英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

3D打印技术对社会和经济的影响

摘要

在本文中我们分析了3D打印技术的发展，应用，以及其在社会、经济、地理政治、安全、环境等多方面的影响。我们对现有的一些主要的3D打印解决方1案进行比较，主要考虑了收购价格、技术规范以及它们的主要优点和局限性。就电脑与互联网在过去几十年的飞速发展一样，3D打印技术的影响也将会在未来逐渐增加，会让我们的日常生活、经济、社会形态发生翻天覆地的变化。

关键词 3D打印技术 成本 影响

1 简介

1981年,名古屋市工业研究所(日本名古屋)的Kodama Hideo研究和首次提出了关于固体模型的制造、 “加法制造”的起点,“快速成型”或“3 d打印技术”的概念^[1]。在接下来的几十年里,这种技术已经大大改善,已经演变成一个为研究者,制造商,设计师,工程师和科学家所用的有用工具。

这个术语表明,“加法制造”是基于创建材料和对象,从一个数字模型,按顺序使用添加剂分层的过程。最传统的制造工艺是基于减法技术:从一个对象的最初的形状,移除(切割、钻)材料,直到获得所需的形状。与上述方法不同,3D打印

是通过连续添加材料层以获得所需的形状。

在1984年，3D系统公司^[2]的Charles W. Hull完成了第一台3D打印机的设计并做出实物后，该技术发展起来，这些设备也变得越来越有用。随着他们成本价格的降低，卖的越来越便宜。如今,快速原型已广泛应用在各领域：研究、工程、医疗行业、军事、建筑、建筑、时尚、教育、计算机工业等。

3D打印包括三个主要阶段—造型、印刷和产品的完成：

• 在建模阶段，机器使用由一系列薄截面叠加而成的虚拟蓝图，以此为打印模型。这个虚拟模型等同于物理模型。
• 在打印阶段，为了构建产品，3D打印机要读取设计和储存层材料。每一层基于虚拟截面，与前一层融合，最后通过所有层的打印，获得完整的目标产品。通过该技术，可以打印不同材料（热塑性塑料、金属粉末、陶瓷、纸张、感光性树脂、液体），形状各异的许多物品。
• 最后一个阶段是产品的完成阶段，在许多情况下，打印比目标尺寸更大尺寸的物体，使用标准分辨率的删除法和补充材料的高分辨率的减色法，可以获取更高精度。

在制造技术的发展基础上，3D打印技术可以提供更多的改进。因此，在打印过程中，同一零件的不同部分可以使用不同的制造材料，也可以打印成不同颜色。如果需要的话，打印产品时可以利用某些支持，打印完成后再移除。考虑到3D打印技术的重要性，我们决定进一步分析主要可用添加剂的过程，这种技术的优势和局限性，以及对现有的重要的3D打印技术解决方案的对比。对3D打印技术对现代社会，经济，日常生活未来发展的有效性和重要性。

2添加剂的技术和快速成型的材料

现有的3D打印机使用广泛的技术与材料以便实现从数字设计到打印对象的完成。下面介绍了几种现有的3D打印的材料与技术：

• 3D打印机的喷头伴着粘合剂喷出一层薄薄的粉末，之后通过滚轴再均匀地铺上一层粉末，这样一层一层的粘合起来，就可以得到要打印的目标物体。如果有需要的话，可以使用染过色的粘合剂以得到颜色多样的成品。打印后还可以通过一些特殊处理以提高材料的强度（使用强力胶）或减少褪色（使用紫外线保护剂）。最后的目标物体有多种具有不同物理性质与化学性质的组成材料，因此是一种复合材料。
• 粉床喷墨头3D打印机也广泛用于打印陶瓷物品。打印完成后，要对物体进行热处理干燥和上釉，以增强其强度，美化其外观。
• SLA是一个使用液态感光性树脂(树脂)和紫外激光获得连续对象层的添加剂制造技术。当粉末层铺好后，通过紫外线照射整个打印层。当紫外线照射新的打印层时，会使其表面融化，与之起前的打印层粘合起来。这种技术在打印复杂且细节精细的物品时效果尤其明显。
• 树脂光敏聚合物喷射技术,使用类似喷墨打印机的活动喷头喷射，喷射水滴状的树脂。在喷射滴状树脂后，利用紫外线灯使其固化。如果有必要的话，可以在树脂滴周围打印一个用来支撑的物体，在打印完成后再移除支撑物。这种技术尤其适用于制造由多种材料组成，细节精细，表面光滑的物体。
• 激光直接烧结金属3D打印技术（DMLS）利用激光融合金属粉末。这种技术与上面提到的打印塑料材料的SLS技术很类似。但DMLS的成本费用较高且需要详尽的设计手册才能很好地操作。
• 另一种3D打印技术是利用粉末粒子（主要是不锈钢）生成金属模型的金属直接成型技术。这种方法包括以下几个步骤。首先，在工作床上，用喷头喷出细小的不锈钢粉末，打印出设计的目标物品的轮廓。利用热处理将塑料粘合粒子烧光，同时不锈钢粒子粘合在一起。然后，用融化的青铜液填充模型空出的部分。最后，打印出的物体是多孔不锈钢结构，由青铜或者黄金（等其他金属）填充的模型。
• 间接打印方法，是基于传统技术，制造出可以基于制造模型模具进一步制造出金属问题的技术方法。

3 3D打印技术的主要优点和局限性

为了更好的分析3d打印对社会与经济的影响，接下来我们将会探讨有关3d打印的优势与不足。

3D打印最突出的优势有：

• additive manufacture使得在较短时间内，创造一个复杂但细节完美的复合材料的3d物体成为可能。通过3d打印，客户就有了创造及其复杂的物体，并赋予它已有其他方式无法得到的外形。
• 相对于传统方式，使用3d打印来创造物品最大优势在于减废。由于原料是一层一层地添加，并且，仅仅在最后获得物体的时候使用，所以，原料的浪费近乎于零。传统的制造过程是一个做减法的过程，最后的产品往往通过对原物体的切割或者钻孔来得到，也因此导致了大量的浪费。
• 最终产品的小的活动部分可以轻松打印获得。
• 产品的设计数据可以通过互联网轻松的传送给客户，由客户自己打印出来。如今互联网非常发达，在一些国家甚至已经成为了公民的一项基本权利。因此，客户就拥有了在远程打印的能力。
• 对比传统制造工业的原材料，很多3d打印的材料强度经过改良，可以提供更多的更好的完工细节。
• 由于additive manufacturing 是一门完全由电脑控制的技术，因此它可以有效减少合作的人数，并且它对操作者的专业知识也要求很低。更重要的是，整个过程可以保证最终的产品与最初的设计在视觉外观上完全一致，避免了应用其他现有技术可能会出现的错误。由于am可以有效减少整个过程中的材料浪费，它可以帮助解决许多人类目前的难题，比如建筑原料、能源的浪费，以及环境保护。
• 应用3d打印技术可以在各个领域里帮助实现一些复杂却又实用的设计：服装，工业，艺术，珠宝，电脑产业，通讯，交通等等。AM在医药领域也带来了巨大的进步，它帮助挽救生命，降低保健费用，并且改善生命质量。譬如，研究者们已经想方设法创造了一个可以打印人工假体的3d打印机，它可以制造假肢，器官，或者组织。首先，通过扫描（x线断层扫描或者mri）制作出一个3d模型，再通过3d塑形后，应用有机材料打印制造，最后移植到病人体内。目前，来自the wake forest大学的再生研究协会的研究者们已经成功的打印出了一个缩小版但具有功能的肾脏。另一个有趣的案例来自Knetick enginering group的研究者们，他们成功帮助一只被偷猎者毁掉喙部的鹰重新打印了嘴部。还有一个特别有意思的3d打印产品，它是利用废旧金属与橡胶打印而成的Wilmington robotic EXOskeleton。它被用于帮助手臂发育不良的病人（尤其是小孩子）。并且由于它可以提供十分充足的手臂的运动方式，因此他可以按照个人的需求来定制与调整。另一个3d打印的创新性应用是由Oganovo 公司制造的人体组织打印机，这台机器可以在30分钟内打印出五厘米长1毫米厚度血管。Baskop innovation 公司通过3d扫描以及基于已获取的皮肤照片，实现了在人工假肢上打印出拥有自然外观和质感的皮肤。
• 3d打印设备的广告十分容易通过互联网来传播，因为它的目标人群是那些懂技术的，市场的广告策略对于它来说并不重要^【4】。

像其他任何技术一样，目前3D打印技术有一系列的缺点和局限性阻碍着他大规模发展。3D打印技术的主要缺点和局限性是：

• 关于3D打印技术缺乏相关的法律法规。比如，使用3D打印技术可以打印枪支（已经发生）、武器、飞机零件、军用零件、假冒零件以或得商业利益或者破坏国防、药品或者化学武器。而且这些将以较低的成本，较快的速度，轻易实现。更糟糕的是，武器有可能被伪装成一些看起来无害的产品。因此，3D打印技术一旦被罪犯和伪造者利用起来，将带来潜在的危机。现如今，与3D打印机设备相比议员们对规范枪支和3D打印出的产品更感兴趣。尽管有许多政客促进，支持和追随前面的策略。另一方面有的政客则认为，对3D打印机设备的强制登记政策会限制3D打印技术蓝图的发展传播。一些3D打印机设备的制造厂商考虑到这些风险，通过提供的软件限制买家能打印的物体。
• 3D打印机的另一个缺点是可能被小孩用来打印危险物品。为了防止这些事故的发生，用户可以使用软件来限制使用，或者开启家长访问模型。
• 3D打印机又一重要缺点是价格昂贵。加上3D打印机本身和使用材料的费用，3D打印机是那些想要获得少量复杂物体的人的最佳选择。但当打印物体数量过大时，3D打印较与传统制造业的成本就有所提高。另外，当打印物体尺寸较大时，通过3D打印将无法有收益。因为3D打印大物体的成本远远高于传统制造业。
• 考虑的材料成本（特别是就模具而言），添加剂制造技术不是最好的选择。因为大多数模具的材料都会随着时间的推移或暴露在外而降解。
• 有时候，3D打印出的产品的质量，较之传统工业制造出的较差。尽管通过添加剂制造技术可以打印出设计复杂的物体，但最终打印出的产品有时候可能有许多缺点，这将不止影响到产品的设计，还可能影响到产品的功能及抵抗力。

除了上述影响外，在分析3D打印技术对人类影响时必须考虑的是，3D打印技术的广泛传播已经影响了全球经济和劳动力需求。在这方面有以下几个比较重要的问题值得考虑：

• 制造业产品的可能性需求，在这种情况下使用传统技术，可以减少实际的经济失衡，可以转换在当前经济实力过中的经济层次。
• 加法制造是一种计算机控制的技术，他减少了必要劳动力的数量。由于AM使产品与消费者的距离也更近了，所以会导致有关生产，运输，进出口所需劳动力显著减少。
• 另一方面，3D打印技术的广泛传播与运用也会促使与之相关产业职位的产生：3D打印机，耗材，材料，墨盒的生产；3D打印机的工程设计；相关的软件产业。此外，添加剂制造技术可以使用可再循环的材料，以减少较昂贵的进口成本。
• 加法制造（添加剂制造）的发展也会影响建筑材料的进口。因为相较于其他行业，建筑业用的材料更大有不同，有的可以本地提供，有的需要进口。

4 关于3D打印解决方案的一项重要调查

随着时间的推移，今年来3D大印设备变得越来越便宜，越来越好，越来越有用，越来越重要。其日益增长的重要性和功能特点，使他们变得越来越普遍。从历史的角度看，随着2007年REPRAP系列打印机的面世，一场真正意义上的3D打印机革命已经开始。紧随RepRap 系列之后出现的是2009年的MakerBot蛋糕数控设备，2011年的Printrbot，还有许多其他的设备满足客户日益增长的需求。 用户选择3D打印机时必须考虑的重要标准有：

• 3D打印机及其物料需负担得起频繁的使用；
• 3D打印机的软件及硬件的可操作性好，在没有专业软件培训下，用户能易于操作。
• 3D打印机需要在满足用户需求的前提下快速打印出目标物体。
• 3D打印机设备的大小必须符合客户的空间规模,不管是大企业的空间还是有限的办公空间。

下面，我们简短介绍历史调查中最受欢迎的，仍能买到的，价格相对较低的几款3D打印机设备^【5】。

2007年由巴斯大学艾德里安·鲍耶博士开发出来的 RepRap 3D打印机系列,是3D打印机设备史上的一个真正的里程碑。RepRap名字是“快速复制”的缩写。

 第一个RepRap的设计模型Darwin,为了复制自身而设计出来，可以自己打印 自己的零件。这个模型掀起了一场3D打印领域的真正革命。

第二代RepRap模型Mendel,在2009年由 Josef Prusa 启动研究。在2010年，Mendel Prusa 一个优化的模型以一个合理的价格正式发布。到今天，仍然可以在市场里买到。这个低成本的3D打印机设备打印200毫米times;200毫米times;110毫米规模的目标物体时相对较快。

The Box Bots代表了3D打印设备的一个类别，它们有一个共同的特点：它们都是是使用采用精确激光切割的胶合板帧。盒子机器人3D打印机较之之前的3D打印机，更加精确，同时也更易于调整。下面，我们将介绍也一类别中3种由不同公司制造的3模型。

• 在2009年，MakerBot行业发布的Cupcake CNC打印机，是一种使用激光切割胶合板框架的成本较低的设备。第二代3D打印机设备是2010年发布的Thing-O-Matic打印机设备。它较之第一代3D打印机设备有很大改进，在所有3D打印机中，只有她能打印出最小的目标物体。它的最大打印尺寸是120 mm x 120

  剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

  ---

  资料编号：[150159]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word