總序一

中國制造2025提出通過三個十年的三步走戰(zhàn)略，使中國制造綜合實力進(jìn)入世界強國前列。近三十年來，3D打印（增材制造）技術(shù)是歐美日等高端工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)、試制、定型的重要支撐技術(shù)，也是中國制造業(yè)創(chuàng)新、重點行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重大共性需求技術(shù)。 新的增材原理、新材料的研發(fā)、設(shè)備創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、工程應(yīng)用，必然引起各國產(chǎn)學(xué)研投界的高度關(guān)注。

　　3D打印是一項集機械、計算機、數(shù)控、材料等多學(xué)科于一體的，新的數(shù)字化先進(jìn)制造技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)可以成形任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)。其制造材料涵蓋了金屬、非金屬、陶瓷、復(fù)合材料和超材料等，并正在從3D打印向4D、5D打印方向發(fā)展，尺度上已實現(xiàn)8 m構(gòu)件制造并向微納制造發(fā)展，制造地點也由地表制造向星際、太空制造發(fā)展。這些進(jìn)展促進(jìn)了現(xiàn)代設(shè)計理念的變革，而智能技術(shù)的融入又會促成新的發(fā)展。3D打印應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在航空、航天、航海、潛海、交通裝備、生物醫(yī)療、康復(fù)產(chǎn)業(yè)、文化創(chuàng)意、創(chuàng)新教育等領(lǐng)域都有非常誘人的前景。中國高度重視3D打印技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，通過國家基金項目、攻關(guān)項目、研發(fā)計劃項目支持3D打印技術(shù)的研發(fā)推廣，經(jīng)過二十多年培養(yǎng)了一批老中青結(jié)合、具有國際化視野的科研人才，國際合作廣泛深入，國際交流碩果累累。作為中國制造2025的發(fā)展重點，3D打印在近幾年取得了蓬勃發(fā)展，圍繞重大需求形成了不同行業(yè)的示范應(yīng)用。通過政策引導(dǎo)，在社會各界共同努力下，3D打印關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，裝備性能顯著提升，應(yīng)用領(lǐng)域日益拓展，技術(shù)生態(tài)和產(chǎn)業(yè)體系初步形成；涌現(xiàn)出一批具有一定競爭力的骨干企業(yè)，形成了若干產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，整個產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展局面。

　　華中科技大學(xué)出版社緊跟時代潮流，瞄準(zhǔn)3D打印科學(xué)技術(shù)前沿，組織策劃了本套3D打印前沿技術(shù)叢書，并且，其中多部將與愛思唯爾（Elsevier）出版社一起，向全球聯(lián)合出版發(fā)行英文版。本套叢書內(nèi)容聚焦前沿、關(guān)注應(yīng)用、涉獵廣泛，不同領(lǐng)域?qū)＜摇�學(xué)者從不同視野展示學(xué)術(shù)觀點，實現(xiàn)了多學(xué)科交叉融合。本套叢書采用開放選題模式，聚焦3D打印技術(shù)前沿及其應(yīng)用的多個領(lǐng)域，如航空航天、工藝裝備、生物醫(yī)療、創(chuàng)新設(shè)計等領(lǐng)域。本套叢書不僅可以成為我國有關(guān)領(lǐng)域?qū)＜�、學(xué)者學(xué)術(shù)交流與合作的平臺，也是我國科技人員展示研究成果的國際平臺。

　　近年來，中國高校設(shè)立了3D打印專業(yè)，高校師生、設(shè)備制造與應(yīng)用的相關(guān)工程技術(shù)人員、科研工作者對3D打印的熱情與日俱增。由于3D打印技術(shù)僅有三十多年的發(fā)展歷程，該技術(shù)還有待于進(jìn)一步提高。希望這套叢書能成為有關(guān)領(lǐng)域?qū)＜摇�學(xué)者、高校師生與工程技術(shù)人員之間的紐帶，增強作者、編者與讀者之間的聯(lián)系，促進(jìn)作者、讀者在應(yīng)用中凝練關(guān)鍵技術(shù)問題和科學(xué)問題，在解決問題的過程中，共同推動3D打印技術(shù)的發(fā)展。

　　我樂于為本套叢書作序，感謝為本套叢書做出貢獻(xiàn)的作者和讀者，感謝他們對本套叢書長期的支持與關(guān)注。

西安交通大學(xué)教授

中國工程院院士

盧秉恒

2018年11月

總序二

3D打印是一種采用數(shù)字驅(qū)動方式將材料逐層堆積成形的先進(jìn)制造技術(shù)。它將傳統(tǒng)的多維制造降為二維制造，突破了傳統(tǒng)制造方法的約束和限制，能將不同材料自由制造成空心結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)及功能梯度結(jié)構(gòu)等，從根本上改變了設(shè)計思路，即將面向工藝制造的傳統(tǒng)設(shè)計變?yōu)槊嫦蛐阅軆?yōu)的設(shè)計。3D打印突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)對零部件材料、形狀、尺度、功能等的制約，幾乎可制造任意復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可覆蓋全彩色、異質(zhì)、功能梯度材料，可跨越宏觀、介觀、微觀、原子等多尺度，可整體成形甚至取消裝配。

3D打印正在各行業(yè)中發(fā)揮作用，極大地拓展了產(chǎn)品的創(chuàng)意與創(chuàng)新空間，優(yōu)化了產(chǎn)品的性能；大幅降低了產(chǎn)品的研發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期，極大地增強了工藝實現(xiàn)能力。因此，3D打印未來將對各行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。為此，中國制造2025、德國工業(yè)4.0、美國增材制造路線圖，以及歐洲增材制造戰(zhàn)略等都視3D打印為未來制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的核心。

基于上述背景，華中科技大學(xué)出版社希望由我組織全國相關(guān)單位撰寫3D打印前沿技術(shù)叢書。由于3D打印是一種集機械、計算機、數(shù)控和材料等于一體的新型先進(jìn)制造技術(shù)，涉及學(xué)科眾多，因此，為了確保叢書的質(zhì)量和前沿性，特聘請盧秉恒、王華明、聶祚仁等院士作為顧問，聘請3D打印領(lǐng)域的著名專家作為編審委員會委員。

各單位相關(guān)專家經(jīng)過近三年的辛勤努力，即將完成20余部3D打印相關(guān)學(xué)術(shù)著作的撰寫工作，其中已有2部獲得國家科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)著作出版基金資助，多部將與愛思唯爾（Elsevier）聯(lián)合出版英文版。

本叢書內(nèi)容覆蓋了3D打印的設(shè)計、軟件、材料、工藝、裝備及應(yīng)用等全流程，集中反映了3D打印領(lǐng)域的新研究和應(yīng)用成果，可作為學(xué)校、科研院所、企業(yè)等單位有關(guān)人員的參考書，也可作為研究生、本科生、高職高專生等的參考教材。

由于本叢書的撰寫單位多、涉及學(xué)科廣，是一個新嘗試，因此疏漏和缺陷在所難免，殷切期望同行專家和讀者批評與指正！

華中科技大學(xué)教授

史玉升

2018年11月

前言

3D反求技術(shù)亦稱逆向工程（reverse engineering，RE）技術(shù)。3D反求是指采用一定的反求手段或反求設(shè)備對產(chǎn)品實物或模型進(jìn)行反求測量，獲得測量數(shù)據(jù)，然后在三維逆向設(shè)計軟件中重構(gòu)出產(chǎn)品的三維CAD數(shù)字模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)加工、改型或再創(chuàng)新，是一個從產(chǎn)品到三維CAD數(shù)字模型再到新產(chǎn)品的設(shè)計過程。利用3D反求技術(shù)，在消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計和開發(fā)各種新產(chǎn)品，可有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，增強企業(yè)競爭力。

本書從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)建模三個方面對3D反求技術(shù)所涉及的各種理論與方法進(jìn)行了系統(tǒng)性的闡述。第1章對3D反求的基本原理，3D反求與正向設(shè)計及3D打印的關(guān)系，3D反求的基本流程、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了概述。第2章至第7章介紹了各種先進(jìn)的點云數(shù)據(jù)采集理論與方法，包括近景工業(yè)攝影測量理論與方法、三維激光掃描測量理論與方法、光柵投影式面結(jié)構(gòu)光測量理論與方法等。第8章介紹了各種點云數(shù)據(jù)處理理論與方法。第9章與第10章論述了點云數(shù)據(jù)建模理論與方法。第11章圍繞人體三維快速反求、大型雕塑建模、零件修復(fù)等案例展開，介紹了3D反求技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

本書由西安交通大學(xué)梁晉教授和西安電子科技大學(xué)史寶全副教授編著。此外，西安交通大學(xué)的博士研究生千勃興參與了第4、5章的撰寫，博士研究生馮超參與了第8、9章的撰寫，碩士研究生梁瑜參與了第10章的撰寫，研究生魏斌、龔春園、劉世凡、趙蒙、張銘凱、牌文延等參與了校稿。本書在梁晉教授團隊多年從事光學(xué)三維非接觸式測量技術(shù)研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)上撰寫而成，課題組多位博士和碩士研究生參與了相關(guān)工作，相關(guān)研究也得到國家自然科學(xué)基金（項目編號：51675404、51421004、51405363）的資助，在此表示衷心的感謝。此外，為了使本書內(nèi)容盡量全面覆蓋3D反求技術(shù)所涉及的各種理論與方法，在撰寫過程中也借鑒了國內(nèi)外同行在3D反求理論與技術(shù)方面的研究成果，在此一并致謝。后，感謝華中科技大學(xué)出版社對本書出版工作的鼎力支持。

由于作者水平有限，書中疏漏及不足在所難免，懇請廣大讀者批評指正，提出寶貴意見。

作者

2018.09