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吴怀宇，博士，中国科学院副研究员，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，ICCVCVPRACCV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。 目錄： 第1章　3D打印与“全球第三次工业革命” 1.1 3D打印：体验造物奇迹 1.2 全球第三次工业革命的导火索 1.2.1 从“第一次工业革命”到“第三次工业革命” 1.2.2 3D打印的显著优势 1.2.3 3D打印的应用现状 1.3 对3D打印的质疑 1.3.1 来自传统制造业大佬的质疑：不看好3D打印 1.3.2 关于“3D打印技术的可实现性”释疑 1.3.3 关于“3D打印技术的经济性”释疑 1.3.4 关于“3D打印产业的成长性”释疑 1.4 3D智能数字化与3D打印：用“虚拟”再造“现实” 1.4.1 3D智能数字化设计技术的发展现状 1.4.2 智能数字化扫描技术的发展现状 1.4.3 智能云网：云端智能服务和云制造 1.4.4 3D打印技术的发展现状 1.5 创客DIY：新工业革命的启蒙运动 1.5.1 以小博大：创客挑战巨头公司 1.5.2 聚沙成塔：改变工业社会的组成结构 1.6 “中国制造”向“中国智造”转变的机遇 1.6.1 “中国制造”需转型升级 1.6.2 来自“德国制造”的启示 1.6.3 “中国智造”的发展机遇 第2章　3D打印机的原理与种类 2.1 3D打印时间简史──源自1860 2.2 3D打印机的工作原理和家族 2.2.1 3D打印机的工作原理与流程 2.2.2 FDM：熔融沉积成型（FFF：熔丝制造） 2.2.3 3DP：三维打印黏结成型（喷墨沉积） 2.2.4 SLS：选择性激光烧结 2.2.5 SLA：光固化立体成型（立体光刻） 2.2.6 PolyJet：多头喷射技术 2.2.7 DLP：数字光处理 2.2.8 LOM：分层实体制造 2.3 塑料还是石膏？3D打印机的各种耗材 2.4 金属3D打印技术大盘点 2.4.1 SLS、SLM和DMLS技术 2.4.2 LCF：激光熔覆成型 2.4.3 LENSLNSF：激光近净成型 2.4.4 EBM：电子束熔炼 2.4.5 EBDM：电子束直接制造 2.4.6 金属3D打印技术小结 2.5 两大阵营：工业级打印机与桌面级打印机 2.5.1 工业级打印机：两个巨头的主战场 2.5.2 桌面级打印机：创客们的多样世界 2.6 3D打印与传统手办模型制作 2.7 3D打印机购买指南 第3章　剖析3D打印机：轮子是怎样发明的 3.1 RepRap：开源3D打印机的鼻祖和奠基石 3.2 MakerBot与Ultimaker：桌面双雄 3.3 Ultimaker组装实战 3.3.1 Ultimaker新到货开箱照 3.3.2 搭建框架 3.3.3 XYZ轴电机 3.3.4 XY轴承 3.3.5 挤出头 3.3.6 Z轴载物平台 3.3.7 送料机 3.3.8 Ultimaker的大脑：电路板 3.3.9 大功告成：一台完整的打印机 3.3.10 Gcode与前台软件Cura使用指南 3.3.11 Ultimaker打印成果实例 3.4 MakerBot Replicator 2与MakerWare打印实战 3.4.1 MakerWare进行切片和打印 3.4.2 ReplicatorG控制前台的设置：双喷头打印双色模型 3.4.3 MakerBot Replicator 2打印成果实例 3.5 3D打印疑问与故障排解小贴士 3.5.1 模型的水密性（Watertight） 3.5.2 模型必须为流形（Manifold） 3.5.3 切片（Slice）与横切面 3.5.4 层厚度（Layer Thickness） 3.5.5 支撑材料（Support Material） 3.5.6 如何开始打印 3.5.7 如何调平打印平台（粗调和精调） 3.5.8 如何更换耗材（上料、退料） 3.5.9 我装不了塑料丝 3.5.10 我取不出塑料丝导管 3.5.11 为什么我的送料机挖坑，但就是不吐丝 3.5.12 喷头堵塞，如何处理 3.5.13 挤出的料无法粘牢打印平台 3.5.14 打印出的东西粘不牢平台 3.5.15 喷头位置偏移，挤出头坐标异常 3.5.16 为什么打印的圆是椭圆 3.5.17 电机不转，像得了帕金森症抖个不停 3.5.18 如何让模型表面更光滑 3.5.19 我的打印机需要日常维护吗 p style 內容試閱： 推荐序一 今年（2013年）4月看过吴怀宇博士给《中国科学报》撰写的关于3D打印的技术评论专栏，感觉写得十分顺畅，现在很高兴得知他的《3D打印：三维智能数字化创造》一书也即将出版了，更是神速！ 3D打印近年来在国内外受到广泛关注，网络、报刊、媒体上都有铺天盖地的密集报道。新闻报道虽然可以及时反映3D打印技术的最新进展，但呈现给普通读者的观感难免有些碎片化，不便于获得系统化的了解和认识，尤其是3D打印机几乎“无所不能”地被应用到各个领域，从航空航天、汽车、医疗，到时装、食品、武器等，给人一种眼花缭乱的感觉。《3D打印：三维智能数字化创造》出现得非常及时，是一本很值得读的书。该书不仅对3D打印的来龙去脉、原理结构、各种工艺方法做了系统的阐述，而且还对3D智能数字化的理论方法、应用技术以及最新进展也做了详尽的介绍。将这两个密切相关的新兴学科关联起来进行表述，使得读者能够从整体上把握3D数字化打印的脉络框架。此外难能可贵的是，吴怀宇博士非常耐心地以通俗易懂的文字解释书中出现的每一个术语和技术细节，辅以图文并茂的形式，使得本书将能够被广大普通读者所接受。 近些年来我也非常关注3D打印和社会制造方面的研究进展，并曾于2012年在《中国科学院院刊》上发表过一篇题为“从社会计算到社会制造：一场即将来临的产业革命”的文章。借怀宇的新著，我对3D打印和社会制造谈一点自己的体会和看法，抛砖引玉，同大家一起探讨。 具体说来，源自快速成型和快速制造，以3D打印技术为核心手段的加式制造（Additive Manufacturing），被许多人认为是一项将要改变世界的“破坏性”新技术，已引起全球性的关注。加式制造是相对于减式制造而言的，两者过去都不是严格意义下的制造专业术语。所谓减式制造，即通过模具、车铣等机械加工技术与工具将原材料转化成产品的工艺过程与设备的总称，其特征为利用缩削、减少材料来生产部件。而近十年来，随着快速成型、快速制造、3D打印等技术的成熟与普及，加式制造已成为日益风行的制造专业术语。与减式制造相反，加式制造的主要特征就是利用逐层增加材料的方式生产各种产品，无须模具，因此也被称为无形制造技术（Freeform Fabrication，简称FF或FFF）。 2012年3月，英国《经济学人》杂志以“第三次工业革命”为主题，声称3D打印技术即将引发新一轮的“工业革命”浪潮，并认为生产制造将从大型、复杂、昂贵的传统工业过程中分离出来，凡是能接上电源的任何计算机都能够成为灵巧的生产工厂；人类将以新的方式合作进行生产制造，制造过程与管理模式将发生深刻变革，目前的制造格局必将被打破。 然而，正如蒸汽机促成第一次工业革命是通过引发人类理念的变革来达成的，3D打印机要催生新的产业革命，也必须通过诱发新的人类理念转化来实现。问题是：新的理念是什么？ 我们认为，这一新的理念即便不直接是社会制造，也一定与社会制造直接相关。社会制造可使传统企业转变为能够主动感知并且响应用户大规模定制需求的智能企业，其核心就是主动、实时地将社会需求与社会制造能力有机地衔接起来，从而有效地实现需求和供应之间的相互转化。为此，我们必须把社会搜索、社会计算、社会制造等相关的新兴领域有机地结合起来，将互联网、物联网和物流网与3D打印机组成的社会制造网无缝地连接，通过众包等方式使社会民众充分参与产品各个环节的全生命制造过程，促成个性化、实时化、经济化的生产和消费模式，形成新的产业革命。 正如Google依靠大规模的计算机服务器阵列满足人们信息搜索的需求，从而改变人类生活与工作方式一样，我们可以设想未来的3D打印机也将组成大规模的社会制造阵列，实时方便地满足人类对各种个性化产品的物质需求，使生活和产业中的“长尾效应”常态化，进而更加深刻地改变我们生活的社会。这就是为什么3D打印将改变我们的世界，这就是为什么社会制造将带来一场产业革命的真正原因。 中国作为今日世界制造业大国之地位正面临着严峻的挑战，西方媒体甚至直白地宣称：“天将变了”，“未来的制造业将再次回流到先进发达国家”，“美国制造，出口中国”的新时代即将来临！就连美国总统奥巴马也在2013年11月的国情咨询讲话里特别地强调3D打印技术，全美国上下要将其视为拯救美国制造业的希望之光。 参照信息行业的发展历程，我们认为，快速成型相当于20世纪60年代的专用和大型计算机，3D打印机则相当于20世纪70年代的个人PC和苹果台式计算机。令人担忧的是，我们在这一新兴领域目前所处的地位，差不多就是半个世纪前我国在世界信息行业所处的地位！ 显然，我们必须尽快补上3D打印这一课，但我们切不可忘记信息行业在个人计算机出现之后浪潮般的发展进程：Microsoft的快速崛起，还有随之而来的Oracle、Yahoo、Amazon、eBay、Google、Facebook、Twitter，国内的百度、阿里巴巴、QQ和微博等。以目前的情况判断，3D打印的核心价值将完整体现于社会制造的发展与成熟的过程当中。社会制造对于制造行业而言，就是信息行业中从Microsoft至Amazon再到Google和Twitter的一体化合成，可视为虚拟网络世界与真实物理世界的首次完美结合。因此，在关于3D打印机之大量媒体渲染的背后，社会制造才应当是我们关注的要点，否则，我们可能错失良机，一误再误，代价将难以估量。 在社会制造的环境中，大批3D打印机形成制造网络，并与互联网、物联网和物流网无缝连接，形成复杂的社会制造网络系统，实时地满足人们的各种需求。消费者与企业通过网络世界能够随时随地参与到生产流程之中，社会需求与社会生产能力将实时有效地结合在一起，“想法到产品（Mind to Product）”，“需求就是搜索，搜索就是制造，制造就是消费”将成为现实。因此，社会制造必将极大地刺激社会需求，同时有效地提升整个社会的参与程度，其直接结果就是社会就业率的大幅度提高。而且，加速发展社会制造产业，不但能够解除我国长期在模具和材料工业落后受制于人的不利局面，还可以使我国蓬勃发展的社会媒体和网络文化得到进一步的升华，使其成为促进社会经济科学发展的有力工具：从被动到主动，从消极到积极。 另一方面，社会计算也将发挥关键性的作用，从专注社会舆情分析到满足社会经济需求，为社会制造的发展与成功提供有力保障。首先，社会计算为社会制造提供了主动及时地掌握社会需求的必要手段，从而能够在大数据时代环境下直接用数据考察研究各类问题。其次，社会制造涉及人的行为与需求，对许多问题由于时间、经济、法律和道德上的原因无法进行传统的实验，而社会计算则能够以计算实验的方式弥补这一缺陷。最后，社会计算的平行管理与控制为落实社会制造的运营和支持各种决策提供了一个有效的操作平台。 一言蔽之，社会制造的关键就是通过社会计算，主动、实时地将社会需求与社会制造能力有机地衔接起来，从而有效地实现需求和供应之间的相互转化过程。由于存在于社会媒体上的大数据具有动态性、多样性、虚实交互性、复杂性和不确定性等特点，如何计算获得有用的信息，并从中挖掘出一般规律是一个极其具有挑战性的问题。我们必须以物联网、云计算的手段，采用机器学习、数据挖掘、模式识别、人工智能等领域的理论、技术和方法，研发可计算的智能社会媒体数据信息处理机制。为此，必须把社会计算和社会制造这两个密切相关的新兴领域有机地结合起来，这将对于提高我国制造业的竞争力、加速产业升级和转型、扩大社会内需、繁荣国家经济，具有至关重要的战略意义。 2007年，在参加编写《中国至2050年先进制造科技发展路线图》的过程中，加式制造引起了我们的注意，但当时由于专家意见不一致，特别是人力、物力和时间的缺乏，只能将加式制造作为实验室的一个跟踪课题予以关注。然而，3D打印技术和社会制造的发展速度却大大超过我们的预期。很明显，社会制造是计算机和互联网引发的信息革命之后的又一场产业革命，而且是一场虚实结合的革命，其规模和速度都将是前所未有的，意义重大，并更具挑战性。这场革命对从业人员的素质与专业水平以及运营环境的要求都与我们现行的教育科研和产业管理体制有明显的冲突。如不认真应对，轻则可能发生西方国家所期望的制造业从中国等发展中国家向发达国家回流的现象，重则严重影响中华民族复兴的伟业。 希望像蒸汽机一样，3D打印机能够通过社会制造的理念和实践，使人类社会再一次从以开发“地下”资源为主的“工业”社会，一步跃入以开发“地上”数据和智力资源为特征的“智业”社会，充分发挥人类共有的智力，使数据真正地成为驱动和支撑大数据时代社会发展的“石油”和“黄金”矿藏。 正如怀宇博士在书中提到的，3D打印是个技术密集型的行业，需要依托包括信息技术、精密机械和材料科学等多个学科领域的共同发展，才能加速“中国制造”转型升级为“中国智造”的过程，并以此推动“全球第三次工业革命”。在此衷心期望各界人士能够齐心协力、携手并进，共同抓住这次伟大技术变革的历史机遇，一起实现我国科技的跨越式发展。 王飞跃 研究员 中国科学院自动化研究所 复杂系统管理与控制国家重点实验室 主任 IEEE Transactions on ITS主编、中国自动化学会秘书长 推荐序二 3D打印火了。 实际上，作为技术本身，3D打印并不新。30年前，3D打印就已出现在大公司和科研院所的实验室里，业界称之为快速成型或增材制造。 成名似乎是在一夜间。2012年，英国著名经济学杂志《经济学人》发表封面文章，声称3D打印将引发全球第三次工业革命。2013年，“3D打印”随即成为各大媒体的“宠儿”。 随着探讨的深入，亦有一些不同的声音：如果它真是一项突破性技术，为什么直到30年后的今天才开始引发第三次工业革命呢？ 从一位公众的角度，我也是带着这个疑问，对全书进行了阅读，希望能从中找到一些答案或线索。 身为这一领域的专业人士，吴怀宇博士用文字还原了真实的3D打印及其未来愿景。所谓“第三次工业革命”，其实是“一盘很大的棋”，并不能仅靠一项技术来支撑，而是需要信息技术、先进制造技术、新能源技术、新材料技术、生物技术等众多领域共同发力。当3D打印以这些新兴技术为基础，经过30年的历练，形成了一个新兴的交叉学科和丰富的技术集群，其对社会产生的影响将足以引发一场综合性变革。 在作者看来，第三次工业革命是以“智能数字化制造及新型材料应用”为代表的一个崭新的时代，其典型特征概括成一个词那就是“智能数字化”。智能数字化技术提高了设计制造工艺的精度和效率；随着数字化车间乃至数字化工厂的出现，生产系统将向着具有感知、决策、执行能力的智能化系统发展。 在这一过程中，制造业原有的发展模式将被改变。3D打印、智能数字化、新材料以及机器人技术的发展，将使得制造业依靠较少的自然资源和人力资源投入，也能取得良好的经济效益。其中，3D智能数字化利用计算机来智能地生成数字化的3D模型，使得低成本的大规模个性化定制成为可能。3D智能数字化与3D打印技术的完美结合，让设计师和工程师从产品制造工艺的束缚中解放出来，更加专注于产品本身的智力创造，即所谓“想法到产品（Mind to Product）”及“所想即所得”的全新智造时代。 对我而言，最感兴趣的是这本书从产业经济的宏观视角和技术方法的微观视角对3D打印、3D智能数字化、创客、中国智造、全球第三次工业革命这五者的关系进行了翔实的讨论，并以此为逻辑主线将各章节贯穿在一起。 而谁又是3D打印直接的推手呢？本书给出了回答——创客（Maker）。 这个名词在国内目前并不为大家所熟知，但实际上，创客运动在欧美已如火如荼。美国《连线》杂志前主编克里斯安德森在《创客：新工业革命》一书中已做了详细介绍。创客指喜欢动手制作，努力把各种创意转变为现实产品的人。他们会使用3D打印机、数控机器、电子电路、激光切割机、3D智能数字化技术等功能强大的数字桌面工具进行创造。创客，既是工具的发明者，也是工具的使用者。 2008年，英国一名叫Adrian Bowyer的创客发布了第一款开源的桌面级3D打印机RepRap，并把机械设计图纸、电路图纸、控制源代码等无偿放到了网上供人免费下载。这使得原本动辄几十万元的3D打印机降价到现在几千元即可买到，从此走入了普通用户家庭。如果没有创客，没有他们的开源共享精神，现在的3D打印机还会这么便宜吗？为此，将创客运动称作第三次工业革命的启蒙运动非常贴切。 公众需要这样一本书，能够将看似高深的3D打印深入浅出，又不失专业性地展示出来。怀宇的这本新书语言易懂、图文并茂，根据读者群的不同诉求，划分出了五大派别：操作实战派、技术方法派、商业运作派、大局宏观派、学院理论派，从而增加了这本书的可读性和趣味性。 正如克里斯安德森所说：“所有重要的科技都是在短时间内被过度炒热，其功能性也被高估；但从长期来看，它们造成的影响却远被低估”。或许不久，“上千元买台3D打印机”能被更多的人所接受；也或许，“根据自己的个性化需求打印”遍地开花尚需时日。 但毋庸置疑的是，第三次工业革命已“山雨欲来”，那么中国将在其中扮演一个什么角色呢？面对这一次历史新机遇，中国会依旧只是个追随者吗？这是这本书所引发的更重要的思考之所在。 黄明明 《中国科学报》 技术经济周刊 主编 推荐序三 吴怀宇博士请我给他这本关于3D打印的书写个序，可能是因为我做了25年多的三维计算机视觉研究，而三维视觉和3D打印有紧密联系之故。刚好我对3D打印很有兴趣，苦于没有系统跟踪，就欣然答应。我利用圣诞和

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