3D打印：三維智能數字化創造(第2版‧全彩)（簡體書）

《3D打印：三維智能數字化創造（第2版）》從專業技術的角度對3D 打印的原理、結構和工藝方法做了詳細介紹，包括10 多種典型成型工藝的優劣分析和比較，手把手、從無到有地組裝一臺3D 打印機等。3D 智能數字化是3D 打印的基礎和關鍵，涉及3D 計算機圖形學、計算機視覺、模式識別、機器學習等領域。《3D打印：三維智能數字化創造（第2版）》以通俗易懂、娓娓道來的方式對它們進行了詳細講解。

《3D打印：三維智能數字化創造（第2版）》是一本以作者原創觀點為指導，融匯眾多最新思想，詳細講解3D 打印和3D 智能數字化技術原理方法，手把手實戰型教學的綜合類技術書籍，對每一個操作步驟都進行了圖文并茂的詳細描述，包括實際運作一家3D 照相館的所有技術細節。本書無論對于國內、國外的廣大普通用戶及技術愛好者，還是高等院校大學生及研究生、學術界、工業界、政府產業經濟決策層，都具有重要的參考價值。

1. 業內專家王飛躍、黃明明、張正友、楊明玄、楊睿剛、舒暢傾情作序、聯袂力薦。

2. 全面系統地介紹了3D打印與3D智能數字化技術

3. 詳細論述了3D打印和人工智能的現狀和未來

4. 包括3D智能數字化理論和方法的最新進展

5. 包含最新創客實踐（組裝3D打印機，開設3D照相館，制作四軸飛行器等）

6. 內容豐富全面、通俗易懂，講解深入淺出、從零起步

相信大多數讀者在拿起這本書的時候，對3D打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打印將引發第三次工業革命開始，全世界各類媒體都對3D打印做了大量的跟蹤報道。那么，為什么歐美這么看好3D打印？3D打印又為什么會引發一場新工業革命？3D打印不是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球范圍內的工業變革？這場變革與我們中國的制造業會有關聯嗎？此外，媒體上經常報道國外“創客”通過3D打印機造出了創意新奇的作品，可當我們也深受鼓舞買回一臺，卻會發現3D打印遠沒有2D打印輕松，其中最頭疼的事情莫過于要設計和處理所謂的3D數字化模型了。那么，3D數字化和3D打印到底是什么關系？我們又該如何輕松應對呢？

以上這些最基本的問題，實際上已經引出了多個主題，歸納一下：有3D打印、3D智能數字化、創客、中國智造、全球第三次工業革命這5個關鍵詞，而且都互有關聯。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一個艱巨的任務。倘若選擇性忽略，只討論其中的某一個或幾個方面，則3D打印機與一般人眼中的2D打印機或一臺普通機床又有什么差別呢？3D打印無須模具就可加工任意復雜的中空形狀，用戶也無須掌握各種復雜的制造工藝和加工技能，這樣大幅降低了制造業的技術門檻。3D打印的巨大威力雖然源于技術，但其產生的重要影響力卻又遠超于此。

依我看來，歐美現在之所以看好3D打印，主要是希望將制造業回流到歐美，而不是繼續轉移到中國和印度。2007年爆發的全球金融危機，根源在于美國重視房地產、金融、消費等第三產業的發展而將大量的制造業外包給了其他國家，導致自身產業空心化問題日益嚴重。3D打印這種快速成型制造技術最近幾年的突然火爆，有一個重要原因和轉折點，那就是2008年創客們發布了第一款完全開源的個人3D打印機RepRap，并把機械設計圖紙、電路圖紙、智能控制代碼無償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打印機降到現在幾千元即可買到，變得大眾化，由此掀起了“個人智造”、“家庭智造”、“網絡社區智造”的熱潮。歐美正是希望借創客運動和“全民智造”的東風，激發國民的創造精神，上下齊心來實現這次戰略大轉移。2014年1月，3D打印的激光金屬燒結技術也將因專利到期而開源，這將為3D打印的發展注入更大活力。

與此同時，我國政府也非常渴望將原本處于產業鏈低端的“中國制造”轉型為“中國智造”，從加工組裝環節升級到上游的設計研發環節。“中國智造”的核心在于智能化和數字化（簡稱“智能數字化”），不僅要建立數字化工廠提高各種設計制造工藝的精度和效率，同時要使生產系統向著具有感知、決策、執行能力的智能化系統發展，以做大做強“高端制造”。“中國智造”在3D打印產業上的競爭力可以通過發展3D智能數字化來提升。實際上，“當今世界是平的”，在經濟全球化的背景下，中國制造業的深度發展離不開全球市場化布局。因此，“中國制造”向“中國智造”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，并將在其中扮演越來越重要的角色。

具體來說，第三次工業革命是以智能數字化制造及新型材料應用為代表的一個嶄新的時代，具體特點可描述為：智能數字化、分布式網絡化、個性定制化、綠色可持續化，典型特征為“智能數字化”。3D打印、智能數字化、新材料以及機器人技術的發展，將極大地改變制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，并將遠離產品千篇一律的大規模制造模式，向更具個性化的定制規模發展。

以上就是全書的基本思路和邏輯線索。下面，具體介紹一下本書的主要內容。

本書首先從產業經濟的宏觀視角對3D打印的發展現狀和未來進行了詳盡的討論。為了能使讀者對3D打印、3D智能數字化、創客、中國智造、全球第三次工業革命之間的內在緊密關聯有比較深入的理解，我們對這五者的相互作用和關系進行剖析。

3D打印將虛擬的智能數字化技術與實實在在的工業產品橋接在一起，跨越了虛擬的比特世界和實體的原子世界之間的鴻溝。為了讓讀者對3D打印有透徹的了解，我們從專業技術的角度對3D打印的原理結構、成型工藝和實際操作進行了詳細介紹，包括對10多種典型的成型工藝進行優劣分析和比較，乃至手把手地、從無到有地組裝一臺3D打印機，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并茂的詳細描述，包括實際運作一家3D照相館的所有技術細節。

3D智能數字化是3D打印的“孿生兄弟”，通過利用計算機來智能化地設計或獲取一個3D數字化模型，以便輸出到3D打印機。這是本書要討論的重點所在：為了讓用戶“所想即所得”地進行數字化創造，計算機需要知道如何更好地生成形狀，即能夠智能地理解用戶的意圖。

我們可以使用智能數字化設計軟件，從無到有地設計3D數字化產品。最普通的方法是采用傳統的建模工具進行實體建模和曲面建模。而手工建模是一件比較煩瑣、費時的工作，研究人員于是推出了參數化建模、直接建模工具來減輕設計負擔。更加智能化的是編程式設計，計算機把形狀的設計過程描述成一系列有特定順序的操作步驟，有點像按照食譜而不是最終的外觀來制作蛋糕。編程式智能設計可以輕易地在這個蛋糕上繪制幾百萬個規則的精美圖案，而這對于手工設計來說猶如噩夢。

為了生成更加豐富多變的個性圖案，還可采用復雜的生長式智能系統，即所謂的過程建模。智能化達到一定層次后，更可讓設計的形狀根據未知環境實時調整，適應各種物理和美學約束條件。比如，基于算法的智能設計軟件能夠根據物理環境（如在月球上）調整建筑結構的空間形狀，以此來動態獲得一個最優的設計形狀，從而使建筑結構更加穩定。

當然，并非人人都有能力自己設計3D形狀，因此3D智能數字化的另外一種方法就是3D掃描（俗稱3D照相），基于計算機視覺、計算機圖形學、模式識別與智能系統、光機電一體化控制等技術對現實存在的3D物體進行掃描采集，以獲得逼真的數字化重建。在獲得數字化模型之后，通常還需要進行個性化編輯定制。特別是對于“大批量定制”，如為一萬名用戶打印定制個性化的眼鏡、服裝、帽子、鞋子，則需應用智能化數字技術，如采用視覺計算方法，利用攝像頭自動采集、分析提取每位用戶的體貌個性特征，進行匹配和定位，并自動根據視覺美感進行形狀設計、顏色膚色搭配等，可極大地縮減定制周期。

以開辦一家3D照相館為例，這是3D智能數字化的典型案例。首先需要對人體進行3D掃描或根據多視角照片進行立體重建，然后利用數字幾何處理的方法對缺失和噪聲數據進行修補，并拼接得到一個完整的3D模型。其中頭發的快速修復就是一個值得研究的課題，涉及視覺計算技術。此外，用戶很可能還希望對3D人體形狀或表情進行美化、編輯、修改、遷移等，這涉及圖形圖像、模式識別、機器學習等多個領域。在輸出打印前，還涉及形狀的自平衡處理、形狀分析以提高表現力、大尺寸形狀的自動分塊、形狀優化生成輕質結構以節省耗材、利用增強現實預覽融入環境的效果等。

當3D數字化模型變得跟目前的MP3歌曲一樣普及甚至泛濫時，又會遇到如何快速檢索的難題。不像MP3那樣可以通過歌名與歌手名這些結構化的文本信息來定位，3D模型的檢索要復雜得多，涉及非結構化數據的特征提取、相似度度量以及分類算法的設計。更讓人頭疼的是，在這個大數據時代，我們將被信息的海洋淹沒而變得迷失，以至于都不知道每天應該挑選哪些3D模型打印出來。這時，通過對大數據的挖掘，個性化推薦系統可以對你的個性偏好進行分析，把你可能會感興趣的3D模型推薦給你。其中，深度學習這種模擬人類大腦進行智能分析學習的方法，將獲得越來越廣泛的應用。

通過智能感知設備，3D打印機還可控制制造的行為，對打印的過程進行實時監控，然后根據反饋信息隨時做出調整。也就是說，這臺3D打印機具有學習和控制的能力。將來，通過把人工智能從計算機拓展到現實世界，還可打印具備感知和學習能力的智能物品。此時，3D打印機就是新一代智能機器人，它們能設計、制造、修理、回收其他機器，甚至能夠改進和升級機器自身，達到“機器制造機器”的新境界。

可以說，3D智能數字化技術是3D打印實現“規模定制”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智能數字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），涉及3D計算機圖形學、計算機視覺、模式識別、機器學習。我們面向3D打印和3D數字化行業人士，將這些非常專業化的智能算法理論以通俗易懂的方式娓娓道來，這也是本書的一大特色。

“創客”不僅創造了個人3D打印機，同時也是第三次工業革命的啟蒙者。這是任何一本3D打印書籍都繞不開的話題，因此，我們詳細介紹了創客，并專門開設一章介紹四軸飛行器的DIY制作，以實例的方式講解創客們喜愛做的東西，將3D打印、智能數字化技術這些先進的工具融入到創客實踐當中。

綜上，本書是一本以最新視角闡述新工業經濟發展趨勢、詳細講解3D打印與3D智能數字化技術原理方法、手把手實戰型教學的綜合類技術書籍，因此無論對于國內還是國外的廣大3D打印愛好者、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。

另外，本書提供豐富的網絡資源下載，其中的內容包括：Ultimaker原理圖紙、3D模型頭發修復視頻教程、四軸飛行器完整資料。如有需要，讀者可在（博文視點官網）和（作者主頁）下載。

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持我的師長、朋友、同事和學生。本書在寫作過程中得到了汪凌峰博士、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、吳挺的幫助和支持。此外，參與編寫工作的還有李青、王博洋、劉慶芳、劉孟起、吳炳根、丁根秀、文桂繡、魏淑芹、張云鐸、國霽、曾楊圓、彭鋒、文雨虹、殷海東。感謝電子工業出版社各位老師的辛勤工作，最后特別感謝永遠關愛著我的家人。

本書的編寫工作得到了國家自然科學基金（No. 61272049）、北京市自然科學基金（No. 4132075）的資助。

由于作者水平有限，書中難免存在紕漏，歡迎廣大讀者批評指正。在閱讀過程中，如果發現問題，請發送E-Mail電子郵件告知，以便今后再版時加以修正。

1.1 3D打印：體驗造物奇跡

1.2 全球第三次工業革命的導火索

1.2.1 從“第一次工業革命”到“第三次工業革命”

1.2.2 3D打印的顯著優勢

1.2.3 3D打印的應用現狀

1.3 對3D打印的質疑

1.3.1 來自傳統制造業大佬的質疑：不看好3D打印

1.3.2 關于“3D打印技術的可實現性”釋疑

1.3.3 關于“3D打印技術的經濟性”釋疑

1.3.4 關于“3D打印產業的成長性”釋疑

1.4 3D智能數字化與3D打印：用“虛擬”再造“現實”

1.4.1 3D智能數字化設計技術的發展現狀

1.4.2 智能數字化掃描技術的發展現狀

1.4.3 智能云網：云端智能服務和云制造

1.4.4 3D打印技術的發展現狀

1.5 創客DIY：新工業革命的啟蒙運動

1.5.1 以小博大：創客挑戰巨頭公司

1.5.2 聚沙成塔：改變工業社會的組成結構

1.6 “中國制造”向“中國智造”轉變的機遇

1.6.1 “中國制造”需轉型升級

1.6.2 來自“德國制造”的啟示

1.6.3 “中國智造”的發展機遇

第2章　3D打印機的原理與種類

2.1 3D打印時間簡史──源自1860

2.2 3D打印機的工作原理和家族

2.2.1 3D打印機的工作原理與流程

2.2.2 FDM：熔融沉積成型（FFF：熔絲制造）

2.2.3 3DP：三維打印黏結成型（噴墨沉積）

2.2.4 SLS：選擇性激光燒結

2.2.5 SLA：光固化立體成型（立體光刻）

2.2.6 PolyJet：多頭噴射技術

2.2.7 DLP：數字光處理

2.2.8 LOM：分層實體制造

2.3 塑料還是石膏？3D打印機的各種耗材

2.4 金屬3D打印技術大盤點

2.4.1 SLS、SLM和DMLS技術

2.4.2 LCF：激光熔覆成型

2.4.3 LENS/LNSF：激光近凈成型

2.4.4 EBM：電子束熔煉

2.4.5 EBDM：電子束直接制造

2.4.6 金屬3D打印技術小結

2.5 兩大陣營：工業級打印機與桌面級打印機

2.5.1 工業級打印機：兩個巨頭的主戰場

2.5.2 桌面級打印機：創客們的多樣世界

2.6 3D打印與傳統手辦模型制作

2.7 3D打印機購買指南

第3章　剖析3D打印機：輪子是怎樣發明的

3.1 RepRap：開源3D打印機的鼻祖和奠基石

3.2 MakerBot與Ultimaker：桌面雙雄

3.3 Ultimaker組裝實戰

3.3.1 Ultimaker新到貨開箱照

3.3.2 搭建框架

3.3.3 X/Y/Z軸電機

3.3.4 X/Y軸承

3.3.5 擠出頭

3.3.6 Z軸載物平臺

3.3.7 送料機

3.3.8 Ultimaker的大腦：電路板

3.3.9 大功告成：一臺完整的打印機

3.3.10 Gcode與前臺軟件Cura使用指南

3.3.11 Ultimaker打印成果實例

3.4 MakerBot Replicator 2與MakerWare打印實戰

3.4.1 MakerWare進行切片和打印

3.4.2 ReplicatorG控制前臺的設置：雙噴頭打印雙色模型

3.4.3 MakerBot Replicator 2打印成果實例

3.5 3D打印疑問與故障排解小貼士

3.5.1 模型的水密性（Watertight）

3.5.2 模型必須為流形（Manifold）

3.5.3 切片（Slice）與橫切面

3.5.4 層厚度（Layer Thickness）

3.5.5 支撐材料（Support Material）

3.5.6 如何開始打印

3.5.7 如何調平打印平臺（粗調和精調）

3.5.8 如何更換耗材（上料、退料）

3.5.9 我裝不了塑料絲

3.5.10 我取不出塑料絲導管

3.5.11 為什么我的送料機挖坑，但就是不吐絲

3.5.12 噴頭堵塞，如何處理

3.5.13 擠出的料無法粘牢打印平臺

3.5.14 打印出的東西粘不牢平臺

3.5.15 噴頭位置偏移，擠出頭坐標異常

3.5.16 為什么打印的圓是橢圓

3.5.17 電機不轉，像得了帕金森癥抖個不停

3.5.18 如何讓模型表面更光滑

3.5.19 我的打印機需要日常維護嗎

3.5.20 異常情況如何中斷打印

3.5.21 如何將金屬零件放入我的3D塑料模型中

3.5.22 用CNCSimulator進行打印模擬和打印預覽

3.5.23 打印失敗后是什么樣子

第4章　3D智能數字化：3D打印的孿生兄弟

4.1 不以規矩，不成方圓——STL數字標準文件解析

4.2 3D智能數字化設計技術

4.2.1 “所想即所得”：3D設計的新境界

4.2.2 商業設計軟件：3D設計的重型武器（Maya、UG）

4.2.3 殺雞焉用牛刀：基于網頁的設計軟件（Tinkercad、3DTin）

4.3 3D智能數字化掃描技術

4.3.1 光學三維掃描儀的原理和實例（激光、結構白光）

4.3.2 基于Kinect的3D掃描原理和設備（紅外光斑、ToF）

4.3.3 房地產行業的新應用：室內3D掃描建模

4.4 面向“批量定制”和“柔性制造”的智能數字化

4.5 智能云網：云端智能服務和云制造

4.6 大數據和深度學習：3D打印內容的挖掘與推薦

4.6.1 什么是大數據

4.6.2 大數據背景下的個性化推薦系統

4.6.3 深度學習：像人腦一樣深層次地思考

......

今年（2013年）4月看過吳懷宇博士給《中國科學報》撰寫的關于3D打印的技術評論專欄，感覺寫得十分順暢，現在很高興得知他的《3D打印：三維智能數字化創造》一書也即將出版了，更是神速！

3D打印近年來在國內外受到廣泛關注，網絡、報刊、媒體上都有鋪天蓋地的密集報道。新聞報道雖然可以及時反映3D打印技術的最新進展，但呈現給普通讀者的觀感難免有些碎片化，不便于獲得系統化的了解和認識，尤其是3D打印機幾乎“無所不能”地被應用到各個領域，從航空航天、汽車、醫療，到時裝、食品、武器等，給人一種眼花繚亂的感覺。《3D打印：三維智能數字化創造》出現得非常及時，是一本很值得讀的書。該書不僅對3D打印的來龍去脈、原理結構、各種工藝方法做了系統的闡述，而且還對3D智能數字化的理論方法、應用技術以及最新進展也做了詳盡的介紹。將這兩個密切相關的新興學科關聯起來進行表述，使得讀者能夠從整體上把握3D數字化打印的脈絡框架。此外難能可貴的是，吳懷宇博士非常耐心地以通俗易懂的文字解釋書中出現的每一個術語和技術細節，輔以圖文并茂的形式，使得本書將能夠被廣大普通讀者所接受。

近些年來我也非常關注3D打印和社會制造方面的研究進展，并曾于2012年在《中國科學院院刊》上發表過一篇題為“從社會計算到社會制造：一場即將來臨的產業革命”的文章。借懷宇的新著，我對3D打印和社會制造談一點自己的體會和看法，拋磚引玉，同大家一起探討。

具體說來，源自快速成型和快速制造，以3D打印技術為核心手段的加式制造（Additive Manufacturing），被許多人認為是一項將要改變世界的“破壞性”新技術，已引起全球性的關注。加式制造是相對于減式制造而言的，兩者過去都不是嚴格意義下的制造專業術語。所謂減式制造，即通過模具、車銑等機械加工技術與工具將原材料轉化成產品的工藝過程與設備的總稱，其特征為利用縮削、減少材料來生產部件。而近十年來，隨著快速成型、快速制造、3D打印等技術的成熟與普及，加式制造已成為日益風行的制造專業術語。與減式制造相反，加式制造的主要特征就是利用逐層增加材料的方式生產各種產品，無須模具，因此也被稱為無形制造技術（Freeform Fabrication，簡稱FF或FFF）。

2012年3月，英國《經濟學人》雜志以“第三次工業革命”為主題，聲稱3D打印技術即將引發新一輪的“工業革命”浪潮，并認為生產制造將從大型、復雜、昂貴的傳統工業過程中分離出來，凡是能接上電源的任何計算機都能夠成為靈巧的生產工廠；人類將以新的方式合作進行生產制造，制造過程與管理模式將發生深刻變革，目前的制造格局必將被打破。

然而，正如蒸汽機促成第一次工業革命是通過引發人類理念的變革來達成的，3D打印機要催生新的產業革命，也必須通過誘發新的人類理念轉化來實現。問題是：新的理念是什么？

我們認為，這一新的理念即便不直接是社會制造，也一定與社會制造直接相關。社會制造可使傳統企業轉變為能夠主動感知并且響應用戶大規模定制需求的智能企業，其核心就是主動、實時地將社會需求與社會制造能力有機地銜接起來，從而有效地實現需求和供應之間的相互轉化。為此，我們必須把社會搜索、社會計算、社會制造等相關的新興領域有機地結合起來，將互聯網、物聯網和物流網與3D打印機組成的社會制造網無縫地連接，通過眾包等方式使社會民眾充分參與產品各個環節的全生命制造過程，促成個性化、實時化、經濟化的生產和消費模式，形成新的產業革命。

正如Google依靠大規模的計算機服務器陣列滿足人們信息搜索的需求，從而改變人類生活與工作方式一樣，我們可以設想未來的3D打印機也將組成大規模的社會制造陣列，實時方便地滿足人類對各種個性化產品的物質需求，使生活和產業中的“長尾效應”常態化，進而更加深刻地改變我們生活的社會。這就是為什么3D打印將改變我們的世界，這就是為什么社會制造將帶來一場產業革命的真正原因。

中國作為今日世界制造業大國之地位正面臨著嚴峻的挑戰，西方媒體甚至直白地宣稱：“天將變了”，“未來的制造業將再次回流到先進發達國家”，“美國制造，出口中國”的新時代即將來臨！就連美國總統奧巴馬也在2013年11月的國情咨詢講話里特別地強調3D打印技術，全美國上下要將其視為拯救美國制造業的希望之光。

參照信息行業的發展歷程，我們認為，快速成型相當于20世紀60年代的專用和大型計算機，3D打印機則相當于20世紀70年代的個人PC和蘋果臺式計算機。令人擔憂的是，我們在這一新興領域目前所處的地位，差不多就是半個世紀前我國在世界信息行業所處的地位！

顯然，我們必須盡快補上3D打印這一課，但我們切不可忘記信息行業在個人計算機出現之后浪潮般的發展進程：Microsoft的快速崛起，還有隨之而來的Oracle、Yahoo、Amazon、eBay、Google、Facebook、Twitter，國內的百度、阿里巴巴、QQ和微博等。以目前的情況判斷，3D打印的核心價值將完整體現于社會制造的發展與成熟的過程當中。社會制造對于制造行業而言，就是信息行業中從Microsoft至Amazon再到Google和Twitter的一體化合成，可視為虛擬網絡世界與真實物理世界的首次完美結合。因此，在關于3D打印機之大量媒體渲染的背后，社會制造才應當是我們關注的要點，否則，我們可能錯失良機，一誤再誤，代價將難以估量。

在社會制造的環境中，大批3D打印機形成制造網絡，并與互聯網、物聯網和物流網無縫連接，形成復雜的社會制造網絡系統，實時地滿足人們的各種需求。消費者與企業通過網絡世界能夠隨時隨地參與到生產流程之中，社會需求與社會生產能力將實時有效地結合在一起，“想法到產品（Mind to Product）”，“需求就是搜索，搜索就是制造，制造就是消費”將成為現實。因此，社會制造必將極大地刺激社會需求，同時有效地提升整個社會的參與程度，其直接結果就是社會就業率的大幅度提高。而且，加速發展社會制造產業，不但能夠解除我國長期在模具和材料工業落后受制于人的不利局面，還可以使我國蓬勃發展的社會媒體和網絡文化得到進一步的升華，使其成為促進社會經濟科學發展的有力工具：從被動到主動，從消極到積極。

另一方面，社會計算也將發揮關鍵性的作用，從專注社會輿情分析到滿足社會經濟需求，為社會制造的發展與成功提供有力保障。首先，社會計算為社會制造提供了主動及時地掌握社會需求的必要手段，從而能夠在大數據時代環境下直接用數據考察研究各類問題。其次，社會制造涉及人的行為與需求，對許多問題由于時間、經濟、法律和道德上的原因無法進行傳統的實驗，而社會計算則能夠以計算實驗的方式彌補這一缺陷。最后，社會計算的平行管理與控制為落實社會制造的運營和支持各種決策提供了一個有效的操作平臺。

一言蔽之，社會制造的關鍵就是通過社會計算，主動、實時地將社會需求與社會制造能力有機地銜接起來，從而有效地實現需求和供應之間的相互轉化過程。由于存在于社會媒體上的大數據具有動態性、多樣性、虛實交互性、復雜性和不確定性等特點，如何計算獲得有用的信息，并從中挖掘出一般規律是一個極其具有挑戰性的問題。我們必須以物聯網、云計算的手段，采用機器學習、數據挖掘、模式識別、人工智能等領域的理論、技術和方法，研發可計算的智能社會媒體數據信息處理機制。為此，必須把社會計算和社會制造這兩個密切相關的新興領域有機地結合起來，這將對于提高我國制造業的競爭力、加速產業升級和轉型、擴大社會內需、繁榮國家經濟，具有至關重要的戰略意義。

2007年，在參加編寫《中國至2050年先進制造科技發展路線圖》的過程中，加式制造引起了我們的注意，但當時由于專家意見不一致，特別是人力、物力和時間的缺乏，只能將加式制造作為實驗室的一個跟蹤課題予以關注。然而，3D打印技術和社會制造的發展速度卻大大超過我們的預期。很明顯，社會制造是計算機和互聯網引發的信息革命之后的又一場產業革命，而且是一場虛實結合的革命，其規模和速度都將是前所未有的，意義重大，并更具挑戰性。這場革命對從業人員的素質與專業水平以及運營環境的要求都與我們現行的教育科研和產業管理體制有明顯的沖突。如不認真應對，輕則可能發生西方國家所期望的制造業從中國等發展中國家向發達國家回流的現象，重則嚴重影響中華民族復興的偉業。

希望像蒸汽機一樣，3D打印機能夠通過社會制造的理念和實踐，使人類社會再一次從以開發“地下”資源為主的“工業”社會，一步躍入以開發“地上”數據和智力資源為特征的“智業”社會，充分發揮人類共有的智力，使數據真正地成為驅動和支撐大數據時代社會發展的“石油”和“黃金”礦藏。

正如懷宇博士在書中提到的，3D打印是個技術密集型的行業，需要依托包括信息技術、精密機械和材料科學等多個學科領域的共同發展，才能加速“中國制造”轉型升級為“中國智造”的過程，并以此推動“全球第三次工業革命”。在此衷心期望各界人士能夠齊心協力、攜手并進，共同抓住這次偉大技術變革的歷史機遇，一起實現我國科技的跨越式發展。

王飛躍 研究員

中國科學院自動化研究所

復雜系統管理與控制國家重點實驗室 主任

IEEE Transactions on ITS主編、中國自動化學會秘書長

推薦序二

3D打印火了。

實際上，作為技術本身，3D打印并不新。30年前，3D打印就已出現在大公司和科研院所的實驗室里，業界稱之為快速成型或增材制造。

成名似乎是在一夜間。2012年，英國著名經濟學雜志《經濟學人》發表封面文章，聲稱3D打印將引發全球第三次工業革命。2013年，“3D打印”隨即成為各大媒體的“寵兒”。

隨著探討的深入，亦有一些不同的聲音：如果它真是一項突破性技術，為什么直到30年后的今天才開始引發第三次工業革命呢？

從一位公眾的角度，我也是帶著這個疑問，對全書進行了閱讀，希望能從中找到一些答案或線索。

身為這一領域的專業人士，吳懷宇博士用文字還原了真實的3D打印及其未來愿景。所謂“第三次工業革命”，其實是“一盤很大的棋”，并不能僅靠一項技術來支撐，而是需要信息技術、先進制造技術、新能源技術、新材料技術、生物技術等眾多領域共同發力。當3D打印以這些新興技術為基礎，經過30年的歷練，形成了一個新興的交叉學科和豐富的技術集群，其對社會產生的影響將足以引發一場綜合性變革。

在作者看來，第三次工業革命是以“智能數字化制造及新型材料應用”為代表的一個嶄新的時代，其典型特征概括成一個詞那就是“智能數字化”。智能數字化技術提高了設計制造工藝的精度和效率；隨著數字化車間乃至數字化工廠的出現，生產系統將向著具有感知、決策、執行能力的智能化系統發展。

在這一過程中，制造業原有的發展模式將被改變。3D打印、智能數字化、新材料以及機器人技術的發展，將使得制造業依靠較少的自然資源和人力資源投入，也能取得良好的經濟效益。其中，3D智能數字化利用計算機來智能地生成數字化的3D模型，使得低成本的大規模個性化定制成為可能。3D智能數字化與3D打印技術的完美結合，讓設計師和工程師從產品制造工藝的束縛中解放出來，更加專注于產品本身的智力創造，即所謂“想法到產品（Mind to Product）”及“所想即所得”的全新智造時代。

對我而言，最感興趣的是這本書從產業經濟的宏觀視角和技術方法的微觀視角對3D打印、3D智能數字化、創客、中國智造、全球第三次工業革命這五者的關系進行了翔實的討論，并以此為邏輯主線將各章節貫穿在一起。

而誰又是3D打印直接的推手呢？本書給出了回答——創客（Maker）。

這個名詞在國內目前并不為大家所熟知，但實際上，創客運動在歐美已如火如荼。美國《連線》雜志前主編克里斯安德森在《創客：新工業革命》一書中已做了詳細介紹。創客指喜歡動手制作，努力把各種創意轉變為現實產品的人。他們會使用3D打印機、數控機器、電子電路、激光切割機、3D智能數字化技術等功能強大的數字桌面工具進行創造。創客，既是工具的發明者，也是工具的使用者。

2008年，英國一名叫Adrian Bowyer的創客發布了第一款開源的桌面級3D打印機RepRap，并把機械設計圖紙、電路圖紙、控制源代碼等無償放到了網上供人免費下載。這使得原本動輒幾十萬元的3D打印機降價到現在幾千元即可買到，從此走入了普通用戶家庭。如果沒有創客，沒有他們的開源共享精神，現在的3D打印機還會這么便宜嗎？為此，將創客運動稱作第三次工業革命的啟蒙運動非常貼切。

公眾需要這樣一本書，能夠將看似高深的3D打印深入淺出，又不失專業性地展示出來。懷宇的這本新書語言易懂、圖文并茂，根據讀者群的不同訴求，劃分出了五大派別：操作實戰派、技術方法派、商業運作派、大局宏觀派、學院理論派，從而增加了這本書的可讀性和趣味性。

正如克里斯安德森所說：“所有重要的科技都是在短時間內被過度炒熱，其功能性也被高估；但從長期來看，它們造成的影響卻遠被低估”。或許不久，“上千元買臺3D打印機”能被更多的人所接受；也或許，“根據自己的個性化需求打印”遍地開花尚需時日。

但毋庸置疑的是，第三次工業革命已“山雨欲來”，那么中國將在其中扮演一個什么角色呢？面對這一次歷史新機遇，中國會依舊只是個追隨者嗎？這是這本書所引發的更重要的思考之所在。

黃明明

《中國科學報》 技術經濟周刊 主編