型都可以拆解成点、线、面。通过调整和变形，我们可以把简单的几何体重建成复杂的造型：
下图，任何一个四边面或三角面都可以再分解为两个三角面：
下图：拼合成物体的面数越多，模型就越平滑，但渲染效率越低，反之亦反。我们看下面这张图：同一个造型，从50万个三角面逐步精简到100个三角面的视觉效果。面数越少，物体表面越不平滑，但渲染速度会更快：
所以，我们要根据项目的需求，使用合适的几何面数，既照顾到外形精度也照顾到渲染速度。
三、3D渲染
3D渲染，是实现3D模型真实呈现的过程，因为我们在建模时，大部分时间是以素模（也叫白模）来呈现的，上面并没有赋予真实的材质，我们无法感受到最终的呈现效果。如下图：
我们需要先构建3D模型和场景，才能进行渲染。相当于摄影师，先要搭建场景，摆放道具、布光、调整人物姿态、动作，这些都完成了，才能开始拍摄（拍摄就相当于渲染）。在计算机里，渲染的工作是由渲染器（Render）完成的。我们在3D场景中需要设定虚拟摄像机，获取取景空间，为三维物体赋予材质，并进行布光和运动设置，这样就可以渲染出各种各样的最终效果。
下面这张图里面，有物体、摄像机、背景地板、背光源、反光板。这是一个3D渲染的常见设置：
设置完渲染参数后，开始执行渲染，这张图就是最终渲染的结果：
Vray渲染的耳钉：
Keyshot渲染的戒指和宝石：
Keyshot渲染的戒指：
渲染这个词，在台湾叫【算图】，这个叫法很形象，就是把计算机代码翻译成图形，呈现在屏幕上，成为可视化信息。在电脑里面，只要是呈现在屏幕上，都需要渲染，包括字符、网页、软件界面、图形、图像等等。3D渲染并非是指最终的产品形态，中间过程的呈现也叫渲染。我举个例子：
下图：是一个在JewelCAD里建模时，实时渲染出来的效果，这是为了让建模的人可以实时预览款式造型，而是用的一种简单渲染的方式，不是为了查看最终效果，而是用于随时了解款式的造型：
JewelCAD中的shade渲染：
Rhino中的Rendered渲染：
Keyshot准实时渲染：
Arion高级渲染+后期特效
四、3D软件的分类
视觉类3D软件（比如：影视、游戏行业中）经常使用3ds Max、MAYA、XSI、Cinema 4D、Houdini、Blender等等软件进行3D场景和动画创作。
Zbrush的3D建模设计：
MAYA的3D动画设计：
Cinema 4D的数字绘景（Matte Painting）：
Realflow流体仿真特效制作：
下图：中国珠宝行业广泛应用的3D建模工具Jewel CAD：
下图是一种机械结构设计CAD软件：
五、介绍几个适用于珠宝建模的软件和工具
Rhino是民用工业外观设计的平台级软件，是典型的Nrubs曲面建模软件，具有良好的开放性和扩展性。大量的民品制造业均以Rhino为平台，构建自己的专用工具。珠宝行业就有Matrix、Rhinogold、Pavetool等珠宝设计插件。
同时，还有很多辅助插件都可以直接服务于珠宝设计流程，比如keyshot、Vray、T-Spline、Grasshopper等等，非常多。比如Grasshopper，是一种基于节点编程的参数化建模工具，组合不同的函数，对点线面体进行控制，当输入不同变量时，能呈现出千变万化的随机造型，非常强大。如下图：
下面这张图是使用Rhino Grasshopper进行建模的界面图例：
Pixologic开发的Zbrush，这是一个雕刻建模工具，最早被用于电影和游戏中的3D角色设计，拥有强大的细节刻画能力，近年来已经开始应用于珠宝设计，有关的细节大家可以度娘一下。
Pixologic Zbrush的界面：
Zbrush创作的内容
总结一下，目前常见的建模方式有以下几种：
（1）多边形建模
（2）细分表面建模
（3）曲面建模
（4）雕刻建模
（5）基于可视化编程的参数化建模
（6）基于手绘的快速建模
（7）基于3D扫描的逆向重构建模
下图，这是基于手绘的快速建模，更适合具有手绘技能的3D设计师：
人工智能终将成为3D设计的重要工具：
基于参数化的建模方式为今后的人工智能嵌入打下了基础。就是说，人工智能会被应用到3D建模领域，你建模的每一步操作都会被人工智能系统记录并模仿，它会深度学习你建模的技术习惯、领会你的建模思路，判断你的建模意图，从而协助建模者更快的完成从创意到立体模型的转换。这个就太厉害。
六、三维扫描与逆向设计
我们使用3D软件进行珠宝建模，是为了创建一个可用于数字化生产的造型。这种使用软件创造原始模型的流程我们叫做正向设计（先有3D数据，后有实物）。还有一种方式，是使用3D扫描仪，获取实物的外形数据，反求它的3D模型，这种方式叫做逆向设计（先有实物，后有3D数据）。逆向设计就是根据已有实物，通过技术手段重构3D造型。这种3D建模方式，对于某些拥有大量实物零配件的企业，可以实现快速和低成本的3D数据库。
大业DS130珠宝扫描仪使用光栅照相方式反求戒指的3D结构：
DS130三维扫描仪是大业三维公司自主研发并量产的专业级珠宝三维扫描仪，主要用于珠宝领域的三维数据重建。三维数据重建精度小于10微米，达到国际先进水平，实现了高速度、高精度、自动化的扫描工作，保证用户在使用过程中省心、省力又省时。
通过3D扫描仪，获取点云数据，经过软件计算后，重构3D零件：
这样，我们就知道了，正向设计和逆向设计是一个相互补充的设计建模方式。对于珠宝行业来说，正向设计是未来的主流，因为产业整体会向着个性化设计、定制方向进化，先设计后生产。在客户下单前，没有必要先生产出实物，所有的设计方案都以3D数据的形态存放在云端服务器，是一种轻资产的、现代化的生产方式，也是珠宝工业4.0的核心目标。
七、3D打印和CNC数控加工
3D打印是一种先进制造技术，有别于传统的减材制造，这是一种增材制造技术，是靠材料的堆叠完成造型的。我们常说的车床、铣床、刨床等传统加工设备都是减材制造。通常是在一定规格的型材上进行切削加工，无论是手动加工还是数控加工，这都会造成较大的浪费，即使回收切削废料，仍然不是一个最理想的生产技术。3D打印技术正在解决这个问题。
我们简单说一下3D打印机是如何工作的？它就离不开我们前面说的3D模型了。前面讲过，每个3D造型的表面上的任何一点，在三维空间中都有对应的坐标值。3D打印机，通过读取3D文件，获知了造型断面边界上每个点的空间坐标，将这个坐标信息传递给3D打印机的运动控制系统，高精度电机驱动工作台在丝杠或滑轨上运动，使3D喷头或激光器定位于相应的空间坐标，并进行喷料或烧结操作。这个原理并不复杂，但在实际研发上还是有很多核心技术的，单单讲精度和速度比，就有很多的问题需要解决。
除了传统的3D喷蜡，现在也出现了贵金属3D打印机，直接打印金属。目前的瓶颈主要是材料科学方向，除了材料特性、强度、成本之外，还有一些精度、速度等问题正在解决，我觉得，在今后3-5年，3D打印技术一定会进入高速增长阶段。
3D金属打印（增材制造）：
增材制造技术固然先进，但是，在相当长的时间里，减材制造技术不会消失。两者结合起来就会具有很大的优势。比如使用3D金属打印机快速打印粗坯，然后再使用CNC进行高精度加工，就能提升表面精度、速度、降低加工成本、节省原材料。也在也有公司在研发这种组合式数控加工设备。
CNC数控加工（减材制造）：
3D数字化加工是实现珠宝工业4.0的关键技术之一，没有这个技术，CAD软件创建出来的3D模型就无法生产，那么这个CAD软件就等同于视觉类的3D软件，中看不中用。所以说，3D设计软件、3D打印机以及数控CNC设备共同组成了珠宝生产链的基础工具。加上创意设计供应链、材料供应链和零售终端，就形成了珠宝产业的未来生态，也就实现了珠宝工业4.0的目标。
人类对改进工具的探索从未停止，工具有两个作用，一是延伸人的能力，二是提高人的效率。产业信息化，其实是产业工具的革命，互联网、3D、VR、大数据、人工智能和先进制造技术的崛起，必将对人类的生活、生产产生深远的影响！
我们一直致力于中、小学创客教育课程开发、课堂教学应用以及创
客教室建设整套解解决方案。致力打造本地青少年科技创新教育第一品牌！
我们专注于青少年3D打印创新教育，是因为我们认为这是一种能够培养孩子们未来所需的核心素养的教育方式。通过3D打印创新教育，孩子们可以：
激发想象力和创造力。3D打印可以让孩子们自由地设计出自己想要的物品，无论是玩具、饰品、机器人还是艺术品，都可以用3D打印实现。孩子们可以在电脑上使用专业的3D设计软件1，或者在手机上使用简单的APP2，来绘制出自己的创意，并看到它们在现实中成形。
培养科学素养和工程思维。3D打印不仅是一种艺术表达，也是一种科学探索。孩子们可以通过3D打印了解到物理、化学、生物等科学原理，以及机械、电子、软件等工程知识。孩子们可以通过3D打印制作出各种有趣的实验器材和科学模型，或者将3D打印与其他技术结合，如激光切割3、人工智能3、机器人2等，来创造出更多可能性。
提高问题解决能力和团队合作能力。3D打印是一种需要不断尝试和改进的过程，孩子们可以在这个过程中遇到各种挑战和问题，如设计难度、材料选择、打印参数设置、模型修复等。孩子们可以通过自己的思考和实践来解决这些问题，或者与其他孩子交流和合作，共同寻找最佳方案。
增强自信心和成就感。3D打印可以让孩子们从零开始，亲手制作出自己的作品，并将其分享给家人、老师和同学。孩子们可以从这些作品中感受到自己的能力和价值，也可以从他人的反馈中获得认可和鼓励。
我们专注于青少年3D打印创新教育，是因为我们希望通过这种教育方式，让孩子们在快乐的学习中发现自己的兴趣和潜能，培养自己的创新精神和实践能力。
随着3D打印技术不断的成熟发展，火爆的3D打印技术已经在各个行业几近无所不能了！今天玖玖就带您一起深度了解3D打印创新教育对孩子们的重要性以及对未来产生的重大影响。
友情提示：内容干货较多，请用心阅览！
一、3D的基本概念
因为3D包含的内容太多了，我们就先从3D软件说起。3D软件是用来创造3D内容的工具，创造出来的内容包括：3D模型和图像渲染。我们常说的3D建模（或者珠宝行业的电绘），就是用3D软件来完成的。
3D软件的种类也非常多，从功能上分主要有建模、渲染、动画、物理仿真、工业CAD（包括CAM）、3D分析工具（力学、流体力学、热力学、机械可靠性分析等等）。从行业上分，就是：影视、游戏、建筑、城市规划、制造业等等。
所以我们看到，3D工具和它所创建的内容有这么多，几乎是无所不能，3D数据是未来信息化社会的核心资产。而且，3D是虚拟现实、增强现实和混合现实的技术基础。没有3D就无法实现这些高端应用。
二、3D建模
在三维软件里，我们使用三维空间坐标描述物体的形状和位置（也就是X、Y、Z轴）。物体有各种各样的造型，无论多么复杂的立体造型，都可以使用点、线、面、体来进行描述。每个3D造型的表面上的任何一点，在三维空间中都有对应的坐标值，这为后期的3D打印和CNC加工提供了原始数据。有关数字化加工，在后面会提到...
下图，犀牛软件的点线面体的图例说明：
下面这张图是四个简单的3D立体模型，可以看到一个实体模型（封闭的实体）是由很多小平面或小曲面构成的：
我们再来看看下面的，曲面其实也是由更多细小的平面拼合而成：
下图这两张图可以看出，任何复杂造型都可以拆解成点、线、面。通过调整和变形，我们可以把简单的几何体重建成复杂的造型：
下图，任何一个四边面或三角面都可以再分解为两个三角面：
下图：拼合成物体的面数越多，模型就越平滑，但渲染效率越低，反之亦反。我们看下面这张图：同一个造型，从50万个三角面逐步精简到100个三角面的视觉效果。面数越少，物体表面越不平滑，但渲染速度会更快：
所以，我们要根据项目的需求，使用合适的几何面数，既照顾到外形精度也照顾到渲染速度。
三、3D渲染
3D渲染，是实现3D模型真实呈现的过程，因为我们在建模时，大部分时间是以素模（也叫白模）来呈现的，上面并没有赋予真实的材质，我们无法感受到最终的呈现效果。如下图：
我们需要先构建3D模型和场景，才能进行渲染。相当于摄影师，先要搭建场景，摆放道具、布光、调整人物姿态、动作，这些都完成了，才能开始拍摄（拍摄就相当于渲染）。在计算机里，渲染的工作是由渲染器（Render）完成的。我们在3D场景中需要设定虚拟摄像机，获取取景空间，为三维物体赋予材质，并进行布光和运动设置，这样就可以渲染出各种各样的最终效果。
下面这张图里面，有物体、摄像机、背景地板、背光源、反光板。这是一个3D渲染的常见设置：
设置完渲染参数后，开始执行渲染，这张图就是最终渲染的结果：
Vray渲染的耳钉：
Keyshot渲染的戒指和宝石：
Keyshot渲染的戒指：
渲染这个词，在台湾叫【算图】，这个叫法很形象，就是把计算机代码翻译成图形，呈现在屏幕上，成为可视化信息。在电脑里面，只要是呈现在屏幕上，都需要渲染，包括字符、网页、软件界面、图形、图像等等。3D渲染并非是指最终的产品形态，中间过程的呈现也叫渲染。我举个例子：
下图：是一个在JewelCAD里建模时，实时渲染出来的效果，这是为了让建模的人可以实时预览款式造型，而是用的一种简单渲染的方式，不是为了查看最终效果，而是用于随时了解款式的造型：
JewelCAD中的shade渲染：
Rhino中的Rendered渲染：
Keyshot准实时渲染：
Arion高级渲染+后期特效
四、3D软件的分类
视觉类3D软件（比如：影视、游戏行业中）经常使用3ds Max、MAYA、XSI、Cinema 4D、Houdini、Blender等等软件进行3D场景和动画创作。
Zbrush的3D建模设计：
MAYA的3D动画设计：
Cinema 4D的数字绘景（Matte Painting）：
Realflow流体仿真特效制作：
下图：中国珠宝行业广泛应用的3D建模工具Jewel CAD：
下图是一种机械结构设计CAD软件：
五、介绍几个适用于珠宝建模的软件和工具
Rhino是民用工业外观设计的平台级软件，是典型的Nrubs曲面建模软件，具有良好的开放性和扩展性。大量的民品制造业均以Rhino为平台，构建自己的专用工具。珠宝行业就有Matrix、Rhinogold、Pavetool等珠宝设计插件。
同时，还有很多辅助插件都可以直接服务于珠宝设计流程，比如keyshot、Vray、T-Spline、Grasshopper等等，非常多。比如Grasshopper，是一种基于节点编程的参数化建模工具，组合不同的函数，对点线面体进行控制，当输入不同变量时，能呈现出千变万化的随机造型，非常强大。如下图：
下面这张图是使用Rhino Grasshopper进行建模的界面图例：
Pixologic开发的Zbrush，这是一个雕刻建模工具，最早被用于电影和游戏中的3D角色设计，拥有强大的细节刻画能力，近年来已经开始应用于珠宝设计，有关的细节大家可以度娘一下。
Pixologic Zbrush的界面：
Zbrush创作的内容
总结一下，目前常见的建模方式有以下几种：
（1）多边形建模
（2）细分表面建模
（3）曲面建模
（4）雕刻建模
（5）基于可视化编程的参数化建模
（6）基于手绘的快速建模
（7）基于3D扫描的逆向重构建模
下图，这是基于手绘的快速建模，更适合具有手绘技能的3D设计师：
人工智能终将成为3D设计的重要工具：
基于参数化的建模方式为今后的人工智能嵌入打下了基础。就是说，人工智能会被应用到3D建模领域，你建模的每一步操作都会被人工智能系统记录并模仿，它会深度学习你建模的技术习惯、领会你的建模思路，判断你的建模意图，从而协助建模者更快的完成从创意到立体模型的转换。这个就太厉害。
六、三维扫描与逆向设计
我们使用3D软件进行珠宝建模，是为了创建一个可用于数字化生产的造型。这种使用软件创造原始模型的流程我们叫做正向设计（先有3D数据，后有实物）。还有一种方式，是使用3D扫描仪，获取实物的外形数据，反求它的3D模型，这种方式叫做逆向设计（先有实物，后有3D数据）。逆向设计就是根据已有实物，通过技术手段重构3D造型。这种3D建模方式，对于某些拥有大量实物零配件的企业，可以实现快速和低成本的3D数据库。
大业DS130珠宝扫描仪使用光栅照相方式反求戒指的3D结构：
DS130三维扫描仪是大业三维公司自主研发并量产的专业级珠宝三维扫描仪，主要用于珠宝领域的三维数据重建。三维数据重建精度小于10微米，达到国际先进水平，实现了高速度、高精度、自动化的扫描工作，保证用户在使用过程中省心、省力又省时。
通过3D扫描仪，获取点云数据，经过软件计算后，重构3D零件：
这样，我们就知道了，正向设计和逆向设计是一个相互补充的设计建模方式。对于珠宝行业来说，正向设计是未来的主流，因为产业整体会向着个性化设计、定制方向进化，先设计后生产。在客户下单前，没有必要先生产出实物，所有的设计方案都以3D数据的形态存放在云端服务器，是一种轻资产的、现代化的生产方式，也是珠宝工业4.0的核心目标。
七、3D打印和CNC数控加工
3D打印是一种先进制造技术，有别于传统的减材制造，这是一种增材制造技术，是靠材料的堆叠完成造型的。我们常说的车床、铣床、刨床等传统加工设备都是减材制造。通常是在一定规格的型材上进行切削加工，无论是手动加工还是数控加工，这都会造成较大的浪费，即使回收切削废料，仍然不是一个最理想的生产技术。3D打印技术正在解决这个问题。
我们简单说一下3D打印机是如何工作的？它就离不开我们前面说的3D模型了。前面讲过，每个3D造型的表面上的任何一点，在三维空间中都有对应的坐标值。3D打印机，通过读取3D文件，获知了造型断面边界上每个点的空间坐标，将这个坐标信息传递给3D打印机的运动控制系统，高精度电机驱动工作台在丝杠或滑轨上运动，使3D喷头或激光器定位于相应的空间坐标，并进行喷料或烧结操作。这个原理并不复杂，但在实际研发上还是有很多核心技术的，单单讲精度和速度比，就有很多的问题需要解决。
除了传统的3D喷蜡，现在也出现了贵金属3D打印机，直接打印金属。目前的瓶颈主要是材料科学方向，除了材料特性、强度、成本之外，还有一些精度、速度等问题正在解决，我觉得，在今后3-5年，3D打印技术一定会进入高速增长阶段。
3D金属打印（增材制造）：
增材制造技术固然先进，但是，在相当长的时间里，减材制造技术不会消失。两者结合起来就会具有很大的优势。比如使用3D金属打印机快速打印粗坯，然后再使用CNC进行高精度加工，就能提升表面精度、速度、降低加工成本、节省原材料。也在也有公司在研发这种组合式数控加工设备。
CNC数控加工（减材制造）：
3D数字化加工是实现珠宝工业4.0的关键技术之一，没有这个技术，CAD软件创建出来的3D模型就无法生产，那么这个CAD软件就等同于视觉类的3D软件，中看不中用。所以说，3D设计软件、3D打印机以及数控CNC设备共同组成了珠宝生产链的基础工具。加上创意设计供应链、材料供应链和零售终端，就形成了珠宝产业的未来生态，也就实现了珠宝工业4.0的目标。
人类对改进工具的探索从未停止，工具有两个作用，一是延伸人的能力，二是提高人的效率。产业信息化，其实是产业工具的革命，互联网、3D、VR、大数据、人工智能和先进制造技术的崛起，必将对人类的生活、生产产生深远的影响！
我们一直致力于中、小学创客教育课程开发、课堂教学应用以及创
客教室建设整套解解决方案。致力打造本地青少年科技创新教育第一品牌！
