Po většinu historie vyžadovala výroba objektů velké množství lidské práce. Věci musely být vyráběny manuálně; ručně vyřezány ze dřeva, ušity z látky, vykovány ze železa, nebo postaveny z cihel jednu po jedné, jak jinak než ručně. Každá věc byla unikátní, drahá, a kvalifikovanému řemeslníkovi zabrala mnoho času.
Technologie se časem zlepšovala a možnosti i požadavky rostly. Jednou z prvních technologií využívajících precizní součástky byly, zcela nepřekvapivě, zbraně. Po dlouhou dobu však byla každá zbraň unikátním kouskem - až do roku 1778, kdy Honore Blanc, francouzský puškař, poprvé vyrobil součástky dostatečně přesné na to, aby se daly vzájemně zaměnit, a demonstroval proces složením muškety z hromady náhodně vybraných částí. Metoda byla brzy přijata i ostatními vynálezci. O dvacet let později Eli Whitney, americký vynálezce, předvedl ten samý trik americkému Kongresu - přinesl deset pušek, rozebral je, náhodně promíchal jejich součástky, a opět složil deset funkčních pušek. Samozřejmost dnes, tehdy neuvěřitelný výkon. Začala standardizace zbraňových součástek; puška, jejíž jedna součást selhala, již nemusela být vyřazena nebo opravena řemeslníkem; i málo kvalifikovaný dělník, nebo dokonce i samotný voják, mohl součástku vyměnit za náhradní díl. Součástky také mohly být vyráběny ve velkém a později skládány na výrobních linkách. Springfieldská zbrojovka použila tento přístup při výrobě pušek pro americkou Občanskou válku.
Výroba získala přesnost, pořád ale šlo většinou o manuální práci. Procesy byly poloautomatizované, nástroje byly vedeny mechanizovanými přípravky, ale pořád to byl dělník, čím dál tím méně kvalifikovaný, co stroj řídil, tahal za páky, a vkládal suroviny. Příchod elektřiny nahradil parní stroje elektromotory, a významná část ovládání byla přesunuta na elektrické spínače namísto čistě mechanických řešení. Sekvenční operace byly čím dále tím více automatizovány. Situace byla zralá pro další změnu.
Mezitím počítače opustily armádní kasárna a vstoupily do řad civilistů. Netrvalo dlouho a jejich potenciál jednoduchých ale efektivních elektronických mozků byl využit pro řízení průmyslových strojů. První počítačem řízené obráběcí stroje se objevily v pozdních šedesátých letech, a i velmi komplexní součástky mohly být vyrobeny bez velkého množství manuální lidské práce. Pořád ale šlo většinou o odkrajování kousků materiálu z většího kusu dokud tento nezískal požadovaný tvar.
Výroba nemusí být omezena na odstraňování materiálu; dá se použít i opačný postup, aditivní výroba. Objekt může být vytvořen vrstvu po vrstvě, přímým ukládáním materiálu tam kde ho chceme, nebo zpevňováním vrstev kapalného prekurzoru nebo prášku - tzv. stereolithografie nebo trojrozměrný tisk. Technologie byla docela rychle přijata mnohými obory, pro výrobu prototypů a malých sérií součástek. Zrodilo se nové průmyslové odvětví, rapid prototyping.
Existují materiály citlivé na světlo. Když se ozáří ultrafialovým světlem, zpolymerizují. Mohou být pevné nebo kapalné. Pevné se ozářením změní na nerozpustnou formu; neosvětlené části se musí odstranit rozpouštědlem. Desky plošných spojů, elektronické čipy, a mnohé další produkty jsou takto vyráběny již po desetiletí; fotolitografie je již zralá technologie. Ale nemusí být omezena jen na dva rozměry.
První stereolitografická technika použila tekutý fotopolymer. Podložka byla umístěna ve vaně s prekurzorem a vyzvednuta těsně pod povrch kapaliny. Ultrafialová lampa poté řádku po řádce osvětlila její povrch. Kam dopadlo světlo, tam povrch kapaliny ztuhl. Po dokončení vrstvy se podložka opět ponořila o něco více, a proces byl opakován. Vrstvu po vrstvě lampa osvětlovala kapalinu, dokud nebyla dokončena celá součástka. Ta pak byla vyjmuta z lázně, omyta, usušena, a okamžitě připravena k použití. To bylo koncem 80. let minulého století.
Zdrojový materiál nemusí být tekutý; může být použit jemný prášek. Vrstvu po vrstvě je tento nanesen na podložku a poté lokálně zpevněn; může jít o precizně umístěné kapky pojiva, nebo o natavení laserovým impulsem. Druhý postup je známý jako selektivní laserové sintrování, SLS; může být použito mnoho různých materiálů, od plastů až po slitiny - mosaz, nerezovou ocel, nebo i biokompatibilní titanovou slitinu. Varianta postupu, používající místo laseru elektronový paprsek, se nazývá "electron beam melting" (EBM), tavení elektronovým paprskem, a používá se pro titan.
Další možný postup se nezdržuje se zpevňováním kapalin a prášků; malé kousky materiálu jsou nanášeny přímo. Existuje několik variant; nejznámější je "fused deposition modeling" (FDM), modelování stavovaným nanášením. Nanášecí tryska je krmena vláknem, tyčí, práškem, nebo kapalným prekurzorem. Pevný termoplast je roztaven a vrstvu po vrstvě nanášen na výrobek, teplo roztaveného materiálu natavující ztuhlý materiál v předchozí vrstvě a spojující ho s vrstvou novou; kapalný prekurzor může být tištěn podobně jako pracují inkoustové tiskárny a ztužen ultrafialovým světlem. Mohou být použity verze s pohyblivým objektem i s pohyblivou tryskou; běžná je i hybridní verze, kdy se tryska pohybuje horizontálně a podložka s výrobkem vertikálně.
Na rozdíl od předchozích metod mohou takto být kombinovány různé materiály, je-li použito více nanášecích trysek nebo jsou-li výměnné. Současný tisk dvou či více materiálů je čím dál běžnější; dají se vyrábět objekty z materiálů různých barev a vlastností. Běžné použití alternativního materiálu je pro strukturální podporu součásti během výroby (kteroužto roli při selektivním zpevňování plní nezpevněný prášek); podpůrný materiál je často rozpustný ve vodě či jiných rozpouštědlech a dá se z vyrobené součástky snadno odstranit. Komerčně dostupná tiskárna Objet, s technologií Polyjet, umožňuje použít několik materiálů najednou; na podzim 2009 je pro tuto tiskárnu k dispozici celkem 48 různých materiálů a jejich množství stále roste.
Pro vícebarevný tisk se dá použít postupné střídavé nanášení materiálu a barviva. S použitím klasického azurového, purpurového, žlutého, a černého inkoustu se dá dosáhnout plný rozsah barev. Tiskárny Z-Corp dosahují rozlišení 450 DPI (56 mikrometrů), používají selektivní zpevňování kapkami pojiva, a mohou pojivo barvit. Základní model barevné 3D tiskárny Z-Corp byl v září 2009 dostupný za cenu 40,000 amerických dolarů.
Hybridní technika přímého nanášení a selektivního zpevňování je laserové spékání přímo nanášeného kovového prášku. Metoda byla vyvinuta v laboratořích Sandia pod názvem Laser engineered net shaping, LENS. Pro zlepšení chování roztaveného kovu může být použita ochranná atmosféra.
Existují i exotičtější systémy. Například tiskárna MCOR Matrix používá obyčejný papír a lepidlo; list papíru je přilepen na list pod ním, obrys požadované vrstvy je do něj vyříznut, nový papír je přilepen, a proces je opakován dokud není dosaženo plné tloušťky součástky.
I když nemůžeme součástku vytisknout přímo z materiálu, který chceme, není ješyě vše ztraceno. Můžeme objekt vyrobit z vosku, a odlít z kovu metodou ztraceného vosku. Nebo můžeme vytisknout formu na objekt, a pak jej odlít z pryskyřice, silikonu, nebo jiného materiálu. Nebo, pokud chceme vyrobit tolik součástek, že by jejich přímý tisk byl neekonomický, můžeme vytisknout kovové formy pro injekční vstřikování, což významně sníží náklady a čas na výrobu forem oproti metodám klasickým.
Rozlišení objektu záleží na přesnosti polohování a systému pro nanášení materiálu. Vertikální rozlišení, tloušťka vrstvy, se může lišit od rozlišení horizontálního. Rozlišení je obvykle menší než milimetr; např. tiskárny InVision mohou tisknout v rozlišeních 0.15mm, 0.08mm (300 DPI), a 0.04mm (400 DPI).
Maximální velikost a minimální rozlišení vytištěných objektů jsou omezeny použitou technologií a zařízením. Běžné stolní tiskárny mají komory velikosti několika málo desítek centimetrů; zmíněné tiskárny InVision mají komory velikosti 160x210x135mm pro model levný, 298x185x293mm pro 300 DPI model střední třídy, a 127x178x50mm pro model s vysokým rozlišením 600 DPI.
Velké průmyslové tiskárny mohou najednou vyrobit celý interiérový panel automobilu, nebo i celou karosérii. Maximální velikost komory není v principu omezena.
Fyzika je jediné praktické omezení minimálního rozlišení tisku. Nanosoučástky mohou být vyráběny technologiemi odvozenými od výroby běžných integrovaných obvodů; elektronová litografie, fotolitografie a chemické nanášení vrstev z par jsou jen některé z možností. Pro větší struktury v řádu mikrometrů může být použito nanášení materiálů metodou podobnou inkoustovým tiskárnám.
Velmi malé objekty mohou být vyrobeny metodou podobnou stereolithografii. Namísto kapalného prekurzoru je použit blok specielního gelu, který ztuhne pokud jeho molekuly najednou absorbují dva fotony. Světlo jednoho nebo dvou laserů je bod po bodu zaostřeno dovnitř do průhledného bloku gelu. V ohnisku paprsku je intenzita světla dostatečná na to, aby gel ztuhl. Minimální dosažitelné rozlišení je méně než 100 nanometrů - méně než vlnová délka viditelného světla.
Techniky litografie se skenovací sondou, odvozené od skenovací mikroskopie, mohou být též použity pro výrobu nanostruktur. Dip-pen nanolithografie může být použita pro nanášení molekul na povrch s rozlišením pod 100 nm; technologie byla vyvinuta roku 1995 a nyní je komercializována firmou NanoInk, Inc. S použitím polí sond je možná masivní paralelizace. Nanoimprint lithografie a lokálně oxidační nanolithografie jsou komplementární metody kde namísto nanášení materiálu na povrch jsou části povrchu sondou selektivně odstraňovány.
Pro výrobu extrémně malých objektů existuje další metoda, i když nejde striktně o 3D tisk. Dají se připravit nanočástice rozměrů molekul, které se za vhodných podmínek samovolně slepí dohromady požadovaným způsobem. Jedním z populárních médií jsou molekuly DNA, neboť jejich komplementární sekvence se dají snadno připravit a jsou vzájemně velmi selektivní. Mnoho druhů uspořádaných nanostruktur se dá připravit z koloidů, krystalů, lipidních dvouvrstev, proteinů, a v zásadě čehokoliv co se dá přimět k vytvoření uspořádané struktury kontrolovatelným způsobem. Self-assembly je metoda vhodná pro výrobu uspořádaných annostruktur z menších stavebních bloků; tyto bloky se dají vyrobit ve velkém např. konvenčními chemickými či fyzikálními procesy, nanolithografií, a potenciálně i biotechnologicky, genově upravenými mikroorganismy.
Tisk 3D struktur opravdu nemá žádné principielní omezení maximiální velikosti. Existuje mnoho návrhů na tisk budov nanášením vrstev materiálů - od specielních betonových směsí po písek zpevněný organickými pryskyřicemi či anorganickými pojivy. Enrico Dini, stavební inženýr, navrhl tiskárnu schopnou tisknout panely do velikosti 6x6x1 metr, s přesností na milimetr, z materiálu podobného pískovci a s pevností porovnatelnou se železobetonem. Technologie je již funkční.
Dr. Behrokh Khosnevis pracuje na technologii "Contour Crafting", podobné metodě pro tisk celých budov na místě; přijede několik vozidel, sestaví rámový jeřáb s nanášecí tryskou, vrstvu po vrstvě se natiskne budova, jeřáb se rozebere, a odveze na nové staveniště. Vývoj v současnosti financuje spolu s jinými i firma Caterpillar.
Existují i další možné technologie. Magnus Larsson, student architektury, navrhl zpevňování saharského písku s pomocí bakterií. Suspenze mikroorganismů by se vstříkla do bodů v požadovaných hloubkách písku. Během týdne pak bakterie promění písek v pískovec. Nezpevněné vnitřní části nově vytvořených struktur se pak vyberou, a lidé se mohou nastěhovat.
3D tisk již nalézá široké uplatnění v medicíně. Různé kostní a zubní implantáty jsou jednorázově vyráběné součástky, často vyrobené z počítačového modelu získaného rentgenem, magnetickou rezonancí, nebo tomografií. Umělé klouby či jiné strukturální implantáty mohou být vyrobeny z biokompatibilní slitiny. Chybějící část kosti, např. kus lebky, může být vytištěna z hydroxyapatitu vápenatého; chirurg ji vloží na místo a organismus pak anorganickou matrici obsadí vlastními kostními buňkami.
Experimentuje se, se slibnými výsledky, s tiskem celých nových orgánů. Suspenze buněk je natištěna do matrice z gelu, vrstvu po vrstvě, a ponechána několik dní dorůst. Rostoucí buňky se spojí dohromady a výsledný orgán je pak připraven k transplantaci. Jsou-li buňky naklonovány z pacienta samotného, jsou jeho vlastní a organismus je neodmítne. Sbohem imunosupresiva, sbohem čekací seznamy, sbohem černý trhu s orgány.
Elektronická zařízení obvykle obsahují plošný spoj s připájenými součástkami. Desky jsou vyleptány fotolithografií. Ale mohou být vyrobeny i přímým nanášením vodivého inkoustu na základní povrch, nebo přímým nanesením vrstvy kovu. Odpory mohou být vytvořeny jako pásky odporové pasty, kondenzátory jako střídající se vrstvy vodivého materiálu a dielektrika. Vodivé polymery a organické polovodičwe mohou být použity namísto kovů; displeje z polí organických LED mohou být tištěny metodou podobnou inkoustovým tiskárnám. Možná by šly takto vyrábět i integrované obvody s nižší integrací, pokud bude nanášení dostatečně přesné a materiály vhodné; nebo mohou být konvenční polovodičové čipy umístěny na povrch a připojeny metodou používanou pro obyčejné hybridní integrované obvody. Velká pole opakujících se struktur, např. paměti, flash disky, nebo i programovatelná hradlová pole - velká pole identických funkčních bloků které mohou být naprogramovány na širokou paletu funkcí - mohou být vyráběny pomocí self-assembly technik z nanočástic a specielně natištěných povrchů.
V mikrovlnné technice platí trochu jiná pravidla; vlnové délky se zkracují, všechno se začíná chovat jako anténa, normální plošné spoje přestávají být použitelné. Používají se specielní hybridní integrované obvody. Jedna z populárních metod je LTCC, nízkoteplotní společně vypalované keramiky; postupné vrstvy prekurzorů dielektrických keramik a vodivých materiálů jsou precizně např. sítotiskem naneseny na substrát, poté vysušeny a opatrně společně vypáleny při relativně nízké teplotě (pod 1000 'C). Přímé nanášení prekurzorů může být provedeno 3D tiskem. Malé série mikrovlnných komponent tak mohou být připraveny snadno, rychle, a levně; součástka se navrhne, nasimuluje na počítači, vytiskne, vypálí, a je připravena k použití.
Pro modulaci, detekci, zesílení, a další exotičtější operace s laserovým světlem se používají krystaly s periodickou vnitřní strukturou. Vyrábějí se periodické vnitřní struktury s tloušťkou vrstev srovnatelnou s polovinou použité vlnové délky světla. Tisk optických materiálů s rozlišením alespoň 100 nm může být vhodný k produkci takových fotonických krystalů. I nižší rozlišení mohou být k užitku, pro produkci krystalů pro infračervené a terahertzové spektrální rozsahy. Vyšších rozlišení by mohlo jít dosáhnout tiskem gelů které se při sušení významně a kontrolovatelně smrští; 3D tiskárna s nižším rozlišením by pak mohla vytisknout blok gelu, který se vysušením smrští do podstatně menšího krystalu s příslušně vyšším vnitřním rozlišením.
Mikromechanické systémy, MEMS, mohou být také tištěny ve 3D. Mikro- a nanofluidické laboratoře-na-čipu, optické přepínače, senzory a senzorová pole a další mohou být vyrobeny nejen konvenčním mikroobráběním, nanášením z par, nebo litograficky, ale i pomocí dostatečně přesného selektivního nanášení materiálů.
Nanášení vodivých a polovodivých organických sloučenin a polymerů pomocí skenovacích sond může být použito pro tisk mikroelektronických obvodů; organické polem řízené tranzistory (OFET) jsou slibnou technologií. Kombinace s dalšimi materiály může sloužit k dalším účelům; jedním z mnoha příkladů budiž OLED, organické svítící diody pro produkci světla (a jejich pole, jako displeje nebo pro osvětlovací účely).
Aby objekt mohl být vytištěn, musí nejdřív existovat jako počítačový model. Pro stereolithografii se používá standardní formát STL. V něm je objekt definován jako uzavřená sada polygonů. Pro účely výroby jsou objekty převedeny z formátu, v němž byly nakreseny, např. AutoCad DXF nebo VRML, do STL; k tomu existuje mnoho programů komerčních i svobodných. Model je poté prověřen zda je konzistentní a zda splňuje omezení tiskárny a materiálu (např. minimální tloušťku stěny) - což je často úloha náročná, i když čím dále automatizovanější - a nakrmen do tiskárny.
Jako software či hudba, i modely jsou jen datové soubory. Jako takové mohou být ukládány, přenášeny, editovány, a do nekonečna kopírovány. Existují sklady objektů; některé firmy mají své vlastní knihovny, z nichž si zákazník může vybrat objekt který chce. Typickým příkladem je Shapeways; firma umožňuje zákazníkům zasílat soubory nejen pro tisk pro ně samotné, ale i ke sdílení s ostatními. K dispozici bývá několik materiálů s různými vlastnostmi a barvami; obvykle jde o plasty, ale někteří dodavatelé nabízejí i kovy. Existují i knihovny objektů bez přímé vazby na výrobce; jednou z nich je Thingyverse.
V budoucnosti se počítá s knihovnami standardních konstrukčních součástí - kladek, šroubů a matic, ozubených kol... - za účelem zjednodušení návrhu nových objektů.
Objekty nemusí být navrhovány od nuly. Často ta věc už existuje, a my chceme jenom vyrobit kopii, vytvořit trochu pozměněnou verzi (např. ozubené kolo se zubem v originále ulomeným), nebo ji mít jinde (např. archeologický artefakt který chceme studovat, ale nemůžeme nebo nechceme jej vyvézt ze země kde je). Existují přístroje pro konverzi fyzických objektů do jejich 3D modelů, tzv. 3D scannery; mohou být založené na laserových paprscích, stereokamerách, snímání objektu kontaktní sondou, snímání vzorců světla (mříží, čar...) promítnutých na objekt, fotometrických technikách založených na osvětlování objektu z více stran, nebo i tomografických technikách a jaderné magnetické rezonanci; poslední dvě techniky mohou zachytit i vnitřní struktury objektů a mohou být použity např. pro zobrazování v medicíně. Například kostní implantát může být vytvořen na základě modelu získaného magnetickou rezonancí.
Různé metody mají různé výhody a nevýhody. Některé jsou vhodné pro velké nepohyblivé objekty, jiné pro malé objekty s mrňavými detaily, další zas pro velké objekty s detaily. 3D zobrazování v medicíně má svou vlastní sadu specifických požadavků. Scannery mohou být fixní, s objektem vkládaným dovnitř nebo poblíž, nebo ruční, pohybované kolem objektu dokud není sejmut celý jeho povrch. Cena se pohybuje od desítek až stovek dolarů pro podomácku vyrobené systémy až po desetitisíce dolarů za high-end systémy profesionální.
3D scannery se používají všude tam, kde je nutno získat 3D model objektu. Jsou tedy často používané ve filmovém průmyslu, pro tvorbu digitálních reprezentací objektů pro zvláštní efekty. Někteří umělci dávají přednost vyrobení objektu z hlíny a jeho následnému oscannování před plně digitálním návrhem.
Možnost vyrábět objekty na zakázku je velmi populární mezi domácími kutily. Existuje několik iniciativ pro návrh a výrobu levných 3D tiskáren; Fab@Home, RepRap Project, nebo Cupcake CNC od makerBot Industries jsou jen tři nejznámější. Jejich konstrukce bývá svobodná - software, firmware, i hardware jsou volně dostupné jako zdrojové kódy a výkresy, nebo i 3D modely. Elektronika bývá navržena s použitím populárních mikrokontrolérů; platforma Arduino, založená na čipech Atmel ATmega, je nejběžnější. Svobodná, otevřená povaha těchto systémů umožňuje poměrně rychlý vývoj hardware i software, neboť drobné hacky i rozsáhlejší vylepšení mohou rychle najít cestu od jejich autorů k původním výrobcům, a eventuelně být zahrnuty do dalších verzí.
Svobodné 3D tiskárny bývají většinou založeny na pohyblivé nanášecí trysce. Tisková hlava se pohybuje ve vodorovných koordinátech a umísťuje materiál kde je třeba, kde se tento spojí s materiálem z předchozích vrstev. Objekt se typicky nalézá na horizontální desce posunované vertikálně. Druhou populární variantou je vertikálně pohyblivá tryska s objektem pohybovaným horizontálně. Stroje mají typicky jen jednu trysku; pracuje se ale i na strojích s více tryskami pro více materiálů zároveň. Schopnost pracovat s více materiály najednou by mohla umožnit tisk vodivých materiálů - nízkotavitelných slitin nebo vodivých plastů, tvořit hybridní součástky z pevných a elastických materiálů (např. těsnění, nebo rukojeti s pevným jádrem a elastickým povrchem), nebo použití různobarevných materiálů. Kombinace vodičů a izolantů by mohla umožnit tisk plošných spojů, součástí s integrovanýžmi vodiči, a možná i motorů, solenoidů, a dalších mechanických součástí.
Výjimkou z pravidla je zařízení CandyFab z Evil Mad Scientist Laboratories. Tiskárna používá selektivní spékání cukru tryskou s horkým vzduchem; vrstvu po vrstvě se tak dají vyrobit komplexní struktury. V porovnání s ostatními stroji může CandyFab vyrobit i docela velké objekty, a tiskové médium - práškový cukr - je poměrně levné.
Materiály se trochu liší od komerčních tiskáren. Namísto spékaných prášků nebo na světlo citlivých kapalných fotopolymerů se používají vlákna z termoplastů. Cupcake CNC používá akrylonitril-butadien-styren (ABS) nebo vysokotlaký polyethylen (HDPE). Fab@Home může použít epoxidovou pryskyřici. RepRap Project prozkoumává i použití polypropylenu, polykaprolaktonu (termoplastu s velmi nízkým bodem tání), a polylaktidu (PLA, biodegradabilního materiálu vyrobitelného z rostlinné biomasy), spolu s možnostmi založenými na pryskyřicích jako epoxy. Mohou být použity keramické hlíny, s jejich následným vypálením. Pro výrobu skleněných objektů mohou být použity jemné skleněné prášky s vhodným pojivem; následným vypálením je pojivo odstraněno a prášek spečen do jednoho kusu. Pro odlévání kovů metodou ztraceného vosku mohou být tištěny voskové objekty. Mohou být použity i chutnější materiály; jedlé objekty jsou často tištěny z cukru, čokolády a polevy; dá se použít i měkký sýr. Další materiály mohou být použity nepřímo, je-li 3D tisk použitý pro výrobu forem pro odlévání nebo lisování. I jídlo by se dalo tisknout; s použitím vhodných výchozích materiálů, možná založených na proteinech z řas nebo hub, s vhodnými příchutěmi, by mohly jít vyrábět potraviny nejen levné, ale možná i jedlé nebo dokonce i chutné, a to i v době, kdy již levná ropa nebude dostupná. Chuť se dělá snadno; současný průmysl aromat a příchutí je velmi rozvinutý; dostatečně rozvinutý 3D tisk se pak může postarat i o texturu potravin, další důležitou vlastnost pro přijatelnost spotřebiteli.
Mnoho věcí se nedá vytisknout přímo; buďto materiál není kompatibilní s naší tiskárnou, nebo je objekt příliš velký nebo příliš malý, nebo nesedí něco jiného. Zde je místo pro nepřímé postupy. Můžeme objekt vytisknout z vosku nebo polymerové pěny, a odlít metodou ztraceného vosku. Můžeme vytisknout formu pro odlití objektu. Můžeme vytisknout části objektu a následně je složit. Nebo můžeme vytisknout součástky pro stroj kterým požadovanou věc vyrobíme. Nebo můžeme vytisknout přípravky, vzory a držáky pro poloautomatickou výrobu čeho chceme. I některé chemické procesy by se takto daly dosáhnout; můžeme vytisknout mikrofluidní reaktory na jedno použití. Nízká životnost plastových součástek nemusí být na závadu - můžeme jich vytisknout víc a často je vyměňovat, nebo si můžeme vytisknout přípravek pro jejich vyfrézování z kovu. Můžeme udělat zvětšený plastový model a ten pak zmenšit do kovu s pomocí pantografu se zubařskou frézkou. Pokud něco nemůžeme vytisknout přímo, správná otázka je jak můžeme vyrobit nástroje pro dosažení cíle nepřímo.
Svatým grálem produkce levných domácích výrobních strojů je self-replikace - schopnost 3D tiskárny vytisknout svou vlastní kopii. Jakmile tohoto bude dosaženo, bude se cena nové tiskárny víceméně rovnat nákladům na surový materiál a její dostupnost bude vázána pouze na krátkodobou dostupnost jiné tiskárny. Snahy k dosažení tohoto cíle již existují; nejznámějším je RepRap Project, roku 2009 schopný duplikovat všechny své soiučásti kromě krokových motorů, části nanášecí hlavy, kabelů a elektroniky. Chybějící části jsou ale docela dobře dostupné v průmyslově vyspělých zemích, a některé z nich mohou být tisknutelné na tiskárnách dalších generací.
Bez existující tiskárny se musí tiskárna první generace vyrobit jinak. V případě RepRap se takovým strojům říká RepStrap; existují modely ze stavebnice Merkur a její zahraniční obdoby Meccano, stavebnice FischerTechnik (FTIStrap), čehokoliv co zrovna máme po ruce (JunkStrap), nebo i z Lega.
Levné, self-replikační stroje vyráběné z místně produkovaných materiálů (např. biotechnologicky vyrobeného polylaktidu) můžou přinést významný stupeň místní technologické sobšstačnosti do méně rozvinutých a ekonomicky znevýhodněných oblastí.
3D tisk představuje významnou změnu paradigmatu v ekonomii i filozofii výroby a obecně produkce hodnot. Jako v případě knihtisku, elektronických médií, a později Internetu, které způsobily revoluce v produkci, šíření a sdílení informací, 3D tisk přináší stejné možnosti i do říše výroby alespoň některých typů fyzických objektů.
Otevřená, svobodná povaha některých z alternativ, s komunitami vývojářů vzájemně provázaných Interentem, přináší slib rychlých inovací. RepRap sám je nyní ve druhé generaci, pouhé čtyři roky od zahájení projektu. I komerční systémy mohou být vylepšeny podomácku vyrobenými řešeními; Mark Gartner z University of Washington se svým týmem vyvinul levnou náhradu za komerční tiskové médium pro tiskárnu v jejich oddělení. Náhrada komerční směsi kombinací hrnčířského keramického prášku, cukru a maltodextrinu snížila cenu z 30 dolarů na libru na jediný dolar; nemalá úspora pro laboratoř, co předtím každé čtvrtletí spotřebovala médium za 4000 dolarů.
Jako každá disruptivní technologie, i 3D tisk přinese existujícím průmyslovým odvětvím nemalé výzvy. Subjekty, jejichž existence je založena na udržování nedostatku a nízkého přímého přístupu lidí k výrobním kapacitám, budou zasaženy nejvíce. Výrobci snadno nahraditelnch objektů z levného plastu najednou získají konkurenci; parazité jako Mattel nebo Hasbro, výrobci mizerných hraček jejichž jedinou hodnotou je vlastnictví ochranných známek a "práva" na licencované tvary, s poptávkou uměle vybičovanou masivními reklamními kampaněmi a návazností na dětské kreslené seriály vysílané v sobotu ráno, se budou muset rozhodnout mezi přidáním skutečných hodnot a ztrátou podílu na trhu. Protože jakmile se objekt převede na snadno kopírovatelnou informaci, v tomto případě soubory s modely součástí hraček, jejich přenos a sdílení už není problém - a jakmile prakticky každý může převést model na objekt porovnatelný s tím co je na oficielním trhu, již nezbývá důvod, proč kupovat něco předraženého, často s omezenou funkcionalitou. Se zlepšujícími se schopnostmi tiskáren a dostupností dalších materiálů budou ovlivněny další a další průmyslová odvětví. Celé třídy fyzických objektů budou napsterizovány - zdarma sdíleny po celém světě. Obchodní modely, založené na udržování nedostatku, budou doplněny modely novými, založenými na nadbytku hodnoty a okamžité dostupnosti.
Postižené subjekty nebudou šťastné. Vyzbrojeni rotami taktických právníků a strategických lobistů, kapitáni potápějících se průmyslů se pokusí zastavit pokrok, zachovat status quo, udržet si snadné zisky; centrálním bodem války bude význam intelektuálního "vlastnictví". Budou kupovány nové zákony, které budou okamžitě masově ignorovány; postižená odvětví budou muset projít stejným prohraným bojem jako právě vede průmysl hudební. Některé z možných vývojů a konfliktů jsou již popsány ve vědeckofantastické literatuře, zejména v dílech Cory Doctorowa.
Zajímavou možnou aplikací self-replikujících tiskáren jsou bezobslužné automatické továrny. Celosvětové zásoby ropy se rapidně tenčí, a jedinou použitelnou alternativou jsou obnovitelné zdroje. Energetická hustota slunečního záření je odpudivě malá, a pro mnoho použití jsou uhlovodíky stále nejlepší. Ale nemusíme je těžit z podzemí; pohodlným zdrojem může být i biomasa. Odmítači mohou argumentovat velkými rozlohami orné půdy potřebné pro pěstování rostlin pro palivo a plasty - ale milerádi zapomínají na ostatní možnosti, například chov řas na volném moři. Botryococcus braunii, kmen zelených mikroskopických řas, je schopen produkce uhlovodíků v průmyslovém měřítku; tato technologie je již komerčně využívána. Oceány tvoří většinu zemského povrchu.
Na otevřeném moři se pro chov řas mohou použít velké plovoucí tanky; k dispozici je mnoho prostoru, slunce i mořské vody. Získaná "zelená ropa" (green crude) se může rafinovat na místě, a její část převést na bioplasty. Část z nich se pak dá použít pro tisk dalších tanků a separátorů uhlovodíků, možná i celých nových továren. Nejprve se musí vyrobit relativně malá "bootstrap" továrna - tato pak samostatně roste, bez potřeby dalších kapitálových investic, až do požadované velikosti a úrovně produkce. S vhodnými genovými modifikacemi mohou řasy produkovat i jiné substance; prekurzory pro plasty, jiné druhy paliv (1,2,4-butantriol pro výrobu vojenských raketových paliv se již dá produkovat biotechnologicky), jedlé proteiny. Tankery na jedno použití, vytištěné z na místě vyrobených plastů, se pak mohou použít k automatizované dopravě produktů do přístavů.
Svět je už dlouho obývaný množstvím autonomních self-replikujících nanoassemblerů, známých jako mikroorganismy. Jejich potenciál je využíván již po tisíciletí; nejznámějším příkladem je využití kvasinek pro výrobu alkoholu. Genové manipulace umožňují určitou úroveň možných úprav; Escherichia coli je jedním z nejpopulárnějších mikroorganismů vhodných pro hostitelství genů pro produkci požadovaných látek - inzulínu a dalších hormonů, vakcín, interferonů, nebo i paliv. Jako takové mohou být bakterie považovány za programovatelné molekulární assemblery.
Pro jejich programování musíme nejprve vytvořit a poté do hostitelské buňky umístit řetězec nukleové kyseliny nesoucí požadovaný program. Konvenční postupy jsou založeny na vypůjčení si existujícího zdrojového kódu z jiného organismu. Současné metody jsou navzdory mnohým vylepšením stále pomalé a pracné. Nanotechnologie zde může významně pomoci, formou DNA scannerů a RNA tiskáren.
Pro počítačové zpracování DNA programů je nutno molekulu nejprve oscannovat a převést do její digitální formy, jako sekvence čtyř nukleotidů. Jednou z možných cest k významnému urychlení tohoto procesu je použití metody podobné scannovací atomové mikroskopii; namísto jedné pohyblivé sondy a stacionárního vzorku zde použijeme sondy (uhlíkové nanotrubičky nebo jiné vhodné nanostruktury) uspořádané do kruhu okolo póru v membráně, kterým protáhneme molekulu DNA. Výsledná sada naměřených vzdáleností mezi sondami a molekulou nám dá 3D obraz molekuly, z kterého můžeme odvodit sekvenci nukleotidů, a možná i epigenetické informace jako methylaci DNA. Takový scanner by mohl dosahovat rychlosti stovek i více bází za sekundu. Technologii v současnosti vyvíjí firma IBM.
Poté co oscannujeme DNA, můžeme editovat co chceme, archivovat sekvence v knihovnách dostupných na Internetu, a v milisekundách je posílat je po světě. Ale pořád ještě potřebujeme převést je z reprezentace digitální zpět na fyzické molekuly. Tuto práci může odvést RNA tiskárna; RNA je zvolena namísto DNA protože má jen jeden řetězec a tedy je jednodušší, a může být převedena na DNA enzymem reverzní transkriptázou. Jedna z možných konfigurací je čtveřice velkých molekul, řízených elektrickými impulzy a krmených polymery nukleotidů. Elektrický impulz změní tvar molekuly, podobně jako prezence substrátu a dalších molekul mění tvar enzymů; tuto molekulu můžeme považovat za druh elektricky řízeného umělého enzymu. Změna odštípne koncový nukleotid z jeho řetězce, a přilepí ho na konec rostoucí molekuly RNA ve středu zařízení. RNA i zdrojový polynukleotid jsou pak posunuty o pozici, a pokračuje se s další bází. Sekvence elektrických impulzů aplikovaných na naši čtveřici e-enzymů tedy "vytiskne" RNA řetězec s požadovanou sekvencí bází. Doporučeným dalším krokem je protažení výsledného řetězce scannerem, abychom se přesvědčili, že žádná báze nebyla vynechána.
Tato dvojice scanneru a tiskárny na nukleové kyseliny představuje možnou změnu paradigmatu v genových manipulacích a v biotechnologiích obecně. Bioreaktory jsou již dospělá technologie; možnost rychlého návrhu bakterií či kvasinek pro produkci požadovaných substancí by mohla významně snížit cenu těchto substancí. Uhlovodíky se dají vyrábět z odpadních vod pomocí řas; ostatní materiály, od vodíku po léčiva, mohou být takto produkovány taktéž; potenciálně i mnohem komplikovanější materiály, např. nanočástice pro self-assembly počítačové paměti a programovatelná pole. Syntetická biologie již nyní prochází intenzivním vývojem.
DNA tiskárny mohou být použity i pro produkci řetězců RNA a DNA pro self-assembly zařízení.
Medicína může též mnohé získat. Každá místní nemocnice může mít svou vlastní jednotku pro produkci vakcín, dobře vybavenou množstvím prekurzorů. Jakýkoliv mikrob, který se pak objeví, může být sekvenován na místě a vakcína připravena v řádu hodin; genová sekvence organismu, a korespondující popis vakcíny, pak mohou být sdíleny v reálném čase se všemi ostatními nemocnicemi jako digitální soubory. Již žádný GlaxoSmithKline a jim podobní co stojí milióny a trvá jim měsíce než dodají něco, co se dá vyrobit víceméně automaticky; již žádné nedostatky vakcín v době epidemií; žádná potřeba pro na strachu založený marketing a následné přesvědčování vlád, aby objednaly milióny dávek předem pro případ potřeby (a virus pak stejně zmutuje a vakcína se stane neúčinnou). Pokud se infekce objeví, potřebujeme technologii pro okamžitou reakci na místní úrovni. V případě katastrofické pandemie, kdy se nedá spoléhat na funkční logistiku a přepravu, se pak může taková distribuovaná místní produkce vakcín doslova životně důležitou.
Na extrémním konci rozměrů 3D tisku jsou samotné molekuly. Pečlivým umístěním molekul prekurzorů se tyto dají přimět k reakci a zformování požadovaného produktu. Takto lze dosáhnout komplikovaných výsledných struktur: molekulárních nanostrojů, materiálů se strukturou řízeně organizovanou na úrovni samotných atomů, jakýchkoliv substancí jejichž strukturu dovedeme popsat. Molekulární tiskárna, nebo molekulární assembler, by byl definitivním stádiem vývoje strojů pro domácí výrobu. Takovéto univerzální stolní tiskárny, jak je popsal již např. Kim Eric Drexler, jsou stále ve stavu velmi spekulativního vývoje; i přesto jsou již financovány některé velmi rané aktivity na tomto poli.
Molekulární assemblery budou schopné produkovat i molekulární elektroniku - nepatrné tranzistory a celé obvody na bázi organických sloučenin. Pole OLED mohou sloužit jako displeje. Některé základní obvody ale můžeme vyrobit i bez takovýchto assemblerů, jen z vodivých polymerů a samostatných čipů, nebo z precizně umístených kapiček polovodivých plastů. Pole OLED diod mohou být vyrobena pomocí tryskových tiskáren. Současně dostupný tisk pomocí scanovací sondy může být použit k umísťování organických polovodičů. Tranzistory mohou takto být vyráběny i bez nutnosti použití zařízení schopných univerzálních chemických syntéz.
Jsme ve věku rychlých technologických změn. 3D tisk je významný svým přínosem nových možností do všech oblastí od návrhu přes stavbu konstrukcí po medicínu, umění a koníčky. Masové přijetí domácí výroby čím dál komplikovanějších objektů otřese základy mnoha průmyslových odvětví, zvláště těch, co nedodávají žádnou vlastní hodnotu a namísto toho spoléhají na licencování a další metody vynucování své vlastní exkluzivity. Prvními odvětvími budou módní a hračkářský průmysl; ani jejich armády právníků nebudou schopny zastavit vlnu změn a firmy se budou muset přizpůsobit, nebo zhynou. Víceméně všichni ostatní vydělají; od domácích kutilů a drobných podnikatelů, schopných vyrobit své nápady rychleji a lépe a sdílet je s celým světem, přes umělce, přes celá průmyslová odvětví schopná snížit náklady a umožnit ziskovou výrobu v menších sériích, klasickými technologiemi neekonomických. Následné používání doma vytisknutelných mikrofluidních reaktorů, a o několik desetiletí později i molekulárních assemblerů, ukončí kariéru farmaceutických společností a zatočí s černým trhem s drogami; kdo by kupoval něco, co si může vyrobit doma, snadněji, levněji, bezpečněji, a bez žebrání o často předražený recept.
Paralelně s tímto vývojem se vyvíjejí i počítače. Konvenční procesory, již tak výkonné, mohou být spřaženy s koprocesory z grafických karet, umožňujícími masivní paralelizaci některých úloh; co byl včera armádní superpočítač je dnes dostupná stolní hračka. Kombinace výkonných počítačů a rychlé automiatické výroby je katalyzátorem pro rychlý vývoj robotiky, a dalšího vývoje samotných 3D tiskáren. Tiskárny umožňující výrobu elektronických obvodů umožní self-evoluci počítačů v praktickém měřítku. Konvergence tisku elektroniky a tisku orgánů může vést k novým možnostem vylepšování lidí. Tisk DNA a programování buněk pak může pomoct urychlit evoluci lidstva z jejího současného suboptimálního stavu až k něčemu co by se dalo i obdivovat.
Je konec čekání. Budoucnost je zde.