《經濟學人》等主流媒體稱3D打印將引發新一輪工業革命。本書從產業經濟的宏觀視角對3D打印、3D智能數字化、創客、中國智造、全球第四次工業革命這五者的關系進行了詳盡討論。本書從專業技術的角度對3D打印的原理、結構和工藝方法做了詳細介紹，包括10多種典型成型工藝的優劣分析和比較，手把手、從無到有地組裝一臺3D打印機等。3D智能數字化是3D打印的基礎和關鍵，涉及3D計算機圖形學、計算機視覺、模式識別、機器學習等領域。本書以通俗易懂、娓娓道來的方式對它們進行了詳細講解。
業內專家王飛躍、黃明明、張正友、楊明玄、楊睿剛、舒暢傾情作序、聯袂力薦。
全面系統地介紹了3D打印與3D智能數字化技術
詳細論述了3D打印和人工智能的現狀和未來
包括3D智能數字化理論和方法的進展
包含豐富的創客實踐（組裝3D打印機，開設3D照相館，制作四軸飛行器等）
內容豐富全面、通俗易懂，講解深入淺出、從零起步
推薦序一
2013 年 4 月看過吳懷宇博士給《中國科學報》撰寫的關于 3D 打印的技術評論專欄，感覺寫得十分順暢。現在很高興得知他的《3D 打印 ：三維智能數字化創造》一書也即將出版了，更是神速！
3D 打印近年來在國內外受到廣泛關注，網絡、報刊、媒體上都有鋪天蓋地的密集報道。新聞報道雖然可以及時反映 3D 打印技術的最新進展，但呈現給普通讀者的觀感難免有些碎片化，不便于獲得系統化的了解和認識，尤其是 3D 打印機幾乎無所不能地被應用到各個領域，從航空航天、汽車、醫療，到時裝、食品、武器等，給人一種眼花繚亂的感覺。《3D 打印 ：三維智能數字化創造》出版得非常及時，是一本很值得讀的書。該書不僅對 3D 打印的來龍去脈、原理結構、各種工藝方法做了系統闡述，而且還對 3D 智能數字化的理論方法、應用技術以及最新進展也做了詳盡的介紹。將這兩個密切相關的新興學科關聯起來進行表述，使得讀者能夠從整體上把握 3D 數字化打印的脈絡框架。此外，難能可貴的是，吳懷宇博士非常耐心地以通俗易懂的文字解釋書中出現的每一個術語和技術細節，輔以圖文并茂的形式，使得本書能夠被廣大普通讀者所接受。
近些年來，我也非常關注 3D 打印和社會制造方面的研究進展，并曾于 2012 年在《中國科學院院刊》上發表過一篇題為從社會計算到社會制造 ：一場即將來臨的產業革命的文章。借懷宇的新著，我對 3D 打印和社會制造談一點自己的體會和看法，拋磚引玉，同大家一起探討。
具體說來，源自快速成型和快速制造，以 3D 打印技術為核心手段的加式制造（Additive Manufacturing），被許多人認為是一項將要改變世界的破壞性新技術，已引起全球性的關注。加式制造是相對于減式制造而言的，兩者過去都不是嚴格意義下的制造專業術語。所謂減式制造，即通過模具、車銑等機械加工技術與工具將原材料轉化成產品的工藝過程與設備的總稱，其特征為利用縮削、減少材料來生產部件。而近十年來，隨著快速成型、快速制造、3D 打印等技術的成熟與普及，加式制造已成為日益風行的制造專業術語。與減式制造相反，加式制造的主要特征就是利用逐層增加材料的方式生產各種產品，無須模具，因此也被稱為無形制造技術（Freeform Fabrication，簡稱 FF 或 FFF）。
2012 年 3 月，英國《經濟學人》雜志以新一輪工業革命為主題，聲稱 3D 打印技術即將引發新的工業革命浪潮，并認為生產制造將從大型、復雜、昂貴的傳統工業過程中分離出來，凡是能接上電源的任何計算機都能夠成為靈巧的生產工廠 ；人類將以新的方式合作進行生產制造，制造過程與管理模式將發生深刻變革，目前的制造格局必將被打破。
然而，正如蒸汽機促成第一次工業革命是通過引發人類理念的變革來達成的，3D 打印機要催生新的產業革命，也必須通過誘發新的人類理念轉化來實現。問題是 ：新的理念是什么？
我們認為，這一新的理念即便不直接是社會制造，也一定與社會制造直接相關。社會制造可使傳統企業轉變為能夠主動感知并且響應用戶大規模定制需求的智能企業，其核心就是主動、實時地將社會需求與社會制造能力有機地銜接起來，從而有效地實現需求和供應之間的相互轉化。為此，我們必須把社會搜索、社會計算、社會制造等相關的新興領域有機地結合起來，將互聯網、物聯網和物流網與 3D 打印機組成的社會制造網無縫地連接，通過眾包等方式使社會民眾充分參與產品各個環節的全生命制造過程，促成個性化、實時化、經濟化的生產和消費模式，形成新的產業革命。
正如 Google 依靠大規模的計算機服務器陣列滿足人們信息搜索的需求，從而改變人類生活與工作方式一樣，我們可以設想未來的 3D 打印機也將組成大規模的社會制造陣列，實時方便地滿足人類對各種個性化產品的物質需求，使生活和產業中的長尾效應常態化，進而更加深刻地改變我們生活的社會。這就是為什么 3D 打印將改變我們的世界，社會制造將帶來一場產業革命的真正原因。
中國作為今日世界制造業大國之地位正面臨著嚴峻的挑戰，西方媒體甚至直白地宣稱 ：天將變了，未來的制造業將再次回流到先進發達國家，美國制造，出口中國的新時代即將來臨！就連美國前總統奧巴馬也在 2013 年 11 月的國情咨詢講話里特別強調 3D 打印技術，全美國上下要將其視為拯救美國制造業的希望之光。
參照信息行業的發展歷程，我們認為，快速成型相當于 20 世紀 60 年代的專用和大型計算機，3D 打印機則相當于 20 世紀 70 年代的個人 PC 和蘋果臺式計算機。令人擔憂的是，我們在這一新興領域目前所處的地位，差不多就是半個世紀前我國在世界信息行業所處的地位！
顯然，我們必須盡快補上 3D 打印這一課，但我們切不可忘記信息行業在個人計算機出現之后浪潮般的發展進程 ：Microsoft 的快速崛起，還有隨之而來的 Oracle、Yahoo、Amazon、eBay、Google、Facebook、Twitter，國內的百度、阿里巴巴、QQ 和微博等。以目前的情況判斷，3D 打印的核心價值將完整體現于社會制造的發展與成熟的過程當中。社會制造對于制造行業而言，就是信息行業中從 Microsoft 至 Amazon，再到 Google 和 Twitter 的一體化合成，可視為虛擬網絡世界與真實物理世界的首次完美結合。因此，在關于 3D 打印機之大量媒體渲染的背后，社會制造才應當是我們關注的要點，否則，我們可能錯失良機，一誤再誤，代價將難以估量。
在社會制造的環境中，大批 3D 打印機形成制造網絡，并與互聯網、物聯網和物流網無縫連接，形成復雜的社會制造網絡系統，實時地滿足人們的各種需求。消費者與企業通過網絡世界能夠隨時隨地參與到生產流程之中，社會需求與社會生產能力將實時有效地結合在一起，想法到產品（Mind to Product），需求就是搜索，搜索就是制造，制造就是消費將成為現實。因此，社會制造必將極大地刺激社會需求，同時有效地提升整個社會的參與程度，其直接結果就是社會就業率的大幅度提高。而且，加速發展社會制造產業，不但能夠解除我國長期在模具和材料工業落后受制于人的不利局面，還可以使我國蓬勃發展的社會媒體和網絡文化得到進一步的升華，使其成為促進社會經濟科學發展的有力工具 ：從被動到主動，從消極到積極。
另一方面，社會計算也將發揮關鍵性的作用，從專注社會輿情分析到滿足社會經濟需求，為社會制造的發展與成功提供有力保障。首先，社會計算為社會制造提供了主動及時地掌握社會需求的必要手段，從而能夠在大數據時代環境下直接用數據考察、研究各類問題。其次，社會制造涉及人的行為與需求，對許多問題由于時間、經濟、法律和道德上的原因無法進行傳統的實驗，而社會計算則能夠以計算實驗的方式彌補這一缺陷。最后，社會計算的平行管理與控制為落實社會制造的運營和支持各種決策提供了一個有效的操作平臺。
一言蔽之，社會制造的關鍵就是通過社會計算，主動、實時地將社會需求與社會制造能力有機地銜接起來，從而有效地實現需求和供應之間的相互轉化過程。由于存在于社會媒體上的大數據具有動態性、多樣性、虛實交互性、復雜性和不確定性等特點，如何計算獲得有用的信息，并從中挖掘出一般規律是一個極其具有挑戰性的問題。我們必須以物聯網、云計算為手段，采用機器學習、數據挖掘、模式識別、人工智能等領域的理論、技術和方法，研發可計算的智能社會媒體數據信息處理機制。為此，必須把社會計算和社會制造這兩個密切相關的新興領域有機地結合起來，這將對于提高我國制造業的競爭力、加速產業升級和轉型、擴大社會內需、繁榮國家經濟，具有至關重要的戰略意義。
2007 年，在參加編寫《中國至 2050 年先進制造科技發展路線圖》的過程中，加式制造引起了我們的注意，但當時由于專家意見不一致，特別是人力、物力和時間的缺乏，只能將加式制造作為實驗室的一個跟蹤課題予以關注。然而，3D 打印技術和社會制造的發展速度卻大大超過我們的預期。很明顯，社會制造是計算機和互聯網引發的信息革命之后的又一場產業革命，而且是一場虛實結合的革命，其規模和速度都將是前所未有的，意義重大，并更具挑戰性。這場革命對從業人員的素質與專業水平，以及運營環境的要求都與我們現行的教育科研和產業管理體制有明顯的沖突。如不認真應對，輕則可能發生西方國家所期望的制造業從中國等發展中國家向發達國家回流的現象，重則嚴重影響中華民族復興的偉業。
希望像蒸汽機一樣，3D 打印機能夠通過社會制造的理念和實踐，使人類社會再一次從以開發地下資源為主的工業社會，一步躍入以開發地上數據和智力資源為特征的智業社會，充分發揮人類共有的智力，使數據真正成為驅動和支撐大數據時代社會發展的石油和黃金礦藏。
正如懷宇博士在書中提到的，3D 打印是個技術密集型的行業，需要依托包括信息技術、精密機械和材料科學等多個學科領域的共同發展，才能加速中國制造轉型升級為中國智造的過程，并以此推動全球第四次工業革命。在此衷心期望各界人士能夠齊心協力、攜手并進，共同抓住這次偉大技術變革的歷史機遇，一起實現我國科技的跨越式發展。
王飛躍 研究員
中國科學院自動化研究所
復雜系統管理與控制國家重點實驗室 主任
IEEE Transactions on ITS 主編、中國自動化學會秘書長
推薦序二
3D 打印火了。
實際上，作為技術本身，3D 打印并不新鮮。30 年前，3D 打印就已出
吳懷宇，博士，中國科學院副研究員，任職于中國科學院自動化研究所，模式識別國家重點實驗室（NLPR），中國-歐洲信息、自動化與應用數學聯合實驗室（LIAMA）。主要研究領域包括3D智能數字化打印、計算機三維視覺、視覺形狀感知分析與處理、計算機交互式圖形學等。目前擔任多個國際刊物的評審專家和國際程序委員會成員等學術任職，美國電氣與電子工程師學會（IEEE）、美國計算機協會（ACM）會員，ICCV/CVPR/ACCV國際程序委員會委員、程序主席秘書，以及北京市科學技術委員會項目評審專家、國家自然科學基金評審專家。
第1章 3D打印與全球第四次工業革命 1
1.1 3D 打印 ：體驗造物奇跡 1
1.2 全球第四次工業革命的導火索 11
1.2.1 從第一次工業革命到第四次工業革命 11
1.2.2 3D 打印的顯著優勢 12
1.2.3 3D 打印的應用現狀 14
1.3 對 3D 打印的質疑 16
1.3.1 來自傳統制造業大佬的質疑 ：不看好 3D 打印 16
1.3.2 關于3D 打印技術的可實現性釋疑 17
1.3.3 關于3D 打印技術的經濟性釋疑 17
1.3.4 關于3D 打印產業的成長性釋疑 19
1.4 3D 智能數字化與 3D 打印 ：用虛擬再造現實 20
1.4.1 3D 智能數字化設計技術的發展現狀 21
1.4.2 智能數字化掃描技術的發展現狀 22
1.4.3 智能云網 ：云端智能服務和云制造 23
1.4.4 3D 打印技術的發展現狀 24
1.5 創客 DIY ：新工業革命的啟蒙運動 26
1.5.1 以小博大 ：創客挑戰巨頭公司 27
1.5.2 聚沙成塔 ：改變工業社會的組成結構 28
1.6 中國制造向中國智造轉變的機遇 29
1.6.1 中國制造須轉型升級 29
1.6.2 來自德國制造的啟示 30
1.6.3 中國智造的發展機遇 31
第2章 3D打印機的原理與種類 37
2.1 3D 打印時間簡史──源自 1860 年 37
2.2 3D 打印機的工作原理和家族 41
2.2.1 3D 打印機的工作原理與流程 41
2.2.2 FDM ：熔融沉積成型（FFF ：熔絲制造） 42
2.2.3 3DP ：三維打印黏結成型（噴墨沉積） 44
2.2.4 SLS ：選擇性激光燒結 46
2.2.5 SLA ：光固化立體成型（立體光刻） 48
2.2.6 PolyJet ：多頭噴射技術（Material Jetting ：材料噴射） 50
2.2.7 DLP ：數字光處理 51
2.2.8 LOM ：分層實體制造 53
2.3 塑料還是石膏？ 3D 打印機的各種耗材 55
2.3.1 ABS ：應用最廣泛的工程塑料 56
2.3.2 EP（彈性塑料） 57
2.3.3 PA（尼龍） 57
2.3.4 PC（聚碳酸酯） 58
2.3.5 PEEK（聚醚醚酮） 58
2.3.6 PPSF（聚纖維酯） 59
2.3.7 PLA ：綠色環保的生物塑料 59
2.3.8 PETG（共聚酯） 60
2.3.9 PCL（聚己內酯） 61
2.3.10 光敏樹脂 ：精細成型的液態材料 62
2.3.11 金屬材料 ：不銹鋼、鈦合金、鎂鋁合金、金銀 62
2.3.12 更多 3D 打印材料 ：石膏、蠟、陶瓷、木質 65
2.4 金屬 3D 打印技術大盤點 72
2.4.1 SLS、SLM 和 DMLS 技術 72
2.4.2 LENS/LNSF/LPF/DMD/LC/LMD/DLF ：激光近凈成型 76
2.4.3 EBM ：電子束熔煉 78
2.4.4 EBDM ：電子束直接制造 80
2.4.5 金屬 3D 打印技術小結 80
2.5 兩大陣營 ：工業級打印機與桌面級打印機 81
2.5.1 工業級打印機 ：兩個巨頭的主戰場 82
2.5.2 桌面級打印機 ：創客們的多樣世界 87
2.6 3D 打印與傳統手辦模型制作 92
2.7 3D 打印機購買指南 93
第3章 剖析3D打印機：輪子是怎樣發明的 98
3.1 RepRap ：開源 3D 打印機的鼻祖和奠基石 98
3.2 MakerBot 與 Ultimaker ：桌面雙雄 99
3.3 Ultimaker 組裝實戰 101
3.3.1 Ultimaker 新到貨開箱照 102
3.3.2 搭建框架 102
3.3.3 X/Y/Z 軸電機 105
3.3.4 X/Y 軸承 107
3.3.5 擠出頭 109
3.3.6 Z 軸載物平臺 112
3.3.7 送料機 116
3.3.8 Ultimaker 的大腦 ：電路板 117
3.3.9 大功告成 ：一臺完整的打印機 121
3.3.10 Gcode 與前臺軟件 Cura 使用指南 123
3.3.11 Ultimaker 打印成果實例 128
3.4 MakerBot Replicator 2 與 MakerWare 打印實戰 129
3.4.1 MakerWare 進行切片和打印 129
3.4.2 ReplicatorG 控制前臺的設置 ：雙噴頭打印雙色模型 135
3.4.3 MakerBot Replicator 2 打印成果實例 137
3.5 3D 打印疑問與故障排解小貼士 138
3.5.1 模型的水密性（Watertight） 138
3.5.2 模型必須為流形（Manifold） 139
3.5.3 切片（Slice）與橫切面 140
3.5.4 層厚度（Layer Thickness） 140
3.5.5 支撐材料（Support Material） 140
3.5.6 如何開始打印 141
3.5.7 如何調平打印平臺（粗調和精調） 141
3.5.8 如何更換耗材（上料、退料） 142
3.5.9 我裝不了塑料絲 142
3.5.10 我取不出塑料絲導管 142
3.5.11 為什么我的送料機挖坑，但就是不吐絲 142
3.5.12 噴頭堵塞，如何處理 143
3.5.13 擠出的料無法粘牢打印平臺 143
3.5.14 打印出的東西粘不牢平臺 143
3.5.15 用輔助盤（Helper Disk）解決翹邊問題 143
3.5.16 噴頭位置偏移，擠出頭坐標異常 144
3.5.17 為什么打印的圓是橢圓 145
3.5.18 電機不轉，像得了帕金森癥抖個不停 145
3.5.19 為需要連接的零件選擇合適的容許公差 145
3.5.20 我的打印機需要日常維護嗎 145
3.5.21 異常情況如何中斷打印 145
3.5.22 如何將金屬零件放入我的 3D 塑料模型中 146
3.5.23 用 CNCSimulator 進行打印模擬和打印預覽 146
3.5.24 打印失敗后是什么樣子 146
3.6 如何設計和設置一臺高精度的 3D 打印機 147
3.6.1 影響打印精度的軟硬件因素 147
3.6.2 如何讓模型表面看起來更光滑 150
第4章 3D智能數字化：3D打印的孿生兄弟 153
4.1 不以規矩，不成方圓STL 數字標準文件解析 153
4.2 3D 智能數字化設計技術 156
4.2.1 所想即所得：3D 設計的新境界 156
4.2.2 商業設計軟件 ：3D 設計的重型武器（Maya、UG） 161
4.2.3 殺雞焉用牛刀 ：基于網頁的設計軟件（Tinkercad、3DTin） 167
4.3 3D 智能數字化掃描技術 169
4.3.1 光學三維掃描儀的原理和實例（激光、結構白光） 172
4.3.2 基于 Kinect 的 3D 掃描原理和設備（紅外光斑、ToF） 177
4.3.3 房地產行業的新應用 ：室內 3D 掃描建模 183
4.4 面向批量定制和柔性制造的智能數字化 184
4.5 智能云網 ：云端智能服務和云制造 185
4.6 大數據和深度學習 ：3D 打印內容的挖掘與推薦 186
4.6.1 什么是大數據 187
4.6.2 大數據背景下的個性化推薦系統 189
4.6.3 深度學習 ：像人腦一樣深層次地思考 192
第5章 3D智能數字化與3D照相館：科學與藝術的結合 200
5.1 那些年，我們一起追過的 3D 照相館 201
5.1.1 細數國內外的 3D 照相館 201
5.1.2 3D 照相館的設備及成本 202
5.1.3 3D 照相館贏利模式的探討 205
5.2 3D 照相館的核心技術 ：3D 智能數字化 206
5.3 基于圖像的 3D 人臉重建技術 209
5.3.1 基于單張照片的 3D 人臉重建及立體浮雕 210
5.3.2 基于多視角照片的 3D 人臉重建 213
5.3.3 人是一種視覺動物 ：如何美化你的照片 219
5.4 Skanect ：使用 Kinect 實現 3D 掃描 223
5.5 頭發修補 ：3D 照相館的頭痛問題 225
5.5.1 使用 3D-Coat/ ZBrush 軟件手工修補發型 226
5.5.2 基于視覺計算自動修補發型 230
5.5.3 Geomagic Studio ：更通用的任意形狀修補 234
5.6 3D 人臉表情形變與編輯 241
5.7 直接全彩打印，還是單色打印再上色 245
5.8 3D 打印數字化設計技巧 247
5.8.1 3DS Max 建模用于 3D 打印 247
5.8.2 Rhino（犀牛軟件）進行 3D 復雜曲面建模 251
5.8.3 SketchUp 進行草圖 3D 快速建模 255
5.8.4 Netfabb/Magics ：修正你的 STL 打印文件 259
5.8.5 使用 AccuTrans 3D 轉換 3D 文件格式 262
第6章 視覺計算：構建3D打印的殺手級應用 264
6.1 視覺計算 ：計算機視覺與計算機圖形學的融合 264
6.2 3D 打印批量定制的智能實現 266
6.2.1 個性特征的描述與檢測 267
6.2.2 個性特征的定位與匹配 271
6.2.3 個性化形狀的編輯與合成 276
6.3 立體視覺重建 ：將照片轉成 3D 數字模型 281
6.3.1 攝像機定標 281
6.3.2 基于立體視覺、SFM 和 Visual Hull 的三維重建 288
6.4 眾里尋她千百度──海量 3D 模型的形狀檢索 291
6.4.1 線性分類與感知機模型 291
6.4.2 支持向量機 SVM 與邏輯回歸 LR 294
6.4.3 基于內容的 3D 模型檢索 297
6.5 形狀拆解 ：大尺寸物件的自動分塊打印 301
6.6 形狀分析 ：優化 3D 打印形狀的表現力 303
6.7 形狀平衡 ：如何確保 3D 物件站立穩當 309
6.8 形狀優化 ：生成堅固的內部輕質結構使得耗材最省 311
6.9 基于筆畫的 3D 建模 ：讓新手和孩子輕松設計形狀 315
6.9.1 Doodle3D ：3D 設計就像涂鴉一樣簡單 316
6.9.2 Teddy/FiberMesh ：更精準的 3D 筆畫建模 318
6.9.3 3-Sweep 技術 ：輕松讓照片中的 2D 物體變 3D 模型 319
6.9.4 神筆馬良3Doodler ：用筆直接畫出 3D 線框實物 321
6.10 增強現實 ：在打印之前看到融入環境的真實效果 322
6.11 3D 網格上的藝術──數字幾何處理 323
6.11.1 3D 模型的獲取、配準與重建 324
6.11.2 3D 網格的幾何拓撲修復 325
6.11.3 3D 網格平滑與去噪 326
6.11.4 重網格化和子分網格 329
6.11.5 3D 網格壓縮 330
6.11.6 3D 網格分割 331
6.11.7 3D 網格的參數化 332
6.11.8 3D 網格的交叉參數化（一致對應） 335
6.11.9 3D 網格形變、編輯與動畫 336
6.11.10 3D 數據重定向技術 337
6.11.11 數字幾何處理框架 338
6.12 OpenCV 與 OpenGL ：視覺計算入門的兩大利器 339
6.12.1 OpenCV 與 AdaBoost 人臉檢測 339
6.12.2 OpenGL 與 3D 圖形繪制 344
6.12.3 再論 ：向量 / 矩陣、歐拉角與四元數（Quaternion） 348
第7章 創客：個人3D打印機的創造者 353
7.1 創客文化與開源 DIY 353
7.2 五花八門的創客杰作 ：從玩具到高速跑車 355
7.3 寓教于樂 ：3D 打印出你的個人數學博物館 359
7.4 創客之開源硬件 Arduino（阿德偉諾） 363
7.4.1 Arduino 簡介 363
7.4.2 初窺 Arduino 364
7.4.3 牛刀小試 ：叩開 Arduino 之門 366
7.5 創客之開源軟件 Android（安卓） 367
7.5.1 An
新書資訊