现代3D打印技术的应用

本应用说明重点介绍现代3D打印，也称为增材制造，即从3D模型或其他电子数据源制作几乎任何形状的三维实体物体。它讨论了Razor-Razorblade商业模式，该模式涉及以折扣价出售主要商品，以便补充（通常是一次性的）次要商品可以以相当高的价格出售。同样的商业模式已经成功地用于传统的打印机市场，但只有当实施强大的知识产权保护方案以防止克隆、伪造、复制和模仿一次性用品时，该模式才有效。DS28E15 DeepCover安全认证器IC是销售更多3D打印机的正确途径。现在，这是我们在每个家庭中获得3D打印机的方法！

可以说，3D打印正在彻底改变制造业格局。你能想象发送你的脚的3D打印来为你定制一双鞋吗？这其实并不是那么牵强。

现代3D打印，也称为增材制造，是从3D模型或其他电子数据源制作几乎任何形状的三维固体物体的过程。作为一种增材制造方法，制造商将材料逐层“添加”到物体上，以创建最终产品。鉴于3D打印的惊人突然增长和几种不同的3D打印方法，所有迹象都表明3D打印被认为是或应该被认为是一种颠覆性技术。

3D 打印技术一直在不断发展，以在汽车、航空航天、医疗保健和消费行业创建 3D 模型和原型。爱好者认为，这些3D模型可以帮助公司在更短的时间内和/或用更少的资源完成一个项目。因此，3D打印正在迅速兴起，2推动从快速原型制作到快速制造的根本转变。这确实是一项颠覆性技术。

对于这个领域的供应商来说，梦想是在每个房子里放一台3D打印机。一些3D打印机的价格通常从2，000美元（美国）起，现在的价格略低于1，000美元（美国）。3许多人认为这是一个快速发展的市场，仍处于起步阶段。独立市场研究公司Canalys预测，2014年整个3D打印市场的规模（包括打印机销售、材料和相关服务）将上升到38亿美元;到2018年，市场规模将达到162亿美元，预计同期复合年增长率为45.75%。4鉴于这些预测数字，3D打印近年来受到媒体的广泛关注也就不足为奇了。作为一种颠覆性技术，它有能力重塑行业并改变制造流程。尽管如此，如此显着的市场吸收仍然存在几个基本障碍，包括打印机的成本。即使今天的价格不到1000美元，3D打印机对于消费产品来说仍然非常昂贵。

剃刀刀片模型是3D打印市场增长的关键吗？

如果您曾经购买过剃须刀及其替换刀片，那么您已经体验过剃须刀-剃须刀片的商业模式。这种商业惯例涉及以折扣价出售主要商品，以便补充（通常是一次性的）次要商品可以以相当高的价格出售。5除了剃须刀片之外，这种商业模式已经成功地用于传统打印机市场很长时间，并且仍然是一个非常成功的策略。

有人可能会争辩说，这种Razor-Razorblade模型是最好的商业策略，也是将3D打印机推向每个家庭打印机主流的最快途径。简单来说，您可以通过以更低的成本（甚至几乎免费）出售打印机来显着提高3D打印的采用率，然后在墨盒线轴或打印线材的销售上赚到一致的钱。

3D打印机墨盒线轴或打印线材还将使打印机支持不同价位的材料，颜色和饰面的大量组合。就像传统的墨盒一样，为客户提供每种颜色的墨水量，也可以提供3D打印灯丝的使用状态。 正如历史告诉我们的那样，剃刀刀片模型只有在一次性产品上实施了强大的知识产权保护计划以防止克隆、伪造、复制和模仿时才有效.6 毫无疑问，造假者会试图复制 3D 墨盒并欺骗这些产品的合法制造商。如何阻止知识产权盗窃？答案很简单：将安全识别技术嵌入到每台3D打印机和墨盒中。

SHA-256质询和响应身份验证系统的安全性

多年来，在无数产品和应用中，安全哈希算法（SHA）身份验证方案一直是保护IP免受假冒和非法复制的非常有效的方法。基于安全散列标准（由美国国家标准与技术研究院 （NIST） 定义的出版物 FIPS PUB 180-4 的 SHA-256 安全系统是强大的防伪或防克隆工具。一次性产品的安全认证还具有控制材料质量的积极影响，这反过来又极大地影响了制造商的品牌标识。

简单题外话，Maxim的DeepCover安全认证器，如带1-Wire接口的DS28E15和512位用户EEPROM，在许多嵌入式应用中都处于领先地位。系统设计人员使用DS28E15来保护他们的研发投资，因为该认证器实现了先进的物理安全性，并提供终极的低成本IP保护。

SHA-256通信涉及基于对称密钥的双向质询和响应身份验证方案。它是一种握手协议，其中一方（主机或主机，在我们的讨论中，3D打印机）向另一方（从站，这里为墨盒或线轴）提出秘密问题或挑战。从站必须提供有效的答案或响应才能进行身份验证。此外，从盒的响应取决于它收到的质询和存储的秘密响应。如果墨盒回答了错误的密码问题，则打印机将拒收墨盒。

身份验证方案的主要组件包括 256 位随机质询、墨盒的 ROM ID 以及在制造阶段嵌入每个从属 IC 中的唯一密钥。该密钥被编程到SHA-256安全认证器DeepCover DS28E15的受保护存储器中。同样的密钥也被编程到打印机墨盒中的安全主机认证器DS2465中。一个强大而安全的密钥管理方案对于保护密钥不被泄露是必要的。

将墨盒安装到安全的3D打印机后，立即发生以下事件序列（图3）。

3D打印机读取墨盒的ROM ID（即存储在DS28E15中）。

3D打印机生成并向墨盒发送随机质询。

盒式磁带使用其 ROM ID、密钥、收到的随机质询和其他一些数据元素计算 SHA-256 消息身份验证代码 （MAC）。墨盒将其发送到打印机主机。

然后，3D打印机使用其本地存储的密钥，随机质询（发送到墨盒的相同质询）以及从墨盒收集的ROM ID在本地计算自己的MAC。

3D打印机将其MAC的值与墨盒计算的值进行比较。

如果两个 MAC 匹配，则墨盒已通过身份验证。这基本上意味着墨盒是正品。验证墨盒的真实性后，3D打印机可能会从墨盒的内存中读取其他数据，例如日期，制造地点，批号，支持的灯丝材料和颜色以及材料使用水平。但是，如果 MAC 不匹配，则墨盒被视为假货、仿冒品或仿冒品。然后，打印机会立即禁用所有打印功能。

图3.3D 盒式磁带的基于 SHA-2 的质询和响应身份验证事务序列图。

3D 墨盒和 SHA-256 认证的优势

图4.基于 SHA-2 的安全身份验证电路实现。图中显示了DS28E15 DeepCover安全认证器通过1-Wire接口连接到DS2465 SHA-256协处理器，有助于在进行验证比较之前计算主机侧的MAC。

图 4 说明了如何将 SHA-256 身份验证嵌入到 3D 打印机和配套墨盒中。DS28E15安全认证器是嵌入主机3D打印机的基本保护器件。配备DS2465（即主机主控）的3D打印机仅接受来自正品墨盒（即从机）的真实响应。所有这些通信都通过1-Wire通信接口进行，在这种情况下，DS28E15也是盒式磁带上电的方式。此身份验证方案假定 3D 打印机和墨盒具有相同的 SHA 密钥，该密钥是在安全工厂环境中制造过程中编程的。

DS28E15安全认证器还有另一个明显的优势。它使用自己唯一的 64 位序列号或识别号 （ROM ID） 构建，用作 SHA-256 引擎的输入之一。这使得每个 256 位 MAC 都是唯一的数字。DS28E15的存储器还可以划分为开放访问区域（例如，未受保护的区域）和主机（打印机）必须向从机（盒式磁带）验证自身以进行EEPROM写访问的区域。提供多种保护模式，数据手册中对此进行了描述。7

当DS28E15上的EPROM仿真（EM）保护模式被激活时，单个存储器位只能从1更改为0，而不能从0更改为1。一旦选择了EM模式，就无法逆转。这基本上代表了在墨盒上实现倒计时或限制使用功能的最佳途径，这些功能可能极具挑战性。此使用限制功能禁止用户强制打开墨盒包装以添加自己的灯丝。

DS28E15的存储器保护模式7还在3D打印机上提供平台或手段以支持其他功能。这些功能包括打印机支持不同的打印作业完成或使用更大的材料和颜色组合创建对象的能力。这些功能最终是有助于3D打印市场增长的关键功能。

结论

可悲的是，所谓的安全一次性产品通常会受到各种复杂的芯片级方法的攻击，以提取安全数据和/或反向设备设置。所有这些都是为了破坏系统安全性，其唯一目的是克隆或伪造它。为了提供最经济实惠的保护，防止这种不可避免的恶意攻击，DS28E15采用专有的管芯级物理技术、电路和加密方法来保护敏感数据、控制信号和密钥。

Maxim在开发嵌入式安全解决方案方面拥有20+年的研发经验，以保护不同的终端市场，包括金融，印刷耗材，医疗耗材，计算，游戏，能源计量。Maxim在加密算法、复杂的IC级物理保护实现（例如，先进的芯片级物理安全）和定制IC封装方面的专业知识仍然是帮助客户保护其研发投资的关键。

DS28E15 DeepCover安全认证器能否保护3D墨盒制造商免受克隆和假冒产品的侵害？它最终会推动消费者更快地采用3D打印并在每个家庭中拥有3D打印机吗？是的。通过在DS28E15中实施基于SHA的质询和响应认证方案，3D打印机市场可以确保使用经过审查的正品墨盒。在保护其资产、知识产权和品牌质量的情况下，打印机市场可以将相当一部分收入从打印机的销售转移到一次性墨盒的销售上。

正如历史告诉我们的那样，剃刀-剃刀刀片模式只有在实施强大的知识产权保护计划以防止克隆、伪造、复制和模仿一次性用品时才有效。DS28E15 DeepCover安全认证器IC是销售更多3D打印机的正确途径。

审核编辑：郭婷