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| 編輯推薦： |
业内专家王飞跃、黄明明、张正友、杨明玄、杨睿刚、舒畅倾情作序、联袂力荐。
全面系统地介绍了3D打印与3D智能数字化技术
详细论述了3D打印和人工智能的现状和未来
包括3D智能数字化理论和方法的进展
包含丰富的创客实践（组装3D打印机，开设3D照相馆，制作四轴飞行器等）
内容丰富全面、通俗易懂，讲解深入浅出、从零起步
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| 內容簡介： |
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《经济学人》等主流媒体称3D打印将引发新一轮工业革命。本书从产业经济的宏观视角对3D打印、3D智能数字化、创客、中国智造、全球第四次工业革命这五者的关系进行了详尽讨论。本书从专业技术的角度对3D打印的原理、结构和工艺方法做了详细介绍，包括10多种典型成型工艺的优劣分析和比较，手把手、从无到有地组装一台3D打印机等。3D智能数字化是3D打印的基础和关键，涉及3D计算机图形学、计算机视觉、模式识别、机器学习等领域。本书以通俗易懂、娓娓道来的方式对它们进行了详细讲解。
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| 關於作者： |
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吴怀宇，博士，中国科学院副研究员，任职于中国科学院自动化研究所，模式识别国家重点实验室（NLPR），中国-欧洲信息、自动化与应用数学联合实验室（LIAMA）。主要研究领域包括3D智能数字化打印、计算机三维视觉、视觉形状感知分析与处理、计算机交互式图形学等。目前担任多个国际刊物的评审专家和国际程序委员会成员等学术任职，美国电气与电子工程师学会（IEEE）、美国计算机协会（ACM）会员，ICCVCVPRACCV国际程序委员会委员、程序主席秘书，以及北京市科学技术委员会项目评审专家、国家自然科学基金评审专家。
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| 目錄：
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第1章 3D打印与全球第四次工业革命1
1.1 3D 打印 ：体验造物奇迹 1
1.2 全球第四次工业革命的导火索 11
1.2.1 从第一次工业革命到第四次工业革命11
1.2.2 3D 打印的显著优势 12
1.2.3 3D 打印的应用现状 14
1.3 对 3D 打印的质疑 16
1.3.1 来自传统制造业大佬的质疑 ：不看好 3D 打印16
1.3.2 关于3D 打印技术的可实现性释疑 17
1.3.3 关于3D 打印技术的经济性释疑 17
1.3.4 关于3D 打印产业的成长性释疑 19
1.4 3D 智能数字化与 3D 打印 ：用虚拟再造现实20
1.4.1 3D 智能数字化设计技术的发展现状 21
1.4.2 智能数字化扫描技术的发展现状 22
1.4.3 智能云网 ：云端智能服务和云制造 23
1.4.4 3D 打印技术的发展现状 24
1.5 创客 DIY ：新工业革命的启蒙运动26
1.5.1 以小博大 ：创客挑战巨头公司 27
1.5.2 聚沙成塔 ：改变工业社会的组成结构28
1.6 中国制造向中国智造转变的机遇 29
1.6.1 中国制造须转型升级 29
1.6.2 来自德国制造的启示 30
1.6.3 中国智造的发展机遇 31
第2章 3D打印机的原理与种类 37
2.1 3D 打印时间简史──源自 1860 年37
2.2 3D 打印机的工作原理和家族 41
2.2.1 3D 打印机的工作原理与流程 41
2.2.2 FDM ：熔融沉积成型（FFF ：熔丝制造）42
2.2.3 3DP ：三维打印黏结成型（喷墨沉积）44
2.2.4 SLS ：选择性激光烧结 46
2.2.5 SLA ：光固化立体成型（立体光刻） 48
2.2.6 PolyJet ：多头喷射技术（Material Jetting ：材料喷射）50
2.2.7 DLP ：数字光处理 51
2.2.8 LOM ：分层实体制造 53
2.3 塑料还是石膏？ 3D 打印机的各种耗材 55
2.3.1 ABS ：应用最广泛的工程塑料 56
2.3.2 EP（弹性塑料） 57
2.3.3 PA（尼龙） 57
2.3.4 PC（聚碳酸酯） 58
2.3.5 PEEK（聚醚醚酮） 58
2.3.6 PPSF（聚纤维酯） 59
2.3.7 PLA ：绿色环保的生物塑料59
2.3.8 PETG（共聚酯） 60
2.3.9 PCL（聚己内酯） 61
2.3.10 光敏树脂 ：精细成型的液态材料 62
2.3.11 金属材料 ：不锈钢、钛合金、镁铝合金、金银 62
2.3.12 更多 3D 打印材料 ：石膏、蜡、陶瓷、木质65
2.4 金属 3D 打印技术大盘点 72
2.4.1 SLS、SLM 和 DMLS 技术 72
2.4.2 LENSLNSFLPFDMDLCLMDDLF ：激光近净成型76
2.4.3 EBM ：电子束熔炼 78
2.4.4 EBDM ：电子束直接制造 80
2.4.5 金属 3D 打印技术小结 80
2.5 两大阵营 ：工业级打印机与桌面级打印机 81
2.5.1 工业级打印机 ：两个巨头的主战场 82
2.5.2 桌面级打印机 ：创客们的多样世界 87
2.6 3D 打印与传统手办模型制作 92
2.7 3D 打印机购买指南 93
第3章 剖析3D打印机：轮子是怎样发明的98
3.1 RepRap ：开源 3D 打印机的鼻祖和奠基石 98
3.2 MakerBot 与 Ultimaker ：桌面双雄99
3.3 Ultimaker 组装实战 101
3.3.1 Ultimaker 新到货开箱照 102
3.3.2 搭建框架 102
3.3.3 XYZ 轴电机 105
3.3.4 XY 轴承 107
3.3.5 挤出头 109
3.3.6 Z 轴载物平台 112
3.3.7 送料机 116
3.3.8 Ultimaker 的大脑 ：电路板117
3.3.9 大功告成 ：一台完整的打印机 121
3.3.10 Gcode 与前台软件 Cura 使用指南123
3.3.11 Ultimaker 打印成果实例 128
3.4 MakerBot Replicator 2 与 MakerWare 打印实战129
3.4.1 MakerWare 进行切片和打印 129
3.4.2 ReplicatorG 控制前台的设置 ：双喷头打印双色模型135
3.4.3 MakerBot Replicator 2 打印成果实例137
3.5 3D 打印疑问与故障排解小贴士 138
3.5.1 模型的水密性（Watertight）138
3.5.2 模型必须为流形（Manifold） 139
3.5.3 切片（Slice）与横切面 140
3.5.4 层厚度（Layer Thickness）140
3.5.5 支撑材料（Support Material） 140
3.5.6 如何开始打印 141
3.5.7 如何调平打印平台（粗调和精调） 141
3.5.8 如何更换耗材（上料、退料） 142
3.5.9 我装不了塑料丝 142
3.5.10 我取不出塑料丝导管 142
3.5.11 为什么我的送料机挖坑，但就是不吐丝142
3.5.12 喷头堵塞，如何处理 143
3.5.13 挤出的料无法粘牢打印平台 143
3.5.14 打印出的东西粘不牢平台143
3.5.15 用辅助盘（Helper Disk）解决翘边问题143
3.5.16 喷头位置偏移，挤出头坐标异常 144
3.5.17 为什么打印的圆是椭圆 145
3.5.18 电机不转，像得了帕金森症抖个不停 145
3.5.19 为需要连接的零件选择合适的容许公差145
3.5.20 我的打印机需要日常维护吗 145
3.5.21 异常情况如何中断打印 145
3.5.22 如何将金属零件放入我的 3D 塑料模型中 146
3.5.23 用 CNCSimulator 进行打印模拟和打印预览146
3.5.24 打印失败后是什么样子 146
3.6 如何设计和设置一台高精度的 3D 打印机 147
3.6.1 影响打印精度的软硬件因素 147
3.6.2 如何让模型表面看起来更光滑 150
第4章 3D智能数字化：3D打印的孪生兄弟153
4.1 不以规矩，不成方圆STL 数字标准文件解析153
4.2 3D 智能数字化设计技术 156
4.2.1 所想即所得：3D 设计的新境界 156
4.2.2 商业设计软件 ：3D 设计的重型武器（Maya、UG）161
4.2.3 杀鸡焉用牛刀 ：基于网页的设计软件（Tinkercad、3DTin）167
4.3 3D 智能数字化扫描技术 169
4.3.1 光学三维扫描仪的原理和实例（激光、结构白光）172
4.3.2 基于 Kinect 的 3D 扫描原理和设备（红外光斑、ToF）177
4.3.3 房地产行业的新应用 ：室内 3D 扫描建模 183
4.4 面向批量定制和柔性制造的智能数字化184
4.5 智能云网 ：云端智能服务和云制造 185
4.6 大数据和深度学习 ：3D 打印内容的挖掘与推荐186
4.6.1 什么是大数据 187
4.6.2 大数据背景下的个性化推荐系统 189
4.6.3 深度学习 ：像人脑一样深层次地思考 192
第5章 3D智能数字化与3D照相馆：科学与艺术的结合200
5.1 那些年，我们一起追过的 3D 照相馆201
5.1.1 细数国内外的 3D 照相馆 201
5.1.2 3D 照相馆的设备及成本 202
5.1.3 3D 照相馆赢利模式的探讨205
5.2 3D 照相馆的核心技术 ：3D 智能数字化 206
5.3 基于图像的 3D 人脸重建技术 209
5.3.1 基于单张照片的 3D 人脸重建及立体浮雕 210
5.3.2 基于多视角照片的 3D 人脸重建 213
5.3.3 人是一种视觉动物 ：如何美化你的照片219
5.4 Skanect ：使用 Kinect 实现 3D 扫描 223
5.5 头发修补 ：3D 照相馆的头痛问题225
5.5.1 使用 3D-Coat ZBrush 软件手工修补发型226
5.5.2 基于视觉计算自动修补发型 230
5.5.3 Geomagic Studio ：更通用的任意形状修补234
5.6 3D 人脸表情形变与编辑 241
5.7 直接全彩打印，还是单色打印再上色 245
5.8 3D 打印数字化设计技巧 247
5.8.1 3DS Max 建模用于 3D 打印 247
5.8.2 Rhino（犀牛软件）进行 3D 复杂曲面建模251
5.8.3 SketchUp 进行草图 3D 快速建模 255
5.8.4 NetfabbMagics ：修正你的 STL 打印文件259
5.8.5 使用 AccuTrans 3D 转换 3D 文件格式 262
第6章 视觉计算：构建3D打印的杀手级应用 264
6.1 视觉计算 ：计算机视觉与计算机图形学的融合264
6.2 3D 打印批量定制的智能实现266
6.2.1 个性特征的描述与检测 267
6.2.2 个性特征的定位与匹配 271
6.2.3 个性化形状的编辑与合成 276
6.3 立体视觉重建 ：将照片转成 3D 数字模型 281
6.3.1 摄像机定标 281
6.3.2 基于立体视觉、SFM 和 Visual Hull 的三维重建 288
6.4 众里寻她千百度──海量 3D 模型的形状检索291
6.4.1 线性分类与感知机模型 291
6.4.2 支持向量机 SVM 与逻辑回归 LR 294
6.4.3 基于内容的 3D 模型检索 297
6.5 形状拆解 ：大尺寸物件的自动分块打印 301
6.6 形状分析 ：优化 3D 打印形状的表现力 303
6.7 形状平衡 ：如何确保 3D 物件站立稳当 309
6.8 形状优化 ：生成坚固的内部轻质结构使得耗材最省311
6.9 基于笔画的 3D 建模 ：让新手和孩子轻松设计形状315
6.9.1 Doodle3D ：3D 设计就像涂鸦一样简单316
6.9.2 TeddyFiberMesh ：更精准的 3D 笔画建模318
6.9.3 3-Sweep 技术 ：轻松让照片中的 2D 物体变 3D 模型319
6.9.4 神笔马良3Doodler ：用笔直接画出 3D 线框实物321
6.10 增强现实 ：在打印之前看到融入环境的真实效果322
6.11 3D 网格上的艺术──数字几何处理 323
6.11.1 3D 模型的获取、配准与重建 324
6.11.2 3D 网格的几何拓扑修复 325
6.11.3 3D 网格平滑与去噪 326
6.11.4 重网格化和子分网格 329
6.11.5 3D 网格压缩 330
6.11.6 3D 网格分割 331
6.11.7 3D 网格的参数化 332
6.11.8 3D 网格的交叉参数化（一致对应）335
6.11.9 3D 网格形变、编辑与动画 336
6.11.10 3D 数据重定向技术 337
6.11.11 数字几何处理框架 338
6.12 OpenCV 与 OpenGL ：视觉计算入门的两大利器339
6.12.1 OpenCV 与 AdaBoost 人脸检测 339
6.12.2 OpenGL 与 3D 图形绘制344
6.12.3 再论 ：向量 矩阵、欧拉角与四元数（Quaternion）348
第7章 创客：个人3D打印机的创造者353
7.1 创客文化与开源 DIY 353
7.2 五花八门的创客杰作 ：从玩具到高速跑车355
7.3 寓教于乐 ：3D 打印出你的个人数学博物馆359
7.4 创客之开源硬件 Arduino（阿德伟诺） 363
7.4.1 Arduino 简介 363
7.4.2 初窥 Arduino 364
7.4.3 牛刀小试 ：叩开 Arduino 之门 366
7.5 创客之开源软件 Android（安卓）367
7.5.1 An
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推荐序一
2013 年 4 月看过吴怀宇博士给《中国科学报》撰写的关于 3D 打印的技术评论专栏，感觉写得十分顺畅。现在很高兴得知他的《3D 打印 ：三维智能数字化创造》一书也即将出版了，更是神速！
3D 打印近年来在国内外受到广泛关注，网络、报刊、媒体上都有铺天盖地的密集报道。新闻报道虽然可以及时反映 3D 打印技术的最新进展，但呈现给普通读者的观感难免有些碎片化，不便于获得系统化的了解和认识，尤其是 3D 打印机几乎无所不能地被应用到各个领域，从航空航天、汽车、医疗，到时装、食品、武器等，给人一种眼花缭乱的感觉。《3D 打印 ：三维智能数字化创造》出版得非常及时，是一本很值得读的书。该书不仅对 3D 打印的来龙去脉、原理结构、各种工艺方法做了系统阐述，而且还对 3D 智能数字化的理论方法、应用技术以及最新进展也做了详尽的介绍。将这两个密切相关的新兴学科关联起来进行表述，使得读者能够从整体上把握 3D 数字化打印的脉络框架。此外，难能可贵的是，吴怀宇博士非常耐心地以通俗易懂的文字解释书中出现的每一个术语和技术细节，辅以图文并茂的形式，使得本书能够被广大普通读者所接受。
近些年来，我也非常关注 3D 打印和社会制造方面的研究进展，并曾于 2012 年在《中国科学院院刊》上发表过一篇题为从社会计算到社会制造 ：一场即将来临的产业革命的文章。借怀宇的新著，我对 3D 打印和社会制造谈一点自己的体会和看法，抛砖引玉，同大家一起探讨。
具体说来，源自快速成型和快速制造，以 3D 打印技术为核心手段的加式制造（Additive Manufacturing），被许多人认为是一项将要改变世界的破坏性新技术，已引起全球性的关注。加式制造是相对于减式制造而言的，两者过去都不是严格意义下的制造专业术语。所谓减式制造，即通过模具、车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品的工艺过程与设备的总称，其特征为利用缩削、减少材料来生产部件。而近十年来，随着快速成型、快速制造、3D 打印等技术的成熟与普及，加式制造已成为日益风行的制造专业术语。与减式制造相反，加式制造的主要特征就是利用逐层增加材料的方式生产各种产品，无须模具，因此也被称为无形制造技术（Freeform Fabrication，简称 FF 或 FFF）。
2012 年 3 月，英国《经济学人》杂志以新一轮工业革命为主题，声称 3D 打印技术即将引发新的工业革命浪潮，并认为生产制造将从大型、复杂、昂贵的传统工业过程中分离出来，凡是能接上电源的任何计算机都能够成为灵巧的生产工厂 ；人类将以新的方式合作进行生产制造，制造过程与管理模式将发生深刻变革，目前的制造格局必将被打破。
然而，正如蒸汽机促成第一次工业革命是通过引发人类理念的变革来达成的，3D 打印机要催生新的产业革命，也必须通过诱发新的人类理念转化来实现。问题是 ：新的理念是什么？
我们认为，这一新的理念即便不直接是社会制造，也一定与社会制造直接相关。社会制造可使传统企业转变为能够主动感知并且响应用户大规模定制需求的智能企业，其核心就是主动、实时地将社会需求与社会制造能力有机地衔接起来，从而有效地实现需求和供应之间的相互转化。为此，我们必须把社会搜索、社会计算、社会制造等相关的新兴领域有机地结合起来，将互联网、物联网和物流网与 3D 打印机组成的社会制造网无缝地连接，通过众包等方式使社会民众充分参与产品各个环节的全生命制造过程，促成个性化、实时化、经济化的生产和消费模式，形成新的产业革命。
正如 Google 依靠大规模的计算机服务器阵列满足人们信息搜索的需求，从而改变人类生活与工作方式一样，我们可以设想未来的 3D 打印机也将组成大规模的社会制造阵列，实时方便地满足人类对各种个性化产品的物质需求，使生活和产业中的长尾效应常态化，进而更加深刻地改变我们生活的社会。这就是为什么 3D 打印将改变我们的世界，社会制造将带来一场产业革命的真正原因。
中国作为今日世界制造业大国之地位正面临着严峻的挑战，西方媒体甚至直白地宣称 ：天将变了，未来的制造业将再次回流到先进发达国家，美国制造，出口中国的新时代即将来临！就连美国前总统奥巴马也在 2013 年 11 月的国情咨询讲话里特别强调 3D 打印技术，全美国上下要将其视为拯救美国制造业的希望之光。
参照信息行业的发展历程，我们认为，快速成型相当于 20 世纪 60 年代的专用和大型计算机，3D 打印机则相当于 20 世纪 70 年代的个人 PC 和苹果台式计算机。令人担忧的是，我们在这一新兴领域目前所处的地位，差不多就是半个世纪前我国在世界信息行业所处的地位！
显然，我们必须尽快补上 3D 打印这一课，但我们切不可忘记信息行业在个人计算机出现之后浪潮般的发展进程 ：Microsoft 的快速崛起，还有随之而来的 Oracle、Yahoo、Amazon、eBay、Google、Facebook、Twitter，国内的百度、阿里巴巴、QQ 和微博等。以目前的情况判断，3D 打印的核心价值将完整体现于社会制造的发展与成熟的过程当中。社会制造对于制造行业而言，就是信息行业中从 Microsoft 至 Amazon，再到 Google 和 Twitter 的一体化合成，可视为虚拟网络世界与真实物理世界的首次完美结合。因此，在关于 3D 打印机之大量媒体渲染的背后，社会制造才应当是我们关注的要点，否则，我们可能错失良机，一误再误，代价将难以估量。
在社会制造的环境中，大批 3D 打印机形成制造网络，并与互联网、物联网和物流网无缝连接，形成复杂的社会制造网络系统，实时地满足人们的各种需求。消费者与企业通过网络世界能够随时随地参与到生产流程之中，社会需求与社会生产能力将实时有效地结合在一起，想法到产品（Mind to Product），需求就是搜索，搜索就是制造，制造就是消费将成为现实。因此，社会制造必将极大地刺激社会需求，同时有效地提升整个社会的参与程度，其直接结果就是社会就业率的大幅度提高。而且，加速发展社会制造产业，不但能够解除我国长期在模具和材料工业落后受制于人的不利局面，还可以使我国蓬勃发展的社会媒体和网络文化得到进一步的升华，使其成为促进社会经济科学发展的有力工具 ：从被动到主动，从消极到积极。
另一方面，社会计算也将发挥关键性的作用，从专注社会舆情分析到满足社会经济需求，为社会制造的发展与成功提供有力保障。首先，社会计算为社会制造提供了主动及时地掌握社会需求的必要手段，从而能够在大数据时代环境下直接用数据考察、研究各类问题。其次，社会制造涉及人的行为与需求，对许多问题由于时间、经济、法律和道德上的原因无法进行传统的实验，而社会计算则能够以计算实验的方式弥补这一缺陷。最后，社会计算的平行管理与控制为落实社会制造的运营和支持各种决策提供了一个有效的操作平台。
一言蔽之，社会制造的关键就是通过社会计算，主动、实时地将社会需求与社会制造能力有机地衔接起来，从而有效地实现需求和供应之间的相互转化过程。由于存在于社会媒体上的大数据具有动态性、多样性、虚实交互性、复杂性和不确定性等特点，如何计算获得有用的信息，并从中挖掘出一般规律是一个极其具有挑战性的问题。我们必须以物联网、云计算为手段，采用机器学习、数据挖掘、模式识别、人工智能等领域的理论、技术和方法，研发可计算的智能社会媒体数据信息处理机制。为此，必须把社会计算和社会制造这两个密切相关的新兴领域有机地结合起来，这将对于提高我国制造业的竞争力、加速产业升级和转型、扩大社会内需、繁荣国家经济，具有至关重要的战略意义。
2007 年，在参加编写《中国至 2050 年先进制造科技发展路线图》的过程中，加式制造引起了我们的注意，但当时由于专家意见不一致，特别是人力、物力和时间的缺乏，只能将加式制造作为实验室的一个跟踪课题予以关注。然而，3D 打印技术和社会制造的发展速度却大大超过我们的预期。很明显，社会制造是计算机和互联网引发的信息革命之后的又一场产业革命，而且是一场虚实结合的革命，其规模和速度都将是前所未有的，意义重大，并更具挑战性。这场革命对从业人员的素质与专业水平，以及运营环境的要求都与我们现行的教育科研和产业管理体制有明显的冲突。如不认真应对，轻则可能发生西方国家所期望的制造业从中国等发展中国家向发达国家回流的现象，重则严重影响中华民族复兴的伟业。
希望像蒸汽机一样，3D 打印机能够通过社会制造的理念和实践，使人类社会再一次从以开发地下资源为主的工业社会，一步跃入以开发地上数据和智力资源为特征的智业社会，充分发挥人类共有的智力，使数据真正成为驱动和支撑大数据时代社会发展的石油和黄金矿藏。
正如怀宇博士在书中提到的，3D 打印是个技术密集型的行业，需要依托包括信息技术、精密机械和材料科学等多个学科领域的共同发展，才能加速中国制造转型升级为中国智造的过程，并以此推动全球第四次工业革命。在此衷心期望各界人士能够齐心协力、携手并进，共同抓住这次伟大技术变革的历史机遇，一起实现我国科技的跨越式发展。
王飞跃 研究员
中国科学院自动化研究所
复杂系统管理与控制国家重点实验室 主任
IEEE Transactions on ITS 主编、中国自动化学会秘书长
推荐序二
3D 打印火了。
实际上，作为技术本身，3D 打印并不新鲜。30 年前，3D 打印就已出
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