3D打印：三維智能數(shù)字化創(chuàng)造（第3版 全彩）

第1章 3D打印與“全球第四次工業(yè)革命” 1
1.1 3D 打印 ：體驗(yàn)造物奇跡 1
1.2 全球第四次工業(yè)革命的導(dǎo)火索 11
1.2.1 從“第一次工業(yè)革命”到“第四次工業(yè)革命” 11
1.2.2 3D 打印的顯著優(yōu)勢(shì) 12
1.2.3 3D 打印的應(yīng)用現(xiàn)狀 14
1.3 對(duì) 3D 打印的質(zhì)疑 16
1.3.1 來(lái)自傳統(tǒng)制造業(yè)大佬的質(zhì)疑 ：不看好 3D 打印 16
1.3.2 關(guān)于“3D 打印技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性”釋疑 17
1.3.3 關(guān)于“3D 打印技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性”釋疑 17
1.3.4 關(guān)于“3D 打印產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)性”釋疑 19
1.4 3D 智能數(shù)字化與 3D 打印 ：用“虛擬”再造“現(xiàn)實(shí)” 20
1.4.1 3D 智能數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 21
1.4.2 智能數(shù)字化掃描技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 22
1.4.3 智能云網(wǎng) ：云端智能服務(wù)和云制造 23
1.4.4 3D 打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 24
1.5 創(chuàng)客 DIY ：新工業(yè)革命的啟蒙運(yùn)動(dòng) 26
1.5.1 以小博大 ：創(chuàng)客挑戰(zhàn)巨頭公司 27
1.5.2 聚沙成塔 ：改變工業(yè)社會(huì)的組成結(jié)構(gòu) 28
1.6 “中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”轉(zhuǎn)變的機(jī)遇 29
1.6.1 “中國(guó)制造”須轉(zhuǎn)型升級(jí) 29
1.6.2 來(lái)自“德國(guó)制造”的啟示 30
1.6.3 “中國(guó)智造”的發(fā)展機(jī)遇 31
第2章 3D打印機(jī)的原理與種類(lèi) 37
2.1 3D 打印時(shí)間簡(jiǎn)史──源自 1860 年 37
2.2 3D 打印機(jī)的工作原理和家族 41
2.2.1 3D 打印機(jī)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(jié)成型（噴墨沉積） 44
2.2.4 SLS ：選擇性激光燒結(jié) 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(shù)（Material Jetting ：材料噴射） 50
2.2.7 DLP ：數(shù)字光處理 51
2.2.8 LOM ：分層實(shí)體制造 53
2.3 塑料還是石膏 3D 打印機(jī)的各種耗材 55
2.3.1 ABS ：應(yīng)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(huán)保的生物塑料 59
2.3.8 PETG（共聚酯） 60
2.3.9 PCL（聚己內(nèi)酯） 61
2.3.10 光敏樹(shù)脂 ：精細(xì)成型的液態(tài)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(zhì) 65
2.4 金屬 3D 打印技術(shù)大盤(pán)點(diǎn) 72
2.4.1 SLS、SLM 和 DMLS 技術(shù) 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(shù)小結(jié) 80
2.5 兩大陣營(yíng) ：工業(yè)級(jí)打印機(jī)與桌面級(jí)打印機(jī) 81
2.5.1 工業(yè)級(jí)打印機(jī) ：兩個(gè)巨頭的主戰(zhàn)場(chǎng) 82
2.5.2 桌面級(jí)打印機(jī) ：創(chuàng)客們的多樣世界 87
2.6 3D 打印與傳統(tǒng)手辦模型制作 92
2.7 3D 打印機(jī)購(gòu)買(mǎi)指南 93
第3章 剖析3D打印機(jī)：輪子是怎樣發(fā)明的 98
3.1 RepRap ：開(kāi)源 3D 打印機(jī)的鼻祖和奠基石 98
3.2 MakerBot 與 Ultimaker ：桌面雙雄 99
3.3 Ultimaker 組裝實(shí)戰(zhàn) 101
3.3.1 Ultimaker 新到貨開(kāi)箱照 102
3.3.2 搭建框架 102
3.3.3 X/Y/Z 軸電機(jī) 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(tái) 112
3.3.7 送料機(jī) 116
3.3.8 Ultimaker 的大腦 ：電路板 117
3.3.9 大功告成 ：一臺(tái)完整的打印機(jī) 121
3.3.10 Gcode 與前臺(tái)軟件 Cura 使用指南 123
3.3.11 Ultimaker 打印成果實(shí)例 128
3.4 MakerBot Replicator 2 與 MakerWare 打印實(shí)戰(zhàn) 129
3.4.1 MakerWare 進(jìn)行切片和打印 129
3.4.2 ReplicatorG 控制前臺(tái)的設(shè)置 ：雙噴頭打印雙色模型 135
3.4.3 MakerBot Replicator 2 打印成果實(shí)例 137
3.5 3D 打印疑問(wèn)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(kāi)始打印 141
3.5.7 如何調(diào)平打印平臺(tái)（粗調(diào)和精調(diào)） 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(dǎo)管 142
3.5.11 為什么我的送料機(jī)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(wú)法粘牢打印平臺(tái) 143
3.5.14 打印出的東西粘不牢平臺(tái) 143
3.5.15 用輔助盤(pán)（Helper Disk）解決翹邊問(wèn)題 143
3.5.16 噴頭位置偏移，擠出頭坐標(biāo)異常 144
3.5.17 為什么打印的圓是橢圓 145
3.5.18 電機(jī)不轉(zhuǎn)，像得了帕金森癥抖個(gè)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(jī)需要日常維護(hù)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(jìn)行打印模擬和打印預(yù)覽 146
3.5.24 打印失敗后是什么樣子 146
3.6 如何設(shè)計(jì)和設(shè)置一臺(tái)高精度的 3D 打印機(jī) 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(lái)更光滑 150
第4章 3D智能數(shù)字化：3D打印的孿生兄弟 153
4.1 不以規(guī)矩，不成方圓——STL 數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)文件解析 153
4.2 3D 智能數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù) 156
4.2.1 “所想即所得”：3D 設(shè)計(jì)的新境界 156
4.2.2 商業(yè)設(shè)計(jì)軟件 ：3D 設(shè)計(jì)的重型武器（Maya、UG） 161
4.2.3 殺雞焉用牛刀 ：基于網(wǎng)頁(yè)的設(shè)計(jì)軟件（Tinkercad、3DTin） 167
4.3 3D 智能數(shù)字化掃描技術(shù) 169
4.3.1 光學(xué)三維掃描儀的原理和實(shí)例（激光、結(jié)構(gòu)白光） 172
4.3.2 基于 Kinect 的 3D 掃描原理和設(shè)備（紅外光斑、ToF） 177
4.3.3 房地產(chǎn)行業(yè)的新應(yīng)用 ：室內(nèi) 3D 掃描建模 183
4.4 面向“批量定制”和“柔性制造”的智能數(shù)字化 184
4.5 智能云網(wǎng) ：云端智能服務(wù)和云制造 185
4.6 大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí) ：3D 打印內(nèi)容的挖掘與推薦 186
4.6.1 什么是大數(shù)據(jù) 187
4.6.2 大數(shù)據(jù)背景下的個(gè)性化推薦系統(tǒng) 189
4.6.3 深度學(xué)習(xí) ：像人腦一樣深層次地思考 192
第5章 3D智能數(shù)字化與3D照相館：科學(xué)與藝術(shù)的結(jié)合 200
5.1 那些年，我們一起追過(guò)的 3D 照相館 201
5.1.1 細(xì)數(shù)國(guó)內(nèi)外的 3D 照相館 201
5.1.2 3D 照相館的設(shè)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(shù) ：3D 智能數(shù)字化 206
5.3 基于圖像的 3D 人臉重建技術(shù) 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(jué)動(dòng)物 ：如何美化你的照片 219
5.4 Skanect ：使用 Kinect 實(shí)現(xiàn) 3D 掃描 223
5.5 頭發(fā)修補(bǔ) ：3D 照相館的頭痛問(wèn)題 225
5.5.1 使用 3D-Coat/ ZBrush 軟件手工修補(bǔ)發(fā)型 226
5.5.2 基于視覺(jué)計(jì)算自動(dòng)修補(bǔ)發(fā)型 230
5.5.3 Geomagic Studio ：更通用的任意形狀修補(bǔ) 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(shù)字化設(shè)計(jì)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(jìn)行 3D 復(fù)雜曲面建模 251
5.8.3 SketchUp 進(jìn)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(zhuǎn)換 3D 文件格式 262
第6章 視覺(jué)計(jì)算：構(gòu)建3D打印的殺手級(jí)應(yīng)用 264
6.1 視覺(jué)計(jì)算 ：計(jì)算機(jī)視覺(jué)與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的融合 264
6.2 3D 打印“批量定制”的智能實(shí)現(xiàn) 266
6.2.1 個(gè)性特征的描述與檢測(cè) 267
6.2.2 個(gè)性特征的定位與匹配 271
6.2.3 個(gè)性化形狀的編輯與合成 276
6.3 立體視覺(jué)重建 ：將照片轉(zhuǎn)成 3D 數(shù)字模型 281
6.3.1 攝像機(jī)定標(biāo) 281
6.3.2 基于立體視覺(jué)、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(xiàn)性分類(lèi)與感知機(jī)模型 291
6.4.2 支持向量機(jī) SVM 與邏輯回歸 LR 294
6.4.3 基于內(nèi)容的 3D 模型檢索 297
6.5 形狀拆解 ：大尺寸物件的自動(dòng)分塊打印 301
6.6 形狀分析 ：優(yōu)化 3D 打印形狀的表現(xiàn)力 303
6.7 形狀平衡 ：如何確保 3D 物件站立穩(wěn)當(dāng) 309
6.8 形狀優(yōu)化 ：生成堅(jiān)固的內(nèi)部輕質(zhì)結(jié)構(gòu)使得耗材最省 311
6.9 基于筆畫(huà)的 3D 建模 ：讓新手和孩子輕松設(shè)計(jì)形狀 315
6.9.1 Doodle3D ：3D 設(shè)計(jì)就像涂鴉一樣簡(jiǎn)單 316
6.9.2 Teddy/FiberMesh ：更精準(zhǔn)的 3D 筆畫(huà)建模 318
6.9.3 3-Sweep 技術(shù) ：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(huà)出 3D 線(xiàn)框?qū)嵨? 321
6.10 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) ：在打印之前看到融入環(huán)境的真實(shí)效果 322
6.11 3D 網(wǎng)格上的藝術(shù)──數(shù)字幾何處理 323
6.11.1 3D 模型的獲取、配準(zhǔn)與重建 324
6.11.2 3D 網(wǎng)格的幾何拓?fù)湫迯?fù) 325
6.11.3 3D 網(wǎng)格平滑與去噪 326
6.11.4 重網(wǎng)格化和子分網(wǎng)格 329
6.11.5 3D 網(wǎng)格壓縮 330
6.11.6 3D 網(wǎng)格分割 331
6.11.7 3D 網(wǎng)格的參數(shù)化 332
6.11.8 3D 網(wǎng)格的交叉參數(shù)化（一致對(duì)應(yīng)） 335
6.11.9 3D 網(wǎng)格形變、編輯與動(dòng)畫(huà) 336
6.11.10 3D 數(shù)據(jù)重定向技術(shù) 337
6.11.11 數(shù)字幾何處理框架 338
6.12 OpenCV 與 OpenGL ：視覺(jué)計(jì)算入門(mén)的兩大利器 339
6.12.1 OpenCV 與 AdaBoost 人臉檢測(cè) 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(shù)（Quaternion） 348
第7章 創(chuàng)客：個(gè)人3D打印機(jī)的創(chuàng)造者 353
7.1 創(chuàng)客文化與開(kāi)源 DIY 353
7.2 五花八門(mén)的創(chuàng)客杰作 ：從玩具到高速跑車(chē) 355
7.3 寓教于樂(lè) ：3D 打印出你的個(gè)人數(shù)學(xué)博物館 359
7.4 創(chuàng)客之開(kāi)源硬件 Arduino（阿德偉諾） 363
7.4.1 Arduino 簡(jiǎn)介 363
7.4.2 初窺 Arduino 364
7.4.3 牛刀小試 ：叩開(kāi) Arduino 之門(mén) 366
7.5 創(chuàng)客之開(kāi)源軟件 Android（安卓） 367
7.5.1 An