作者：陈启成
出版社：机械工业出版社
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3D打印建模：Autodesk 123D Design详解与实战(第2版)试读：
前言
当机械工业出版社通知我要对《3D打印建模—Autodesk 123D Design详解与实战》进行第4次印刷时，我的心情非常激动，没想到该教程能得到广大读者的肯定，网易云阅读上的点击率已过百万，京东上有百余条关于此书的评论，而且绝大多数是好评。第1版是从2014年7月开始编写的，2015年3月初截稿。那时没有什么参考资料，连官方帮助文件也没有，仅凭着我对3D打印的热情，独自摸索着编写出来。当时由于舆论宣传的助推，3D打印很火爆。但人们对3D非常陌生，不像现在3D打印已进入了中小学课堂，人们已不再对之感到新奇。经过几年的产业化，3D打印已渗透到社会生活中的多个行业，悄然改变了人们的生活。特别是在教育领域，人们越来越意识到了3D打印对学生成长的启发益智功能，使基于项目的学习成为可能，STEAM教育逐步改变了传统教育的理念。
时过境迁，出于公司发展战略的调整，2016年年初，3D Systems关闭了Cubify云平台，2017年年初，Autodesk关闭了123D网站。123D Design的版本到2.2截止，不再维护了。该软件2.1版本没有提供官方中文语言，但R2.2版本提供了中文语言，国内用户无须再面对英文界面了。这一免费软件到R2.2成了最好用的版本，应用于国内中小学3D打印教学活动中，就连小学生也没什么障碍了。
根据官方介绍，123D Design采用的是直接建模方式，可以随时编辑对象的构成元素（点、边线和面），但不保留构造历史，无法返回去编辑原始对象（参数化设计软件具有此功能）。对于初级用户而言，整个过程不受模型建立过程和复杂的参数关联所约束，直接建模的方式使构建模型的过程更容易接受。不同于基于特征的参数化3D设计系统，直接建模能够让使用者以最直观的方式对模型直接进行编辑，所见即所得，自然流畅地操作模型，无须关注模型的创建过程。直接建模的思想大致始于2004年，现在典型的设计软件是SpaceClaim，其他主流的设计软件还有CREO、UG NX、CATIA等，都已混合了直接（同步）建模技术。
构思第1版时，我考虑的是一套建模流程。在此前，我已有专业软件设计流程的经验，实现了CAD设计与多边形建模之间互通。因此，以123D Design为主体，导入任意的平面图形，完成建模后用雕刻软件雕刻，按这样的设计思路，完成了第1版。
本次修订依然保留了第1版的布局，对内容做了如下调整：
1）应用123D Design R2.2版本，剔除掉第1版中的英文标注部分，包括插图中的英文。
2）剔除了旧版本中的内容。
3）对新增功能进行了补充和完善。
4）剔除借助Illustrator导入AutoCAD DWG格式文件的内容，改为用123D Design直接打开DWG文件。
5）增加了一个乐高机器人建模实例。
2017年10月，教育部印发了《中小学综合实践活动课程指导纲要》。在新发布的《中小学综合实践活动课程指导纲要》的附件中，有一个活动叫“手工制作与数字加工”，试图通过信息技术的学习实践，提高利用信息技术进行分析和解决问题的能力以及数字化产品的设计与制作能力。2018年1月，教育部又印发了《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》，3D打印进入了普通高中课程标准加分项，3D设计与创意成为学生可选的内容。3D打印正式成为基础教育中的学科内容，这将为培养具备合格数字化素养的人才提供政策保障。
未来就在我们的身边。3D打印技术已在制造业、设计行业、医疗行业、教育行业得到了广泛应用。据报道，新开通的武汉地铁8号线徐家棚站的艺术柱，就是应用了3D打印建筑技术施工的。随着3D打印技术的不断突破，将来会需要大量懂得3D打印建模的人才。希望本书能够继续为普及3D打印相关知识和技术起到一些作用，引领更多读者进入3D打印设计领域。
由于作者的水平有限，书中难免有错误和疏漏之处，恳请广大读者批评指正。陈启成2018年3月第1章计算机中的3D世界
有兴趣翻开本书的人，想必已听说过“3D打印”这个名词了，所以不再做更多解释。不过，对于计算机中的3D世界，或许有人还没有太多的概念，还是有必要先简单地阐述一下。
在日常生活中，人们大部分时间会接触计算机中的应用程序，如办公软件、排版软件、平面图像处理软件、CAD制图软件等，它们可以用来制作文档、电子表格，或者处理照片。你的计算机中是否安装了3D设计程序？除了专业的设计人员，可能大部分人都没有安装，这是因为在过去，3D设计程序使用起来非常复杂，普通人并不容易理解和掌握它们。
随着3D打印的逐渐兴起，人们会看到、听到越来越多的有关3D打印的各种相关报道，会对这个新兴事物充满好奇心，也想使用3D打印机制作自己的物品。但首先遇到的问题是，如何创建计算机中的3D模型？因为3D打印机要使用物体的3D数字模型，才能打印出实物。1.1 什么是3D设计
3D设计是建立在2D设计的基础上，让设计对象更立体化、更形象化的一种新兴的设计方法。利用计算机强大的运算能力，使用计算机图形工具（3D设计软件）可以创建出对象的三维数字模型。
使用3D软件和用2D软件制作图像的区别是：3D图形的原始文件描述了物体三维空间的信息，图像由此计算出来。在初中我们都学过平面几何，在高中会学习立体几何的知识，遵循的是从平面到立体的规则。3D设计的目的主要是研究如何创建出立体的对象。在日常生活中，我们接触的都是实实在在的立体实物，比如汽车、毛毛熊玩具等各种交通工具、生活用品。即使没有学过立体几何的人，也会对立体有感性的认识。简而言之，3D设计是对现实世界中的各种物体，在计算机上使用3D设计软件进行模拟，还可以创建出现实生活中所不存在的对象，比如游戏中的角色、道具等。
下面给出示例，看一看2D设计和3D设计的差别，如图1-1和图1-2所示。图1-1 2D设计软件设计的图形图1-2 3D设计软件设计的模型1.2 计算机3D图像的应用领域
在现代生活中，随处可见计算机设计的3D模型，例如每晚中央电视台《新闻联播》的片头等。3D软件应用于创建3D游戏、3D电影、建筑设计与表现、产品广告、工业设计；用于法庭辩论、事故模拟分析、科学可视化图解；用于医学、航空和运动领域的培训；用于学生教学等多个领域。在影视行业中也应用了大量的3D图像，完成了真人根本无法拍摄的镜头，比如爆破、灾难等场景。
对于不同的3D应用，产品的传输途径也完全不同。在影片中，即使是一个简单的枪击镜头，也是由成百上千个图片合成的高分辨率的图像。因此，在电影工业中，后期制作的工作也是主要的部分，如冯小刚导演的电影《唐山大地震》特效花费了3000万元，而3D电影《阿凡达》则花费了数亿美元进行后期制作，而且它们都非常耗时。对于实时和网上3D游戏，则要先对几何图形制作动画，并进行纹理贴图，然后就可以输出到游戏引擎或者嵌入网页中。很多3D打印爱好者发现，打印游戏模型时，模型在计算机中显示得很漂亮，但打印出来的效果不理想，这是因为游戏模型为适应与玩家的快速交互，一些效果主要是靠贴图来实现的，所以模型的实际精度较低。
以上主要讲了3D图像在视觉方面的应用，离本书的主题有些远。接下来，转入正题，介绍一下3D打印在工业生产领域中的应用。
所有新技术的出现都是要满足人类的某种需求。3D设计在生产领域中的应用越来越广泛，数控加工（CNC）设备目前基本上已取代了传统的加工设备，其中计算机辅助设计（CAD）起到了决定性的作用。要生产某个零件，首先必须在计算机中构建出这个零件的3D数字模型。全部的数字模型可以装配到一起，进行运动模拟、应力分析等测试，如图1-3所示。这属于计算机辅助工程（CAE）的范畴。计算机辅助制造（CAM）是利用计算机进行生产设备的管理控制和操作过程。它的输入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹（刀位文件）和数控程序。图1-3 使用工程设计软件设计出来的模型
实际上，工程设计软件设计出来的3D模型与艺术领域中软件设计出的3D模型有着本质的差别，这也是我为什么要写这一章的原因。1.3 艺术与工业模型的区别
在计算机图形学（CG）领域中，模型大致可以分为两类，即曲面模型与实体模型。这里笼统地把主要应用于视觉传达领域中的模型称为曲面模型，而应用于工业生产中的模型称为实体模型。曲面模型通常以网格的形式来表达一个面，即用网格来组成一个三维物体的形状（也就是只有外皮，内部是空心的）；而实体模型是实体，是实心的（通过各种操作变成空壳的除外）。例如一个球体，曲面模型好比是足球，实体模型就好比是铅球，它们之间可以相互转化。
由工业领域中的CAD类软件设计生成了实体模型，由艺术领域中的建模软件生成了曲面模型。曲面模型的构建又分多边形（Polygon）建模和NURBS建模。多边形建模软件以3DS Max、Maya、Cinema 4D、Modo等为代表，应用于影视、游戏行业；NURBS建模软件主要以Alias、Rhino等为代表，实际上NURBS建模软件主要用于工业外观设计，如珠宝设计、汽车外观设计。
CAD类型的3D软件，也就是通称为参数化建模的那些软件，以Pro-E、Solidworks、Catia、UG等为代表。事实上，CAD类型的软件并不是绘图软件，而是一种用来进行产品设计开发的软件，这是一个非常重要的基本认知。
一般来说，一个产品的开发流程会经过诸如外形设计、结构设计、结构分析，以及其他必要的物理性分析、模具设计、模流分析、成本分析、制程设计等复杂的流程，而所谓CAD类型软件的重心是试图将整个产品开发的常见流程加以数字化，以提高工作效率。因此在CAD类型的软件中，绘制出对象并不是我们使用这个软件的最终目的，而只是进行其后的众多开发流程的一个必要起点而已。这就是一般人之所以缺乏了解，而认为CAD软件是一种用来绘图（建模）软件的根本原因。
如果在产品的制造流程中，必须使用软件以数控加工方式产生模具，那么就一定要使用CAD，或至少使用NURBS建模类的软件来产生所需的数据，因为数控加工机器只能取用这些类型的数据格式。1.4 3D打印使用什么类型的软件建模
这个问题的答案是：什么类型的软件都可以。
不过，因为不同成型方式的3D打印机有各自不同的特点，有的模型在一种类型的3D打印机上打印，需要添加支撑结构，而在其他类型的打印机上则不需要支撑。还要注意一点，因为数字模型最终是要打印出来，特别是在使用多边形建模软件设计模型时，所以一定要注意有没有破面、悬空等情况，杆状物体的直径不能过细，曲面要有一定的厚度。
本书主要讲的Autodesk 123D Design是基于实体建模的免费设计软件。要理解一点，3D打印本质上也可以看作一种生产工艺。有了物体的数字模型，随后要经过切片软件对模型进行处理，转换为能够被3D打印机所识别的G代码，从而用来驱动3D打印机进行打印。1.5 小结
作为一本入门教程，本章简单地讲解了3D建模的相关知识。后续的章节中，我们会详细讲解Autodesk 123D Design的具体操作，帮助大家进入3D设计的大门。保持足够的热情，多掌握一些方法，你也能够设计出自己的模型，并把它打印出来。
让我们从头开始吧！第2章初识123D Design软件
Autodesk公司于2012年推出了Autodesk 123D系列软件，其间有一些成员的变更，截至2016年年底，Autodesk 123D系列归入了7款应用程序，包括了123D Catch、123D Circuits、123D Design、123D Make、123D Sculpt+、Fusion 360以及Tinkercad。2017年年初，Autodesk公司整合了其123D软件套装系列，更新了Tinkercad、Fusion 360和ReMake。2017年3月底，Autodesk公司关闭了123D网站，停止了对123D系列软件的更新维护，123D套装系列成为了历史。现在，这套系列软件只能在网上搜索并下载了。
本书主要讲解123D Design的最终版本——R2.2，以前的版本是英文版，而这个版本提供了官方中文语言，对国内用户而言，是个福音，彻底扫除了语言障碍。
经过近几年的实际应用，123D Design在全球拥有广泛的用户，尤其是对中小学阶段的3D打印课程的推广普及起到了重要作用。国外一些3D教育专家和教育工作者普遍对123D Design失去维护表示遗憾，因为他们认为，作为CAD入门软件，123D Design的难度适中，界面简洁，容易被初学者所接受，能为将来学习Fusion 360、Solidworks等软件打下良好基础。
过多感慨没有什么意义了，还是在网上搜索123D Design R2.2吧，如图2-1所示。找到后收藏到你的计算机中。
很多有心人也收藏了这个版本。由于它本身就是免费软件，Autodesk也不会追究什么版本，放心使用好了。
需要注意一点，要依据你的计算机操作系统，选择要下载的是32位版本，还是64位版本。在此我选择了64位版本，单击64-bit version会出现一个选择下载文件存储位置的对话框，选择要保存文件的位置，如图2-2所示。当然可以选择使用迅雷下载，那样速度会快一些。下载完成后得到的文件名是123D_Design_R2.2_WIN64_2.2.14，这样，免费且功能强大的软件就下载到你的计算机里了。图2-1 在百度上搜索123D Design R2.2图2-2 下载123D Design注意
现在，大部分程序已不支持Windows XP了。拥有一台性能良好的计算机，对3D设计是非常有利的。2.1 安装123D Design
在下载的文件上双击鼠标，稍等一会儿，出现了最终用户注册界面，在左边可以更改程序的安装位置。选择保留默认的路径，单击右下角的Accept&Install按钮，如图2-3所示。随后出现了可以选择语言的界面，123D Design直到R2.2版本才开始支持简体中文。点开Select Language（选择语言）右侧的，单击其中的“简体中文（Simplified Chinese）”选项，然后再单击最右边的Install按钮，安装后的程序将会是中文版，如图2-4所示。
接着开始安装程序，下面的进度条显示了程序的安装进度，如图2-5所示。需要等待一段时间，结束了安装过程，出现如图2-6所示的界面。下面的两个按钮，分别是Join/Sign In（注册/登录）、Done（完成）。我们现在先不去做什么，单击Done。图2-3 最终用户注册界面图2-4 选择语言的界面图2-5 安装进度图2-6 询问安装完毕所要执行的操作
现在，看看你的计算机桌面，已经添加了一个新图标。
恭喜你！已经完成了123D Design的安装。2.2 第一次启动123D Design
双击桌面上的123D Design图标，将会启动应用程序。屏幕上出现的第一个画面，如图2-7所示。进入123D Design程序后，我们看到了软件的欢迎界面，如图2-8所示。图2-7 123D Design的第一个画面图2-8 123D Design的欢迎界面2.3 欢迎界面中的内容
先把工具栏中的按钮放在一边，我们看看欢迎界面中的内容。上面的标题是“欢迎使用123D DESIGN”，中间显示的是新增工具和性能改进的说明，可以单击屏幕中的或者进行前后翻页，由于图片中的说明文字仍然是英文，对于国内读者而言并没有太大的推介作用，可以不用看它们。最下面是“开始新项目”按钮，单击它就会进入123D Design的主界面。左下角有个“不再显示此消息（提示：帮助菜单>快速入门提示）”复选框，勾选它，下次启动时，将不再显示欢迎界面。右下方有“登录”“立即加入”“升级为铂金用户！”按钮，与成为Autodesk 123D的会员有关系。由于123D网站已关闭，现在单击它们也不会起什么作用。
先了解这些就可以了，单击欢迎界面右上角的按钮，关闭欢迎界面。接下来我们就直接进入123D Design的界面，如图2-9所示。图2-9 123D Design的界面
可以看到123D Design的界面非常简洁，只有一些小按钮，没有更多的属性面板和选项卡。该如何使用它呢？2.4 体验一下123D Design
此刻，你是不是很想上手试试？
我也主张大胆地去试，只有亲自动手，才能够掌握如何操作它。不过，还是稍等片刻吧。有件事情需要说明一下：屏幕中的网格代表了什么？
在现实生活中，一张纸就是一个平面，它有两个方向：X方向和Y方向，如图2-10所示的坐标纸更形象地说明了这一点。现在，在计算机软件中，要实现对三维物体的模拟，还需要再增加一个维度，这就是Z方向。在123D Design的窗口中，屏幕中的网格是绘图参考平面，称为栅格（3DS Max中有类似的栅格）。可以想象一下，X、Y平面平铺在你面前的一张桌面上，再把坐标纸平铺在桌面上，X方向水平指向屏幕的内部、远离你的方向，Y方向沿水平向右，而Z方向则指向上方，也可以理解为指向天空，这和现实世界中是一致的。
再来看工作空间的那张坐标纸，左下角的位置是原点，X、Y方向的两侧都标有刻度值，以方便建模时直观地估算出模型的尺寸。图2-10 日常所用的坐标纸
一定要理解这个概念，这就是计算机3D建模软件中的空间坐标系。为了加深理解，我在栅格上画出空间坐标系，如图2-11所示。
你在头脑中建立起这样一个坐标系，就可以在工作空间创建物体了。图2-11 123D Design中的空间坐标系2.4.1 创建计算机中的第一个3D物体
我们来创建计算机中的第一个3D物体。先不用理会软件界面中的其他按钮，在屏幕顶部中央的一排按钮中，找到基本体按钮，把鼠标指针放到它上面，随后在它下面会又出现了一排按钮，如图2-12所示。图2-12 基本体按钮下的按钮
我们选中左边第一个方盒子，单击鼠标左键，在工作区中出现了一个长方体。在移动鼠标时，它会随着鼠标指针移动，还会有种“磕磕绊绊”的感觉。长方体底面上还有一个白色的圆，感觉也不太稳定。蓝色栅格是创建模型的平面，可以想象是一个工作台的台面，物体会放置在台面上，如图2-13所示。图2-13 工作台上的长方体
在栅格上找一个适当的位置，单击鼠标左键确定。这时，长方体上的白色的圆消失，长方体的颜色变深。再把鼠标指针放到长方体上，它四周出现了亮绿色，移动鼠标，可以看到它不再随着鼠标指针移动了，它的位置确定了。图2-14 确定长方体的位置
或许你以前使用的都是平面设计软件，这可能是你创建的第一个3D物体。祝贺你已经迈进了3D设计的大门。你也许会问，这么简单的东西有意义吗？当然有意义，把它存储起来，转换为3D打印机识别的格式就能够打印出来。把它给小孩玩，让他们认识到这是长方体；当高中生学习《立体几何》时，让学生在实物上画线、测量，学习起来会更加直观。
我们继续往下操作，再次添加一个长方体。按上述的操作步骤，单击长方体的图标，这次要注意屏幕下方出现的对话框，它是用来设置长方体的长宽高数值的。操作方法是用鼠标选中数字，然后输入新的数值，依次更改相应的数值。或者使用键盘上的退格键（←Backspace），删除输入框中的数字，输入新的数值后，按Tab键跳转到下一个输入框，接着更改数值，如图2-15所示。图2-15 设置长方体的长度、宽度及高度
这次，依次把长宽高设为20、30、40，移动鼠标，围着第一个长方体四周转动。有时第2个长方体还会倒下，有时与第一个长方体有重叠的部分，如图2-16所示。
此时，介绍一下3种对视图的操作，分别是缩放、平移和旋转视图。滚动鼠标中键，可以放大或缩小显示的长方体和栅格；按住鼠标中键，再移动鼠标，能够平移栅格及长方体；按住鼠标右键，可以旋转视图。不要忘记，栅格代表了工作台面，当拖动长方体时，它目前还只在栅格的上方移动，如图2-17所示。图2-16 拖动第二个长方体时出现的情形图2-17 物体位于栅格之上
在所有3D设计软件中都要使用这3种操作，在屏幕上还没有太多物体时，可以多练习一下，有助于后续的学习。我们把两个长方体靠在一起，但不要重叠，如图2-18所示。图2-18 两个长方体靠在一起
在没有确定长方体的位置之前，如果不想添加这个长方体，按下键盘左上角的Esc键，可以取消操作。在确定了长方体的位置后，如果不满足要求，可以用鼠标单击那个长方体，按Delete键删除它。如果删除错误，可以单击界面顶部的按钮撤销删除。或者使用快捷键Ctrl+Z，同样可以撤销删除，这个是标准的Windows操作，记住它会节约一些时间。建模过程中，都会犯些错误的，要及时更正。
我只讲解了长方体，也可以用来创建3D物体。就像是在堆积木，不断向栅格上添加不同尺寸的长方体，就能创建出一些物体。《俄罗斯方块》使用的就是长方体，发挥一下想象力吧！2.4.2 创建一张桌子
使用上面的方法，来创建一张桌子。
既然要设计一个物体，事先要考虑一下该物体的大致尺寸。桌子很简单，有一个桌面和4条桌腿。木匠在制作桌子时，四条腿是等高的，否则桌子就不会稳当，上面的东西就有可能滑落下来。假设每条桌腿的尺寸是5×5×60，桌面是60×80×5。来吧，我们一步一步来完成它。
按照前述的方法，在屏幕顶部的按钮中找到长方体按钮，单击它。在下面的对话框中，分别输入5×5×60，在栅格上出现了一个长方体的模型。我们想把它放置到原点，移动鼠标，拖动它到原点的位置。当靠近原点时，程序会自动捕捉位置，如图2-19所示。图2-19 把第一根长方体放置到原点
接下来，再创建3根同样尺寸的长方体，不过放置的位置有所不同。滚动鼠标中键，放大显示，看一看栅格的划分尺寸，每一个小格代表了5个单位。在X方向上，在50的位置放置一根长方体；沿着栅格的Y方向，在70的位置（75向左一个格）处，放置一根长方体；第4根长方体，可以沿着X为50的那根线，移动到Y为70的线上，如图2-20所示。定位时，可以放大和平移视图，来帮助我们确定准确的位置。
接下来，我们创建桌面的模型。还是找到长方体的图标，单击它，输入前面设定的数值60×80×5，一块木板出现在栅格上。我们想要把它放到4条桌腿的上方，该如何操作？在拖动桌面的过程中，你会发现，当桌面中的白色小圆捕捉到桌腿的竖直边缘时，它会竖立起来，有点像在屏幕中翻跟头的感觉，如图2-21所示。
那么，当这个白色小圆捕捉到桌腿的上截面的4个边缘时，桌面就与栅格平行。试试看，可以让小圆顺着竖直边缘向上爬，爬到桌腿的上表面，如图2-22所示。图2-20 建好的4条桌腿
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