3D打印 三维智能数字化创造 第3版 全彩版PDF电子书下载

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 Replicator2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