列印心臟：從精密零件到人體器官，3D列印幫你「印」出來

前言

第一章 3D列印與「全球第三次工業革命」
第二章 3D印表機的原理與種類
第三章 剖析3D印表機：輪子是怎樣發明的？
第四章 3D智慧數位化：3D列印的孿生兄弟
第五章 3D智慧數位化與3D照相館：科學與生活的結合
第六章 視覺計算：建構3D列印的殺手級應用
第七章 創客：個人3D印表機的創造者
第八章 創客實戰：四軸飛行器
第九章 3D列印之不遠的將來
第十章 數位智慧的最佳化及相關數學方法

 

前言

　　相信大多數讀者在拿起這本書的時候，對3D 列印或多或少已有耳聞。確實，自從《經濟學人》、《福布斯》、《紐約時報》等歐美主流媒體聲稱3D 列印將引發第三次工業革命開始，全世界各種媒體都對3D 列印做了大量的追蹤報導。那麼，為什麼歐美這麼看好3D 列印？ 3D 列印又為什麼會引發一場新工業革命？ 3D 列印不是30年前就有了嗎？那時只是一種快速成型工具而已，難道一種“新瓶裝舊酒”的工具就會引發一場全世界的工業革命？這場革命與製造業會有連結嗎？此外，媒體上經常報導國外“創客”透過3D 印表機造出了創意新奇的作品，可當我們也深受鼓舞買回一台，卻會發現3D 列印遠沒有2D 列印輕鬆，其中最頭疼的事情莫過於要設計和處理所謂的3D 數位化模型了。那麼，3D 數位化和3D 列印到底是什麼關係？我們又該如何輕鬆應對呢？

　　以上這些最基本的問題，實際上已經牽出了多個主題，歸納一下：有3D 列印、3D智慧數位化、創客、全球第三次工業革命這幾個關鍵字，而且都互有連結。忽略掉其中任何一個，都無法完整地回答讀者的上述諸多問題。這是擺在本書面前的艱鉅的工作。倘若選擇性忽略，只討論其中的某一個或幾個方面，則3D 印表機與一般人眼中的2D 印表機或一台普通機床又有什麼差別呢？ 3D 列印無須模具就可加工任意複雜的中空形狀，使用者也無須熟練各種複雜的製造製程和加工技能，這樣大幅降低了製造業的技術門檻。3D 列印的極大威力雖然源於技術，但其產生的重要影響力卻又遠超於此。

　　依我看來，歐美現在之所以看好3D 列印，主要是希望將製造業回流到歐美，而非繼續傳輸到中國和印度。2007 年爆發的全球金融危機，根源在於美國重視房地產、金融、消費等第三產業的發展而將大量的製造業外包給了其他國家，導致本身產業空心化問題日益嚴重。3D 列印這種快速成型製造技術最近幾年的突然流行，有一個重要原因和轉捩點，那就是2008 年創客們發佈了第一款完全開放原始碼的個人3D 印表機RepRap，並把機械設計草稿、電路圖紙、智慧控製程式無條件放到了網上供人免費下載。幾年下來，原本極其昂貴（幾十萬元起價）的3D 印表機降到現在幾千元即可買到，變得大眾化，由此掀起“個人智造”、“家庭智造”、“網路社區智造”的熱潮。歐美正是希望借創客運動和“全民智造”的東風，觸發國民的創造精神，上下齊心來實現這次戰略大傳輸。2014 年1 月，3D 列印的雷射金屬燒結技術也將因專利到期而開放原始碼，將會為3D列印的發展植入更大活力。

　　在經濟全球化的背景下，製造業的深度發展離不開全球市場化佈局。因此，“製造”向“智造”轉型升級歷程，實際上也是共同推動和實現“全球第三次工業革命”的過程，並將在其中扮演越來越重要的角色。

　　第三次工業革命可說是以智慧數位化製造及新型材料應用為代表的嶄新的時代，實際特點可描述為：智慧數位化、分散式網路化、個性訂製化、綠色可持續化，典型特徵為“智慧數位化”。3D 列印、智慧數位化、新材料以及機器人技術的發展，將相當大地改變製造業原有的投入模式，使得依靠較少的自然資源和人力資源投入，就能取得良好的經濟效益，並將遠離產品千篇一律的大規模製造模式，向更具個性化的訂製規模發展。

　　以上就是全書的基本想法和邏輯線索。下面，實際介紹一下本書的主要內容。

　　本書首先從產業經濟的巨觀角度對3D 列印的發展現狀和未來進行了詳盡的討論。為了能讓讀者對3D 列印、3D 智慧數位化、創客、中國智造、全球第三次工業革命之間的內在緊密連結有比較深入的了解，我們將對這五者的相互作用和關係抽絲剝繭、進行剖析。

　　3D 列印將虛擬的智慧數位化技術與實在的工業產品連接在一起，跨越了虛擬的數位世界和實體的最小世界之間的鴻溝。為了讓讀者對3D 列印有透徹的了解，我們從專業技術的角度對3D 列印的原理結構、成型製程和實際操作進行了詳細介紹，包含對10 多種典型的成型製程進行優劣分析和比較，乃至親自帶領從無到有地組裝一台3D 印表機，以便讓大家看得清清楚楚、明明白白。本書對每一個操作步驟都進行了圖文並茂的詳細描述，包含實際運作一家3D 照相館的所有技術細節。

　　3D 智慧數位化則是3D 列印的“孿生兄弟”，透過利用電腦來智慧化地設計或取得一個3D 數位化模型，以便輸出到3D 印表機。這是本書要討論的重點所在：為了讓使用者“所想即所得”地進行數位化創造，電腦需要知道如何更進一步地產生形狀，即能夠智慧地了解使用者的意圖。我們可以使用智慧數位化設計軟體，從無到有地設計3D 數位化產品。最普通的方法是採用傳統的建模工具進行實體建模和曲面建模。而手動建模是一件比較繁瑣、費時的工作，研究人員於是推出了參數化建模、直接建模工具來減輕設計負擔。更加智慧化的是程式設計式設計，電腦把形狀的設計過程描述成一系列有特定順序的操作步驟，有點像按照食譜而非最後的外觀來製作蛋糕。程式設計式智慧設計可以輕易地在這個蛋糕上繪製幾百萬個規則的精美圖案，而這對手動設計來說猶如噩夢。

　　可以說，3D 智慧數位化技術是3D 列印實現“規模訂製”的基礎和關鍵所在。因此，本書詳細討論了上面提到的各種3D 智慧數位化理論及其實現方法（如MVS、SVM、AAM、AdaBoost、粒子濾波、Mean Shift、Visual Hull、深度學習），有關3D 電腦圖形學、電腦視覺、模式識別、機器學習。我們以3D 列印和3D 數位化企業人士，將這些非常專業化為目的的智慧演算法理論以通俗容易的方式娓娓道來，這也是本書的一大特色。

　　綜上，本書是一本以最新角度闡述新工業經濟發展趨勢、詳細說明3D 列印與3D 智慧數位化技術原理方法、手把手實戰型教學的綜合類別技術書籍，因此無論對於國內還是國外的廣大3D 列印同好、學術圈、工業界、政府產業經濟決策層均具有重要的參考價值。

　　憑一己之力是無法完成本書的，在此要衷心感謝多年來一直關心和支援我的師長、朋友、同事和學生。本書在撰寫過程中獲得了汪淩峰博士、王穎博士、劉利剛教授、吳毅紅研究員、鄧小明副研究員、汪國平教授、唐俊副教授、王俊、王潤元、張華、隋偉、趙松、沙金正、李成華、吳挺的幫助和支援。感謝電子工業出版社及台灣上奇資訊出版社各位人員的辛勤工作，最後特別感謝永遠關愛著我的家人。

　　由於作者水準有限，書中難免存在紕漏，歡迎讀者們批評指正。在閱讀過程中，如果發現問題，請發送E-Mail 電子郵件告知，以便今後再版時加以修正。