3D打印：三维智能数字化创造（第3版）(全彩)

图书标准信息

• 作者 吴怀宇 著
• 出版社 电子工业出版社
• 出版时间 2017-05
• 版次 3
• ISBN 9787121310638
• 定价 139.00元
• 装帧 平装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 516页
• 字数 867千字
• 正文语种 简体中文

【内容简介】

　　《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。

【作者简介】

　　吴怀宇，博士，中国科学院副研究员，中国3D科技创新产业联盟副理事长，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，ICCV/CVPR/ACCV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。

【目录】

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 LENS/LNSF/LPF/DMD/LC/LMD/DLF ：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 X/Y/Z 轴电机   105
3．3．4 X/Y 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 Netfabb/Magics ：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 Teddy/FiberMesh ：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 Android 概述   367
7．5．2 开发平台搭建   368
7．5．3 Android 之旅起航 ：Hello， Android!   370
7．6 靠创意去赚钱 ：漫谈 Kickstarter、Quirky 与 Shapeways  373
7．6．1 Kickstarter 众筹 ：靠创意去筹资 373
7．6．2 Quirky 创意加工厂 ：把创意变成产品 375
7．6．3 Shapeways 在线打印 ：把个性化产品定制出来 377
7．7 创客中国 ：中国版乔布斯和比尔 ? 盖茨的诞生地  378
7．7．1 国外创客为什么纷纷青睐中国 378
7．7．2 创客中国的背景优势 379
7．7．3 创客中国的市场细分定位 379

 

第8章 创客实战：四轴飞行器 381
8．1 你准备好了吗 ：自己制作四轴飞行器 381
8．2 器件与 3D 打印 382
8．2．1 四轴飞行器 DIY 所需的器件汇总 383
8．2．2 四轴飞行器的遥控器和接收机 384
8．2．3 四轴飞行器的飞行控制板 385
8．2．4 四轴飞行器电调的选用 386
8．2．5 四轴飞行器的无刷电机和螺旋桨 387
8．2．6 四轴飞行器的电池和充电器 388
8．2．7 四轴飞行器的连接线选用 389
8．2．8 四轴飞行器机架的 3D 打印  389
8．3 三轴陀螺仪和加速度计的入门与调试 390
8．4 自制基于 Arduino 的飞控板 393
8．4．1 四轴飞行器的基本电控结构 393
8．4．2 飞行控制板的制作 395
8．5 遥控开始 ：Android 手机的 Wi-Fi 通信 397
8．6 四轴飞行器的智能视觉跟踪  399
8．6．1 基于粒子滤波的目标跟踪算法 400
8．6．2 基于 Mean Shift（均值漂移）的目标跟踪算法  403

 

第9章 3D打印之不远的将来 406
9．1 3D 打印的未来 ：由创客们决定 406
9．1．1 几乎为零的设计和制造门槛 407
9．1．2 创客成就 3D 打印 407
9．2 手机应用 FabApp、App Store 与智能云网  409
9．3 不再仅仅是看着粗糙小型的 FDM  411
9．4 生物医疗打印 ：越来越近的科幻  412
9．5 美食打印机 ：“吃货”的钱最好赚  416
9．6 绿色经济 ：变沙漠为光影城市 419
9．7 安得广厦千万间 ：3D 打印房屋与陶瓷打印机  420
9．8 混合材料制造 ：3D 打印电路 424
9．9 枪支打印“让子弹飞”、版权与社会伦理 427
9．9．1 3D 打印引发社会公共安全的忧虑 427
9．9．2 版权保护的难题 429
9．9．3 社会伦理的思考及技术层面解决 431
9．10 3D 打印 3D 打印机自己 ：遗传与升级 432
9．11 3D 打印的经济模式 ：利基与长尾效应 433
9．12 “中国智造”推动“全球第四次工业革命”  436
9．12．1 新工业革命之“永不枯竭的绿色能源”  436
9．12．2 新工业革命之“3D 打印新材料”   437
9．12．3 新工业革命之“先进制造及 3D 打印”  438
9．12．4 新工业革命之“3D 智能数字化创造” 439

 

第10章 道：数字智能的最优化及相关数学方法  442
10．1 最优化理论的基本常识 443
10．1．1 从凸集和凸函数开始说起  443
10．1．2 无约束优化与约束优化 446
10．1．3 线性规划与非线性规划及其对偶（Dual）形式 447
10．1．4 澄清混淆 ：二次规划、二次收敛、二阶收敛  448
10．2 最优化根基之单变量“一维搜索” 449
10．2．1 初始搜索区域的加步探索法（进退法）  449
10．2．2 黄金分割搜索法（Golden Section Search）  450
10．2．3 斐波那契（Fibonacci）搜索法   451
10．2．4 牛顿法、抛物线法 451
10．2．5 不精确线搜索的 Armijo-Goldstein 准则及 Wolfe-Powell 准则   452
10．3 多变量的无约束优化 455
10．3．1 最速下降法（Steepest Descent，梯度下降法 Gradient Descent）  455
10．3．2 牛顿法（Newton） 455
10．3．3 拟牛顿法（Quasi-Newton）：DFP 和 BFGS 方法  456
10．3．4 共轭方向法（Conjugate Direction）  458
10．3．5 共轭梯度法（Conjugate Gradient） 459
10．3．6 Powell 直接法 459
10．4 最优化根基之“信赖域”460
10．4．1 Levenberg-Marquardt（L-M）方法  461
10．4．2 详解 L-M 方法的求解过程与步骤 462
10．5 最小二乘问题的求解 ．462
10．5．1 线性最小二乘问题的求解（正规化方法、QR 分解、SVD 分解）  463
10．5．2 非线性最小二乘问题（Gauss-Newton 方法）  464
10．6 约束优化问题的求解 ．464
10．6．1 等式约束的拉格朗日乘子法（Lagrange Multiplier）  464
10．6．2 不等式约束的 KKT（KT）条件 ．465
10．6．3 惩罚函数法（外点法、内点法） 466
10．7 最短路径与动态规划（Dynamic Programming）  467
10．8 “偶然中的必然”──概率与贝叶斯（Bayes）  468
10．8．1 先验概率、似然函数、后验概率、贝叶斯公式 468
10．8．2 朴素（Na?ve）贝叶斯分类 469
10．8．3 最大似然估计、最大后验概率估计、贝叶斯估计、EM 算法   471
10．8．4 贝叶斯学派与频率学派之争论 475
参考文献   477
跋 488
作者简介   490