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內容簡介
瑞士用3D列印，印出世上第一個人工心臟
德國用3D列印，製造出醫療用微型機器人
加拿大在魁北克，設立3D列印醫療中心
瓣膜置換、漏斗胸、人工牙根……
3D列印的強悍，只有你想不到，沒有它「印」不到
本書從專業技術的角度詳細介紹3D列印的原理、結構和工藝方法，包括10多種典型成型工藝的優劣分析和比較，涉及3D電腦圖形學、電腦視覺、模式識別、機器學習等領域，以通俗易懂的方式為讀者提供詳細講解。作者並透過產業經濟的宏觀視角對3D列印、數位成像技術、創客、中國智造、全球第三次工業革命這五者間的關係進行深入討論。
目錄
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
序／導讀
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。
吳懷宇
試閱
近年來，我們經常能聽到“3D”這個名詞，且常常跟高科技關聯在一起，如3D 顯示、3D 電影、3D 掃描、3D 列印等。按理說，人類每天就生活在3D 空間中，3D 對我們來說本應是一個再尋常不過的概念。3D 之所以被認為是“高科技”，是因為我們透過高科技的數位化方法，使得客觀世界中的3D 實體能夠在虛擬世界中得以高精度重建（3D 掃描）、智慧化編輯（3D 設計）、真實感高畫質展示（3D 顯示），乃至重新傳回至客觀世界（3D 列印）。就學科專業而言，3D 技術橫跨電腦視覺、電腦圖形學、模式識別與智慧系統、複雜系統與自動控制、資料採擷與機器學習、專案材料學、光機電一體化等，是名副其實的“技術密集型”高科技。
3D 列印（3D 列印）是積層製造技術（AM，Additive Manufacturing） 的俗稱。3D 列印，名為“列印”，實為“製造”，結合智慧數位化，更可實現“創造”！實際上，在大量的英文文獻中，3D 列印（3D Printing）常被稱作3D Fabrication（3D 製造），這更準確地描述了3D 列印的本質。
與傳統的“切削去除材料”的加工技術（如3D 雕刻）完全不同，3D 列印以經過智慧化處理後的3D 數位模型檔案為基礎，運用粉末狀金屬或塑膠等可熱熔黏合材料，透過分層加工、重疊成型的方式“逐層增加材料”來產生3D 實體。由於可採用各種各樣的材料（液體、粉末、塑膠絲、金屬、沙子、紙張，甚至巧克力、人體幹細胞等），而且可以自由成型（任意複雜的中空鑲嵌形狀），所以3D 印表機是名副其實的“萬能製造機”。
圖1-1 是一幅關於3D 列印的漫畫，一個人把自己給列印了出來，相信一定會讓你印象深刻。接下來，就讓我們一起體驗3D 列印帶來的造物奇蹟吧！
如圖1-2 所示的這些雕塑是由Bathsheba Grossman 用複雜的雷射燒結而成的。對於要求具有複雜的內部中空、凹陷、互鎖或有大量規則細節圖案的形狀加工，3D 印表機是首選的製造裝置。智慧數位化設計（圖1-2 左1）可對零件進行最佳化，減輕重量，同時保持原有強度和其他關鍵性能。由於是一次成型，使產品成為一個整體，這樣也減少（或免除）零組件的裝配。如圖1-3 所示，3D 列印的衣服和鞋子亮相巴黎時裝周。仔細檢視衣服上無數精細花紋，我們可以知道：精美的手動刺繡和針線活已被智慧數位化和3D 列印取而代之。
在材料上，服裝師們也已經有了更多、更好的選擇，例如Materialize 公司最新研發的TPU92A-1 合成材料，可用於設計很酷的時裝：
這種材料擁有非常好的彈性和韌性，能夠在受到高強外力的情況下快速恢復原來形狀。
3D 列印不僅可以用來製造獨具個性的高跟鞋（圖1-3 右上角），還可以幫助設計師實現更多靈感。圖1-3 右下角的這雙鞋的設計靈感來自大自然中的樹根，3D 列印技術能夠建立錯綜複雜、相互交織的鬚狀鞋跟，模仿樹根在腳下扭曲和盤旋。這是其他任何一項製造技術都做不到的。
耐吉（Nike）“Vapor Laser Talon”跑鞋，如圖1-4 所示，拋棄了傳統製鞋製程，使用3D 列印製造，只有158.7g（相當於3 枚雞蛋的重量），可以幫助運動員在草地賽場上“飛”起來。這款鞋子僅在7 個月之內，就已經試做、試用了成百上千雙，直到最後滿意定型。傳統製程在如此短的時間內根本無法做到，只能透過3D 列印來實現。
3D 列印的OpenReflex 膠卷單眼相機（如圖1-5 所示），成本相當便宜（不到1000 元台幣），只需要15 小時的3D 列印及1 小時的組裝就能使用了。這台相機雖然只能使用1/60s 快門，卻可以相容任何鏡頭，可謂相當強悍，其主要組件都是用ABS 材料列印的。
圖1-6 的俄羅斯大皇冠是為1762 年凱薩琳的加冕禮打造的。它作為官方權力的象徵，每任君王都需要戴著它。透過智慧數位化掃描和設計，3D 印表機已精確複製出原版皇冠。複製品採用WIC-100 樹脂以及14K 白金打造。由於使用了3D 印表機，將製造時間由預計的一年縮短到兩個月，而且所達到的精準度超越了手工打造的正常方式。
維也納科技大學推出的“奈米級3D 印表機”可列印出奈米級的物件，讓很多人驚歎的微雕作品現在就可以透過這台印表機輕鬆搞定。如圖1-7 所示，我們看到的是3D 列印出的維也納聖史蒂芬大教堂和F1 賽車模型，直徑不超過人類的髮絲，比一粒沙子還小。奈米級3D 印表機使用液態樹脂，透過雷射使樹脂硬化成型，此技術被稱為“雙光子光刻”，而且列印速度非常快，可達5m/s，創造出了一個新的世界紀錄。美國太空總署（NASA）太空人前往火星需要攜帶大量食物，3D 印表機可以按照“數位食譜”混合各種粉末，製造色香味俱全且營養可口的太空食品。食物原料從藻類、甜菜葉及昆蟲等可持續資源中分析，經過脫水處理後，保存期可延至30 年左右。這個計畫很快就會得以實現，不信？請看看目前3D 印表機所列印出來的各種餅乾、巧克力和糖品，如圖1-8 所示，是否很誘人呢？
荷蘭建築師Janjaap Ruijssenaars 所主導的3D 列印專案如圖1-9 所示，將是全球首個3D列印的大型建築物。他的計畫是列印6m×9m的模組框架，這些模組由沙子和無機黏著劑組成，然後使用鋼纖維混凝土填充，最後的產品將是一幢二層樓。這是一個“莫比烏斯帶”（Möbius band）式的建築（它沒有正反面之分，在上面一直走，可一次走完所有面）。由於採用了創新的3D 技術進行打造，因此它將成為一座兼具延伸性和適用性的建築。與此同時，麻省理工學院（MIT）的研究人員正在開展另一項研究，如何利用3D 列印在一天之內列印出房屋主要結構，而利用傳統的建築團隊則需要一個月的時間才能完成。
如圖1-10 所示，美國研究人員花了4 個月設計階段，3D 列印出無人飛機，巡航時速可達到45 英哩，成本僅2,000 美元。該飛機翼展約2m，所有零組件都是透過3D 印表機製造出來的。經打磨噴漆處理之後，外形也非常時尚。而在5 年前，光製造塑膠渦輪扇引擎的成本就約為25 萬美元，還需要花上兩年時間。
美國重型機車廠OCC，利用大型的商用3D 印表機成功打造出一款咆哮的“中國龍”型摩托車，如圖1-11 所示。該車由一位中國客戶訂製，龍首由3DS Max 軟體設計後，輸出到3D 印表機一次列印成型，然後直接組裝和整合到機車上就可以了，大幅簡化了龍頭的設計和生產週期，同時也相當大地降低了製造成本。勞斯萊斯？純手工打造？可以肯定的是，手工打造以後將不再顯得那麼金貴。
隨著外科修復科技的日益發展與手術理念的日漸人性化，義肢不僅很舒適而且也可以很時尚！如圖1-12 所示，由於每個人的身材和喜好不同，所以需要進行完全個性化的訂製。首先使用3D 掃描器取得使用者腿部詳細資料，然後根據使用者本身資料、年齡、性別、特殊要求等，設計出適合的義肢款式，使用者覺得滿意後，再透過3D 印表機進行製造。如圖1-13 所示的這只美洲鵰2005 年曾被誤傷，從此生活不能自理。如今，透過3D 掃描嘴喙的殘缺部分並使用SolidWorks 對數位化模型進行編輯處理，然後再用尼龍聚合物材料將假體3D 列印出來。於是，這只海雕得以順利回歸了大自然。從圖片上可以看到，鷹嘴具有精細的內部中空結構，而3D 列印的再造能力絲毫不亞於最好的整形醫生。
之前已有報導3D 列印可製造出真正有觸覺的生物人耳（不只是裝飾性的模型）。現在，普林斯頓大學的研究人員利用3D 列印的細胞和奈米粒子，結合小型線圈天線軟骨組織創造了一隻仿生耳，如圖1-14 所示，竟能夠聽到超越人類所能聽到的無線頻率！以後，生物印表機將使用病人本身的幹細胞，那麼器官移植後的排斥反應將減小。隨著整個世界逐漸變得越來越電子化和數位化，我們將製造出一些新型器官，以便和手機、可攜式電腦進行直接交流。
美國太空總署（NASA）使用直接金屬雷射燒結的3D 列印技術製作了火箭噴射器零件，如圖1-15 左邊所示。據悉可承受1,400磅每平方英尺的壓力並可耐6,000 華氏度的高溫。而且該噴射器在削減成本方面邁出了一大步，因為它僅由2 個零件組成，而此前傳統技術製造的同類噴射器由115 個零件組成。而更讓人驚訝的是，美國加州大學的學生也用3D列印製造了一種微型火箭進行了成功的點火測試，如圖1-15 右邊所示，他們在短短8 個月內就完成了火箭金屬引擎的設計，且火箭的全部製造費用只有6800 美元。
3D 列印技術集概念設計、技術驗證與生產製造於一體，這必將極速縮小武器裝備從“概念”到“定型”的時間差，進一步加快武器裝備的更新週期，如圖1-16 所示。據媒體報導，殲-10 戰鬥機研發用了近10 年時間，而運用3D 列印技術後，中國大陸僅用3 年就推出了第一款艦載機殲-15。目前，3D 列印技術已被全面應用於第一款本土隱形戰鬥機殲-20 和第五代戰鬥機殲-31 的研發中。
再說個喜慶點的案例。你完全可以自己在電腦上設計戒指的形狀，列印出專屬的訂婚戒指，如圖1-17 所示。拿著這樣的戒指求婚，相信沒有一個女孩會說不。
目前在北京、西安、武漢等地都相繼開設了3D 照相列印館。本書第5 章“3D 智慧數位化與3D 照相館：科學與藝術的結合”將從零起步、一步步地教你開設3D 照相館，包含3D人像掃描和3D 列印塑像，如圖1-18 所示。列印了3D 圖示，再列印個3D 頭盔吧！國外一名叫Ryan Brooks 的創客，用塑膠列印出了鋼鐵人頭盔，如圖1-19 所示。整個開發和微調過程大約花了100 小時。頭盔採用Adafruit 加速度感測器和Arduino Pro 迷你伺服機構，可自動開啟或關閉頭盔的面罩。
最後再介紹“宅男”們的最愛──人體模型製作。如圖1-20 上方所示，日本的DIY 同好借助3D 數位化技術和3D 列印技術製作了動漫具體的立體人偶。而如圖1-20 下方所示，日本東京一家公司利用3D 列印技術，對新娘進行複製，製作出模擬模型，以留住她們人生當中最美好的時刻。相信在未來，這個方向將大有可為。
透過以上的一番體驗，你是不是開始感覺到3D 列印已經滲透進我們生活中的“衣食住行”等各個方面了呢？實際上，3D 列印可廣泛用於工業製造、珠寶首飾、玩具設計、機器人、生物醫學、建築與城市規劃、食品製作、航空太空、考古科學研究等領域。以樂器為例，目前大多數樂器，如吉他、小提琴、喇叭、鋼琴等，已經有幾百年都沒再改進過。而使用3D 列印，你不僅可以自由設計出奇形怪狀的創意樂器（例如將一把馬頭琴變成印有你自己3D 圖示的琴），而且更重要地，你可以發揮3D 列印輕鬆製造任意複雜空腔（共鳴腔）的優勢，設計製造出一把發聲效果最佳的、屬於我們21 世紀的新型樂器，演奏屬於我們這個全新智造時代的新樂章！
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