现代3D打印，也称为增材制造，是指根据3D模型或其他电子数据源，创建几乎任何形状的实体三维物体的过程。作为一种增材制造方法，制造商逐层“添加”材料到物体上，最终形成产品（图1）。鉴于3D打印技术的惊人快速发展以及各种不同的3D打印方法，种种迹象表明，3D打印是（或应该被视为）一项尖端技术。由此可见，说3D打印将改变世界绝非夸张之词。.
3D打印技术不断发展，已应用于汽车、航空航天、医疗和消费品等行业的3D模型和原型制作。爱好者们相信，这些3D模型可以帮助企业更快地完成项目，并减少资源投入。因此，3D打印技术正在迅速崛起，推动着从快速原型制作到快速制造的根本性转变。这的确是一项尖端技术。
对于该领域的供应商来说，他们的梦想是让每家每户都拥有一台3D打印机。虽然3D打印机的价格通常在2000美元以上，但也有一些售价低于1000美元。许多人认为这是一个快速发展的市场，目前仍处于起步阶段。独立市场研究公司Canalys预测，到2014年，3D打印市场的整体规模（包括打印机、材料和相关服务的销售额）将达到380亿美元。到2018年，市场规模将增长至1620亿美元，预计在此期间的复合年增长率将达到45.75%。<sup>4</sup>鉴于这些预测的增长数据，3D打印近年来受到媒体的广泛关注也就不足为奇了。作为一项尖端技术，它具有变革各行各业和改变制造流程的潜力。然而，市场要实现如此显著的增长仍面临一些根本性的障碍，其中就包括打印机的成本。即使如今3D打印机的价格低于1000美元，对于消费品而言仍然过于昂贵。
“剃须刀片模式”是3D打印市场增长的关键吗？
如果您曾经购买过带替换刀片的剃须刀，那么您就体验过“剃须刀片模式”。这种商业模式的核心在于以折扣价出售主要产品，从而以更高的价格出售配套的（通常是一次性的）辅助产品。除了剃须刀片之外，这种商业模式长期以来在传统打印机市场也取得了成功，并且至今仍然是一种非常有效的策略。
有人认为，“剃须刀片模式”是最佳的商业策略，也是加速3D打印机市场发展、让3D打印机走进千家万户的最快途径。简而言之，通过以极低的价格（甚至近乎免费）出售打印机，然后通过出售线轴墨盒或打印耗材来获得可观的利润，您可以显著提高3D打印的普及率。图2展示了一个一次性3D打印耗材包装的示例。
3D打印机耗材或打印线材卷轴将使打印机能够提供不同价位、多种材料、颜色和表面处理效果的组合。与传统墨盒类似，用户可以获知每种颜色的墨水量，3D打印线材的使用状态也可以提供。历史
经验告诉我们，只有当一次性产品拥有强有力的知识产权保护机制，防止克隆、伪造、复制和仿冒时，剃须刀片模式才能有效运作。<sup>6</sup> 毫无疑问，造假者会试图仿制3D打印耗材，欺骗这些产品的合法制造商。如何才能阻止知识产权盗窃？答案很简单：在每台3D打印机和耗材中集成安全识别技术。
基于 SHA-256 挑战-响应认证系统的安全性：
多年来，使用哈希算法 (SHA) 的安全认证环境一直是保护知识产权免受伪造和非法复制的有效方法，广泛应用于各种产品和应用领域。基于美国国家标准与技术研究院 (NIST) 定义的安全哈希标准 FIPS PUB 180-4 的 SHA-256 安全系统，使其成为强大的防伪或防克隆工具。对一次性产品进行安全认证也有助于质量控制，进而极大地影响制造商的品牌形象。
SHA-256 通信是一种基于双向质询-响应密钥的对称认证环境。它是一种“握手”协议，其中一方（主机或主设备，在本例中为 3D 打印机）向另一方（从设备，在本例中为墨盒或线轴）发出一个秘密问题或质询。从设备必须提供有效答案才能通过认证。从设备墨盒的响应取决于它收到的问题和其存储的秘密答案。如果墨盒对秘密问题的回答错误，打印机将拒绝该墨盒。.
该认证系统的主要组成部分包括256位随机挑战码、墨盒的ROM标识码（ID）以及密钥。密钥是唯一的，并在制造过程中嵌入到每个从属IC中。该密钥被编程到安全SHA-256认证器DeepCover® DS28E15的受保护存储器中。同样的密钥也被编程到打印机中的安全访客认证器DS2465中。为了防止密钥泄露，必须采用强大且安全的社区密钥管理系统。.
当墨盒安装到已认证的 3D 打印机中后，会立即发生以下一系列事件（图 3）：
• 3D 打印机读取墨盒的 ROM ID（即存储在 DS28E15 中的 ID）。
• 3D 打印机生成一个随机问题并发送给墨盒。
• 墨盒使用其 ROM ID、密钥、接收到的随机问题和其他一些数据元素计算 SHA-256 消息认证码 (MAC)。墨盒将此 MAC 发送给打印机主机。
• 然后，3D 打印机使用其本地存储的密钥、随机问题（与发送给墨盒的问题相同）以及从墨盒获取的 ROM ID 在本地计算自身的 MAC。
• 3D 打印机将其 MAC 值与墨盒计算的 MAC 值进行比较。
• 如果两个 MAC 值匹配，则表示墨盒已通过认证。这实际上意味着墨盒是正品。验证墨盒真伪后，3D打印机即可从墨盒内存中读取其他数据，例如生产日期、产地、批号、耗材类型、支持的颜色以及耗材使用量。但是，如果MAC（微软标记代码）不匹配，则该墨盒被视为假冒、篡改或伪造。此时，打印机将立即禁用所有打印功能。
3D打印墨盒及SHA-256认证的优势
图4展示了SHA-256认证如何集成到3D打印机和公司墨盒中。安全的DS28E15认证器是关键设备，为墨盒提供内置保护。配备DS2465认证器的3D打印机（即主机）仅接受来自原装墨盒（即从设备）的真实响应。所有操作均通过1-Wire®通信接口完成，DS28E15也是通过该接口连接到墨盒的。此认证方案的前提是3D打印机和墨盒拥有相同的SHA密钥，该密钥在安全工厂的制造过程中预先编程。
安全认证集成电路（例如 DS28E15）还具有另一项优势。它们内置 64 位序列号或识别号（ID ROM），该识别号用作 SHA-256 引擎的输入之一。这使得每个 256 位 MAC 码都是唯一的。DS28E15 的内存还可以划分为开放访问（例如，未受保护）区域和主机（打印机）必须对从设备（墨盒）进行身份验证才能写入 EEPROM 的区域。数据手册中描述了几种可用的保护模式。
当 DS28E15 启用 EPROM 仿真 (EM) 保护模式时，单个内存位只能从 1 更改为 0，而不能从 0 更改为 1。一旦选择 EM 模式，就无法撤销。这实际上是实现倒计时或限制墨盒使用功能的最佳方式，这些功能极难被绕过。这项限时功能可防止用户强行将耗材装入墨盒包装盒内。DS28E157
的内存保护模式也为 3D 打印机提供了支持其他功能的平台或途径。这些功能包括打印机处理不同打印作业表面处理效果的能力，以及使用更广泛的材料和颜色创建物体的能力。这些功能最终将成为推动 3D 打印市场增长的关键因素。
结论：
令人遗憾的是，即使是号称安全的一次性产品，也常常会遭受各种复杂的阵列级攻击，以窃取安全数据和/或逆向设备配置。所有这些攻击的目的都是为了破坏系统安全，最终目的是克隆或伪造产品。为了提供最高性价比的防护，抵御这种不可避免的恶意攻击，DS28E15 在阵列级采用了专有的物理加密技术、电路和方法，以保护敏感数据、控制信号和密钥。
DS28E15 DeepCover 安全认证器能否保护 3D 打印墨盒制造商免受克隆和伪造的侵害？它最终能否加速 3D 打印技术在消费者中的普及，并最终实现 3D 打印机走进千家万户？答案是肯定的。DS28E15 采用基于 SHA 的挑战-响应认证机制，能够确保用户使用的是正品墨盒。在资产、知识产权和品牌质量得到保护后，打印机市场可以将相当一部分收入从打印机销售转移到一次性墨盒的销售。
历史经验告诉我们，只有建立强有力的知识产权保护机制，防止一次性产品的克隆、伪造、复制和仿冒，才能真正发挥“剃刀模式”的作用。DS28E15 DeepCover 安全认证器正是提升 3D 打印机销量的正确途径。因此，我们认为 DS28E15 将是 3D 打印领域的下一个重大突破。
参考文献
1：WhatIs.com 将“颠覆性技术”定义为哈佛商学院克莱顿·克里斯坦森教授提出的一个术语，用来描述一种出人意料地取代现有技术的新技术。更多参考文献请参见文章：http: //whatis.techtarget.com/definition/disruptive-technology
Canalys 高级分析师 Tim Pastor 指出：“我们已经看到相当多的早期用户和爱好者投资购买价格相对低廉的 3D 打印机。随着价格持续下降、技术不断改进以及应用案例的不断测试，这一趋势将会持续下去……”参见 Canalys 于 2014 年 6 月 24 日发布的《3D 打印机在消费者中获得显著增长》， http://apac.canalyschannelsforum.com/site/news?id=5。
3. 低端打印机的价格通常在 1000 美元到 2000 美元之间。参见 Canalys 的报告，其中 Canalys 研究分析师 Joe Kempton 写道：“实际上，市面上有很多基础型号的打印机售价低于 1000 美元，一些众筹项目甚至承诺价格低于 500 美元……”参见 Canalys 于 2014 年 6 月 24 日发布的《3 款打印机在消费者中获得了显著的关注》，网址： http://apac.canalyschannelsforum.com/site/news?id=5。 见
arts.mic 于 2013 年 5 月 10 日发布的文章《3D 打印机的价格是多少？“仍然昂贵，但变得越来越实惠”，网址： http://mic.com/articles/41111/how-much-does-a-3d-printer-cost-still-expensive-but-becoming-more-affordable。
想了解一些价格从 1 万美元到 5 万美元不等的昂贵 3D 打印机，请参阅 David Lumb 的文章“The Top Nine Consumer 3-D Printers For Every Budget,” Fast Company，网址： http://www.fastcolabs.com/3016490/9-consumer-3-d-printers-for-every-budget。
如需了解更多关于 3D 打印机上市价格的信息，请参阅 inkpal.com 的文章“How Much Does a 3D Printer Cost?”， 网址：http://www.inkpal.com/ink-news/how-much-does-a-3d-printer-cost/。
4. Canalys发布的3D打印市场报告显示：“2013年，全球3D打印市场规模（包括3D打印机、材料及相关服务的销售额）达到25亿美元。Canalys预测，2014年这一数字将增长至38亿美元，市场将持续快速增长，到2018年达到162亿美元。这意味着2013年至2018年的复合年增长率（CAGR）预计为45.7%。”参见Canalys于2014年3月31日（星期一）发布的报告《3D打印市场将于2018年增长至162亿美元》，网址： http://www.canalys.com/newsroom/3d-printing-market-grow-us162-billion-2018。
5. 互联网上有很多关于剃须刀片商业模式的讨论。一些建议的网站，您可以从中了解这种做法，包括： http://www.investopedia.com/terms/r/razor-razorblademodel.asp、http: //www.businessdictionary.com/definition/razorblade-model.html和 http://en.wikipedia.org/wiki/Freebie_marketing。
6. 您可以在互联网上找到大量关于假冒打印机墨盒的讨论。有关该问题的总体信息，请参阅 Cliff Edwards 的文章“惠普严厉打击墨水假冒者”，发表于彭博商业周刊，2009 年 5 月 28 日，网址 ：http://www.businessweek.com/magazine/content/09_23/b4134044747987.htm 。有关如何识别假冒墨盒的讨论，请参阅 Mark Shea 的文章“如何识别假冒墨水”，发表于 PCWorld，2010 年 12 月 2 日，网址 ：http://www.pcworld.com/article/212183/identify_counterfeit_ink.html。 在互联网上搜索“假冒墨盒”也会找到许多其他相关链接。
7. 有关 DS28E15 保护模式的更多详细信息，请参阅 http://www.maximintegrated.com/DS28E15 上的数据表。
1-Wire 是 Cypress Semiconductor, Inc. 的注册商标。3D
Systems 是 3D Systems, Inc. 的商标和服务标志。Cube
是 3D Systems, Inc. 的注册商标。DeepCover
是 Cypress Semiconductor, Inc. 的注册商标。
关于作者
哈米德·M·萨诺戈 (Hamed M. Sanogo) 是 Maxim Integrated Products 的执行业务经理，负责安全认证器、NFC 和 RFID 产品线。他毕业于阿拉巴马大学伯明翰分校 (UAB)，获得电子工程学士学位 (BSEE)，并在密歇根大学迪尔伯恩分校获得电子工程硕士学位 (MSEE)，以及在达拉斯大学获得技术管理工商管理硕士学位 (MBA)。您可以通过以下方式联系哈米德：
