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3D列印

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ORDbot Quantum三維印表機.
列印的延時攝影視訊,雙曲面物體列印(用PLA製作),使用RepRap「Prusa Mendel」三維印表機,以熱溶聚合物成型。

3D列印英語3D printing),又稱增量製造Additive ManufacturingAM),可指任何列印三維物體的過程。[1]3D列印主要是一個不斷添加的過程,在電腦控制下層疊原材料。[2]3D列印的內容可以來源於三維模型或其他電子資料,其列印出的三維物體可以擁有任何形狀和幾何特徵。3D列印機屬於工業機器人的一種。

「3D列印」這個詞的原意是指順序地將材料沉積到粉末層噴墨列印頭的過程。最近此詞的含義已經擴大到廣泛包括的各種技術,如擠壓英語extrusion燒結英語sintering過程。技術標準一般使用「增量製造」這個術語來表達這個廣泛含義。

歷史[編輯]

術語與方法[編輯]

3D列印電腦輔助設計(CAD)模型

早期的增量製造裝置和材料在20世紀80年代發展起來。[3]1981年,名古屋市工業研究所的小玉秀男發明了兩種利用光硬化聚合物的增材製造三維塑料模型的方法,其紫外線照射面積由掩模圖形或掃描光纖發射機控制。[4][5]之後在1984年,三維繫統公司英語3D Systems查克·赫爾英語Chuck Hull(Chuck Hull)[6]發明了立體光刻英語Stereolithography,用紫外雷射固化高分子光聚合物,將原材料層疊起來。Hull稱這一程式可以「通過建立列印目標物體每部分之間的聯繫來列印三維物體」,[7][8]但該程式已由小玉發明。Hull的貢獻是設計了STL(立體光刻)檔案格式英語STL (file format),該格式被廣泛應用於3D列印軟體和電子切片與填充。「3D列印」這個術語最早是指使用標準的傳統噴墨印表機噴頭的流程,到現在為止,大部分3D列印機,特別是3D列印愛好者使用的和針對消費者設計的3D列印機,使用的大都是採用熔融沉積建模英語Fused deposition modeling法(這是塑料擠出英語Extrusion的特殊應用)。

針對金屬燒結或金屬熔化(例如選擇性雷射燒結英語Selective laser sintering直接金屬雷射燒結英語Direct metal laser sintering選擇性雷射熔化英語selective laser melting)技術的增量製造在20世紀80年代和90年代通常採用不同的名稱。儘管大量自動化技術當時已經被運用到幾乎所有金屬加工產品都需要經過的澆鑄製造衝壓加工等程式中(如機器人焊接英語Robot welding、電腦數值控制技術(CNC)的應用),只用一件工具或一個噴頭就可以完成從原材料到成品全過程的想法還是只能讓大多是人聯想到金屬切削(而不是增添)的過程,例如數控銑削英語Milling (machining),數控電火花加工和其他程式。但AM類型的燒結已經開始挑戰這個假設。到了上世紀90年代中期,史丹福大學卡內基梅隆大學開發出了材料沉積新技術,包括微鑄造[9]和噴塗材料。[10]犧牲材料和支撐材料也變得越來越普遍,讓新的幾何物體可以加工。[11]

「增量製造程式」這個雨傘術語21世紀的頭一個十年逐漸流行,[12]因為各種增量製造程式都在逐漸成熟,金屬切削很快將不再是金屬加工過程唯一可以使用技術。在這個十年中,為了滿足機器製造(金屬切削是其永恆的話題)的需求,「減量製造」應運而生。然而,同時期,3D列印在大多數人心中只是一種聚合物工藝,增量製造這一術語可能更多地應用於金屬加工製造背景下,而不是聚合物,噴墨列印或是立體平板印刷領域。「減量製造」並沒有取代「加工」,而是在切削方法方面對「加工」這一術語進行了補充。

21世紀早期,「3D列印」和「增量製造」在涵義上有所發展,代指所有增量製造技術。儘管這與早期所指代的意義有所區別,但仍反映出3D工作流程在自動化控制下將材料層疊堆積的共同特點。(其他術語通常被視為增量製造的同義詞上義詞英語hyponymy and hypernymy,例如「桌面製造技術」、「快速製造技術」(是「快速成型技術」的發展),和「即時製造技術」(模仿了二維按需印刷技術))。在2010到2020年這10年,發動機托架[13]和大號螺母[14]等金屬部件在分批生產英語Job production上會有所增加(在加工前或取代加工程式),不再從屬於棒料英語bar stock或金屬板加工。

基本原則[編輯]

3D切片模型

建模[編輯]

3D列印模型可以使用電腦輔助設計軟體包或三維掃描器生成。手動搜集製作3D圖像所需的幾何資料過程同雕塑等造型藝術類似。通過3D掃描,可以生成關於真實物體的形狀、外表等的電子資料並進行分析。以3D掃描得到的資料為基礎,就可以生成被掃描物體的三維電腦模型。

無論使用哪種3D建模軟體,生成的3D模型(通常為.skp、.dae、.3ds或其它格式)都需要轉換成.STL或.OBJ這類印表機可以讀取的格式。

無論是手動還是自動生成3D模型,對一般的消費者來說難度較大。這促進了最近幾年3D列印公司的形成。其中比較有名的有 Shapeways、Thingiverse、MyMiniFactory 和 Threeding。

列印[編輯]

使用STL格式檔案列印3D模型前需要先進行「流形錯誤」檢查,這一步通常稱為「修正」。對於採用3D掃描獲得的模型來說,STL檔案「修正」尤其重要,因為這樣的模型通常會有大量流形錯誤。常見的流形錯誤包括,各表面沒有相互連線,或是模型上存在空隙等。netfabbMeshmixer,或是CuraSlic3r都是常見的修正軟體。[15][16]

完成修正後,使用者可以用一種名為「slicer」(意為「切片機」)的軟體功能將STL檔案代表的模型轉換成一系列薄層,同時生成G代碼檔案,其中包括針對某種3D列印機(FDM印表機英語Fused deposition modeling)的客製指令。接下來,使用者可以用3D列印用戶端軟體列印G代碼檔案,這種用戶端軟體可以利用載入的G代碼指示3D列印機完成列印過程)。值得注意的是,實際應用中的3D列印用戶端軟體通常會包含「切片機」軟體功能。有多種開源切片機程式可供選擇,如SkeinforgeSlic3rCura,不開放原始碼的切片機程式則有Simplify3DKISSlicer。3D列印用戶端軟體則有Repetier-HostReplicatorGPrintrun/Pronterface

掃描過的棘龍Spinosaurus)顱骨列印為兩種尺寸

需要注意的是還有一款用到3D列印的人們經常使用的軟體叫做G代碼檢視器(Gcode viewer)。這個軟體可以檢查印表機噴嘴的行進路線。通過檢查這個,使用者可以自行決定修改GCode列印模型的不同方式(例如以不同姿勢,如站立或平躺)以節省塑料(根據姿勢和噴嘴路線,會用到更多或更少的支撐材料)。G代碼檢視器的例子有Gcode Viewer for BlenderPleasant3D

3D列印機根據G代碼從不同的橫截面將液體,粉末,紙張或板材等材料一層層組合在一起。這些層次與電腦輔助設計模型中的虛擬層次都是相對應的。這些真實的材料層或人工或自動地拼接起來形成3D列印成品。3D列印技術的主要優勢在於,它幾乎可以列印所有形狀的物品。

列印解析度指的是層次的厚度以及長和寬解析度,單位為點/英寸(dpi)或微米(µm)。層厚一般為100微米(250點/英寸),但有些印表機,例如OBjet Connex 系列和Project 3D系統,可以列印層厚16微米(1600點/英寸)的物體[17],橫縱解析度可以與雷射印表機媲美,3D圓點直徑大約為50到100微米(510到250點/英寸)。

現代制模技術根據工藝,模型大小和模型複雜程度的不同,耗費的時間從幾個小時到幾天不等。增量製造系統則可以將一般生產時間縮短到數小時,當然具體生產時間仍然根據印表機型號,模型大小和同時列印模型數量的不同會有較大變化。

傳統的諸如注塑成型等工藝在批次生產聚合物上成本較低,但增量製造速度更快,更靈活,在生產少量物體時較划算。擁有了3D列印機的幫助,設計者和概念開發團隊就可以利用這個只有桌面大小的印表機進行零部件和概念模型的生產了。

完成[編輯]

世界範圍的快速原型成型技術

儘管3D列印的解析度能滿足許多產品的要求,但仍有上升的空間。方法是:先用標準解析度列印一個比要求稍大的模型,然後用高解析度的削減程式將多餘的材料移除[18]。這樣就能得到更為精確的3D模型。

一些可用於列印的聚合物在完成時可以讓表面光滑,並使用化學氣相過程改善。

有些增量製造技術允許在列印過程中使用多重材料。這些技術能夠同時進行彩色和混色列印,且不一定需要塗漆。

一些列印技術要求內部支撐來在建造懸臂特點。這些支撐必須在列印完成時用機械方法清除或溶解。

所有的商業化的金屬3D列印機都包含了在沉積後切割從金屬基板切去金屬部件的功能。GMAW 3D列印有一種新工藝可以用錘子取出去除部件來修改基材表面。[19]

過程[編輯]

使用快速成型工業KUKA機器人製造的Audi RSQ汽車

在20世紀70年代後期,出現了許多不同的3D列印方法。最初,3D列印機笨重,昂貴,並且能夠列印的東西十分有限。[3]

許多增量技術逐漸投入使用。不同增量工藝主要區別在於層疊方法和使用的材料。有些工藝通過熔化或軟化材料分層,例如選擇性雷射熔化英語selective laser melting技術(SLM)或直接金屬雷射燒結英語direct metal laser sintering術(DMLS)、選擇性雷射燒結英語selective laser sintering術(SLS)、熔融沉積成型英語fused deposition modeling(FDM)[20]或熔絲製造(FFF)。還有些工藝運用不同技術加工液體原料,例如立體光刻英語stereolithography技術(SLA)。在分層實體製造英語laminated object manufacturing技術(LOM)下,原材料(紙張,聚合物,金屬等)被切分成層以供重組。每種增量工藝都有自身的優缺點,因此一些公司開始同時供應粉末與聚合物原材料以供不同的工藝選擇。[21] 另外一些公司有時會以現成的普通單據為原料製作能長期使用的基礎模型。在挑選3D列印機時,主要需要考慮的是列印速度,印表機價格,列印原型價格,列印材料的選擇,價格及其顯色能力。[22]

可直接處理金屬的3D列印機價格較高。但有時便宜的3D列印機也可以用來制模,然後在此模型的基礎上製作金屬部件。[23]

印表機類型 工藝 材料
擠壓型 熔融沉積成型英語Fused deposition modeling(FDM)或熔絲製造英語Fused Filament Fabrication(FFF) 熱塑性塑料(例如,PLAABS樹脂、HIPS、尼龍)、HDPE英語High-density polyethylene共晶、食用材料、橡膠萬能橡皮泥英語Sugru)、雕塑粘土英語Modelling clay普萊斯蒂辛橡皮泥英語Plasticine室溫硫化有機矽英語RTV silicone金屬粘土英語Metal clay(包括貴金屬粘土英語Precious Metal Clay
自動注漿成型英語Robocasting 陶瓷材料金屬合金金屬陶瓷英語cermet金屬基複合材料陶瓷基複合材料
金屬線路型 電子束無模成型製造器英語Electron beam freeform fabrication(EBF3 幾乎所有金屬合金
顆粒型 直接金屬雷射燒結英語Direct metal laser sintering(DMLS) 幾乎所有金屬合金
電子束熔煉英語Electron-beam melting(EBM) 包括鈦合金英語Titanium alloy在內的幾乎所有金屬合金
選擇性雷射熔化英語Selective laser melting(SLM) 鈦合金英語Titanium alloy鈷鉻合金英語Cobalt-chrome不鏽鋼、鋁
選擇性熱燒結英語Selective heat sintering(SHS)[24] 熱塑性粉末
選擇性雷射燒結英語Selective laser sintering(SLS) 熱塑性塑料、金屬粉末、陶瓷粉末
粉末噴墨針頭型英語Powder bed and inkjet head 3D printing 石膏3D列印(PP) 石膏
層積型 分層實體製造英語Laminated object manufacturing(LOM) 紙張、金屬箔英語metal foil塑料薄膜英語plastic film
光聚合型 立體光刻英語Stereolithography(SLA) 光聚合物英語photopolymer
數字光處理(DLP) 光聚合物

擠壓沉積過程[編輯]

熔融沉積成型:1—注射熔體塑料噴嘴,2—沉積材料(模體),3—抽取式操控台

20世紀80年代晚期 S.Scott Crump英語S.Scott Crump 發明了熔融沉積成型(FDM)技術,1990年斯特塔西公司英語Stratasys將這一技術應用於生產。[25] 此技術專利到期後形成了一個大型的開放資源,允許商業或個人使用應用此技術3D列印機。由此,FDM技術從發明以來價格一路降低。

FDM技術製作模型或部件的方法是使用一種細珠,可以即時硬化形成分層。纏繞在捲軸上的熱塑絲或金屬線逐漸展開並輸送向擠壓英語extrusion噴嘴。擠壓噴嘴將其加熱輸出。通常情況下會使用步進馬達伺服馬達操控擠壓噴頭和調控材料輸出。噴頭橫縱均抽取式,通常使用微控制器當中的電腦輔助製造(CAM)軟體包對噴頭輸出過程進行監控。

ABS樹脂聚碳酸酯(PC)、聚乳酸(PLA)、高密度聚乙烯英語High-density polyethylene(HDPE)、PC/ABS、聚苯礬英語Polyphenylsulfone(PPSU)和高抗沖聚苯乙烯(HIPS)等高分子聚合物都會在過程中被使用。一般情況,這些聚合物都被用純樹脂粘接起來,呈絲狀。在這一開放資源中,很多專案都在研究如何將廢棄塑料轉化成可利用的細絲。其中一個專案就在研究可以將塑料分片擠壓成可利用細絲的生產裝置。

運用FDM技術生產的模型在造型上會有些許限制。例如鐘乳石樣的造型就很難生產出來,因為列印過程中沒有對被列印物體的支撐。因此,該技術必須設計出一種支撐物,不能太厚,並且在成品完成時可以將其打碎剝離。

顆粒材料結合[編輯]

另一種3D列印技術就是在顆粒床上對材料進行選擇性融合。首先,先融合部分材料,將其放入工作區,加入另一層顆粒材料,重複上一個過程,直到一個完成的部件被生產出來。這一過程使用未融合的材料作為媒介來支撐懸掛的或材質較薄的膏體,減少了生產過程中臨時輔助支撐材料的使用。過程中還會使用雷射來將液體的媒介燒結英語Sintering,例如選擇性雷射燒結英語selective laser sintering(SLS)技術,會同時運用金屬和聚合物(如聚醯胺(PA)、玻璃纖維增強聚醯胺(PA-GF)、玻璃纖維(GF)、聚醚醚酮(PEEK)、甲苯(PS)、Alumide英語Alumide、碳化物、彈性體),和直接金屬雷射燒結英語direct metal laser sintering(DMLS)技術。[26]

德克薩斯大學的Carl Deckard博士和Joseph Beaman博士在美國國防部高階研究計劃局(DARPA)的資助下於20世紀80年代中期發明了選擇性雷射燒結英語Selective laser sintering(SLS)技術,並取得專利。[27] 1979年R.F.Housholder也取得了類似技術的專利,但並沒有投入商業生產。[28]

選擇性雷射熔化英語Selective laser melting(SLM)技術並不採用燒結融合粉末顆粒的做法,而是分層使用高能量雷射使粉末完全融化,產出高密度的材料。這樣生產出的材料與用傳統方法生產出的金屬機械效能類似。

電子光束溶解法英語Electron beam melting(EBM)也是一種類似的增量製造技術,用於製造金屬部件(鈦合金英語titanium alloy等)。EBM技術在真空中用電子束逐層的熔化金屬粉末。但與需要在低於熔點的溫度下採用的金屬燒結工藝不同,EBM技術生產出的部件密度大,無氣泡,硬度強。[29][30]

另一種方法需要採用一種3D噴墨列印英語Powder bed and inkjet head 3D printing系統。印表機平鋪一層粉末(石膏樹脂等),運用類似噴墨列印的方法製作出一部分部件,再將橫截面粘合起來,每次生產一層模型。這個過程一直重複下去,直到模型的所有層次都列印出來。這種技術可以列印全彩物體和懸空以及彈性物體。通過注入蠟或熱固性聚合物可以提高粉末列印物的粘合力。

層壓[編輯]

一些3D列印機可以使用紙張進行低成本的3D列印。20世紀90年代,一些公司開始推廣一批新型的3D列印機。這些印表機使用二氧化碳雷射束切割出一部分有特殊塗層的紙張,然後再層層壓合在一起。

2005年,Mcor科技有限公司英語Mcor Technologies Ltd發明了一種不同的方法,採用碳化鎢刀片切割普通的辦公室紙張,對其加壓,選擇性地沉積粘合材料組合出成品。[31]

還有許多公司出售的3D列印機可以使用薄塑料或薄金屬片對材料進行層壓成型。

光聚合[編輯]

立體光刻工藝

1986年查克·赫爾英語Chuck Hull取得立體光刻技術(SLA)專利。[32] 1974年Mitsubishi's Matsubara發明出光聚合技術,SLA主要採用的就是這種技術,從液體從分離出固態成品。[33] 該技術大大改進了1860年 François Willème (1830–1905)發明的「光雕塑」技術。這種「光雕塑」技術需要從不同的等距角度對物體進行拍攝,將每張相片嵌入螢幕中,再用比例繪圖儀英語pantagraph在塑形粘土上繪出輪廓。[34][35][36]

在使用時光聚合技術時,要求將一桶液體聚合物置於安全燈英語safelight的可控光照射下,暴露在燈光下的液體聚合物的表層漸漸固化,此時將已經固化的模板向下移動,再次將液體的聚合物暴露在燈光下,再次固化。如此重複直到整個模型成型。將剩下的液體聚合物控出,剩下的就是固體模型了。EnvisionTEC英語EnvisionTEC Perfactory[37]就是DLP快速制模系統的使用案例。

諸如Objet PolyJet之類的噴墨印表機系統採用的方法是將光聚合物噴洒在極細的一層托盤上(16至30微米之間),每層光聚合物在被噴出之後需要紫外線進行固化英語Curing (chemistry)加工,這樣可以使最終固化的模型可以立刻投入使用而不再需要後期固化。用於支撐複雜形狀模型的凝膠樣的支撐材料可以手工或噴水去除。該技術同樣適用於彈性體原料。

運用多光子光聚合技術的3D微加工可以製造超小微粒。該技術採用聚焦雷射束將凝膠變成需要的3D模型。因為光激發是非線性的,凝膠只會在雷射照射的地方固化,剩餘的則可以直接丟棄。無論是小於100奈米的微粒,還是有移動交叉的複雜模型,這種技術都可以輕鬆做出。[38]

另一種技術則需要用到經LED燈固化的人造樹脂。[39]

遮罩圖像投影立體光刻技術將3D電子模型水平分割成片狀,每片都會被轉化成二維遮罩圖像,將遮罩圖像嵌到光固化樹脂的平面,打上燈光,就能把樹脂固化成每片模型的形狀。[40] 有些模型包含多種材料,凝結速率不同,有些公司在製作這些模型時就採用了該技術。[40]研究發現,將光束從下方照射,可以使樹脂快速均勻地分布,這樣,生產時間就從數小時縮短到了數分鐘。[40]商業化的Object Connex等裝置採用噴嘴噴洒樹脂。[40]

3D列印機[編輯]

工業用途[編輯]

從2011年5月起,Ultimaker英語Ultimaker公司開始出售價格從1,300美元到2,750美元不等的增量生產系統。這些生產線可以利用到多個領域:航空航天,建築,汽車,國防,牙科等等。通用電氣公司就採用了進階3D模型生產渦輪部件。[41]

消費用途[編輯]

RepRap 2.0版 Mendel
MakerBot Cupcake CNC
一台Ultimaker 3D列印機在Mozilla生產商聚會上工作


多家公司正在研發家用3D列印機。目標市場主要為DIY一族,3D列印愛好者,燈塔客戶以及學術研究和電腦領域。[42]

RepRap在3D列印機家用系列中已經發展了很久,旨在生產自由及開源硬體(FOSH)的3D列印機,各項規格符合GNU通用公共許可證的要求,並能生產自身零部件。[43][44] RepRap已證明可以列印電路板[45]和金屬部件。[46][47]

因為RepRap的「資源開放自由」,許多相關科技紛紛效仿,帶動大部分相關或衍生3D列印機開放資源。這種開放性意味著3D列印機的各種變體將會較容易實作。但不同技術的品質,複雜程度以及使用材料和成品的品質都是不同的。開放資源的3D列印機可實作高度客製化,並且可以利用Thingiverse和Cubify等,借鑑公有領域設計,開發開源適用技術,隨著其迅速發展,逐漸在各個領域得到關注。該技術因其材料的易得性和經濟性,也有助於可持續發展計劃的展開。[48][49]

3D列印機的價格自2010年左右開始大幅度下降,過去要2萬美元的機器現在可能1000美元不到就可以買到,[50] 像2013年一些公司和個人開始售賣RepRap的零部件,價格大概只要400歐元(500美元)。[51] 開放軟體計劃Fab@Home英語Fab@Home[52]發明出的普通用3D列印機可以使用任何能從噴頭裡擠出來的的原料,從巧克力到矽酮密封劑到化學反應物。2012開始,供銷商開始供應類似的3D列印機的安裝套件或成品,價格為2000美元上下。[51] Kickstarter旗下的Peachy Printer印表機預計售價為100美元,[53] 其他瞄準了小型經濟型3D列印機市場的還有mUVe3D和Lumifold等新型印表機品牌。Rapide 3D設計了專業級的3D列印機的成本為1499美元,在使用過程中無煙也無響聲。[54] 「3D列印鋼筆」3Doodler籌集了2300萬美元在Kickstarter上賣99美元,[55] 雖然3D塗鴉(3D Doodler)一直被批評更多是一支工藝筆,而不是3D列印機。[56]

Airwolf 3D AW3D v.4(Prusa)印表機

隨著其價格的降低,3D列印機越來越受到DIY客戶的歡迎。[57]另外,利用3D列印技術自製物品能降低物耗進而減少對環境和迴圈系統的影響。[58]回收廢舊塑料桶,回收的塑料將被用於3D列印。有人設計了一些回收計劃,例如商業性的Filasturcer,用於將洗髮水瓶,牛奶盒等廢舊塑料改造成可用於RepRap3D列印機的低成本原料。[59]有證據顯示,這種回收對有益於環境保護。[60]

從RepRap基礎上發展而來的3D列印機不斷發展,可客製性越來越強,出現了專供小型企業和消費用途的3D列印機。諸如Solidoodle英語Solidoodle[41]Robo 3D英語Robo 3DRepRap專業版與Pirx 3D等生產商推出的相關安裝套件和成品,售價不足1000美元,比2012年9月少了數千美元。[41] 這些3D列印技術的解析度和生產速率介於個人印表機和工業印表機之間。這些印表機的具體價格和其他相關資訊還有待公布。[51] 最近,TripodMaker英語TripodMakerDelta機器人英語Delta robot被運用到3D列印技術中以提高列印速度。[61] 這種印表機外形,列印程式各不相同,列印精確度主要取決於列印針頭的位置。[62]

有些公司也提供3D列印軟體,作為其他公司生產的3D列印硬體的補充。[63]

大型3D列印機[編輯]

大型3D列印機可用於工業,教育和科研等領域。2014年SeeMeCNC生產出一台大型三角洲式3D列印機,能列印最大直徑4英尺(1.2米),最大高度10英尺(3.0米)的物體。與其他3D列印機不同,它採用塑料球為原料,而不是塑料細絲。[64]還有一種大型3D列印機,名稱為「大面積增量製造」(BAAM)。其目的在於快速列印體積較大的物體。Cincinnati 公司在2014年生產出的一款BAAM印表機列印速度為一般3D列印機的200到500倍。Lockheed Martin公司研發中的BAMM印表機旨在列印航天航空專用的長條狀物體(最長可達100英尺/30米)。[65]

生產應用[編輯]

三維列印使得生產單個物品與批次生產幾乎一樣便宜,這就削弱了規模經濟。它對社會影響的深遠端度可能同1750年的蒸汽機,1450年的印刷機和1950年的電晶體一樣,沒人能輕易預料。它迅速發展著,對每個相關領域都產生著巨大的影響。

—— 《經濟學人》,2011年2月10日,領袖篇[66]

增量製造技術的應用始於20世紀80年代,涵蓋產品開發英語New product development資料視覺化快速成型和特殊產品製造領域。在90年代增量製造技術在生產領域(分批生產英語Job production大量生產分布式製造英語distributed manufacturing)的應用有了進一步發展。21世紀早期增量生產在工業生產的金屬加工領域[67]也第一次達到了前所未有的規模。21世紀初,增量製造相關器械銷量大幅增加,價格大幅下降。[68] 諮詢公司Wohlers Associates稱,2012年3D列印機和3D列印服務在全球的價值為22億美元,比2011年增加29%。[69] 增量製造技術同時也衍生出許多應用服務,涵蓋建築、工程建造(AEC)、工業設計、汽車、航空[70]、軍事、工程學、口腔和醫藥工業、生物科技(人體器官移植)、時尚、鞋類、珠寶、眼鏡、教務、地理資訊系統、飲食等領域。

增量技術最早應用於工具生產。其中最早的增量技術應用之一就是快速成型制模法,旨在減少製作新部件新裝置模型的時間與開銷,因為原先採用的減量製造法速度慢而且昂貴。隨著增量製造技術的日趨成熟,在商界的存在感日益增強,它常以新穎的甚至有時難以預料的方式滲入生產終端。[71]原先減量技術獨霸一方的領域漸漸的也出現了增量技術的身影,在有些應用中,增量技術甚至可以取得更高的利潤。

分布式製造[編輯]

增量製造與雲端運算技術結合,使系統或地理上的分散化生產成為可能。[72]一些企業已經在進行此類分布式製造英語Distributed manufacturing,有些還提供為3D列印商與客戶牽線的服務。[73]

一些公司提供官網3D模型的線上3D列印服務,服務物件既可以是公司,也可以是個人。[74]3D列印設計圖可以郵寄給客戶或到提供商處自取。[75]

大規模客製[編輯]

3D列印公司提供客製化服務,客戶只需使用簡單的網頁客製軟體即可客製特殊的3D物體。[76][77]例如,消費者可以線上設計手機套。[78]諾基亞推出了其手機的3D設計圖,消費者可以據此設計列印自己的手機套。[79]

快速製造[編輯]

快速生產引入了可用於最終生產的原料,從而使直接生產零部件成品成為可能。3D列印給快速生產帶來的一個好處就是可以降低少量零部件的生產成本。

快速生產是一種新型生產法,許多工序還處在設想中。3D列印技術正在進入快速生產領域,並被視為,用一篇2009年的專家報告的話說,"更高階"的技術。[80]目前最有希望實作的是選擇性雷射燒結英語selective laser sintering(SLS)和直接金屬雷射燒結英語direct metal laser sintering(DMLS)技術和其他一些基礎較好的快速制模法的應用。但是即使到了2006年,這些技術大部分仍然處於構思階段,想要真正被作用到實際生產中,前方仍有很多障礙。[81]

快速成型[編輯]

一雙由3D列印出來的鞋
由3D列印製作的全彩微型人頭模型(FaceGen出品)
2013年班加羅爾3D列印機生產商列印展覽

20世紀80年代早期工業印表機就已經存在,並廣泛地應用於快速成型和學術研究當中。這種印表機體積較大,使用特殊的金屬粉末,鑄模媒介(沙粒等),塑料,紙張和墨盒,應用於大學和商業機構的快速成型實踐當中。

研究[編輯]

3D列印因其能製作專業化、客製的幾何形狀而對研究實驗室特別有用。2012年英國格拉斯哥大學的一項概念驗證研究顯示3D列印技術可以用來輔助生產化合物。他們首先列印出反應容器,接著用印表機將反應物注入容器當中進行反應。[82]他們生產出了新的化合物,證實了該過程的有效性,但目前這一技術還未進行針對性推廣。[82]

食品[編輯]

康奈爾創新機器實驗室稱Hydrocolloid Printing牌3D列印機可以進行客製食物的生產。[83]3D食物印表機正在研發過程中,可以把巧克力、糖果、意大利麵條[84]、比薩餅等食物一層一層地「擠」出來。[85]

格拉斯哥大學Leroy Cronin英語Leroy Cronin教授在一篇TED演講中提到,未來可能利用化學物質作為3D列印機的「墨水」,進而生產藥物。[86]

工業應用[編輯]

在20世紀80年代初以來,工業的3D列印機已經存在,並已廣泛用於快速成型設計和研究目的。這些通常是較大的機器,使用專有的金屬粉末,鑄造介質(如沙子),塑料或磁帶,並用於許多快速原型使用的大學和商業公司。製造工業用3D列印機的公司包括Renishaw,Objet Geometries,Stratasys,3D System和Z Corporation公司。

服裝[編輯]

3D列印逐漸應用到服裝領域,時裝設計師們也會使用3D列印的比基尼泳衣,鞋子和裙裝進行時裝設計構思。[87] 耐克在2012年為美國球員設計的Vapor Laser 的制模和生產中,就利用了3D列印技術,同樣的,還有New Balance利用3D技術進行運動員專用跑鞋的私人客製生產。[87][88]

3D列印研發公司正在研究可投放市場的眼鏡,擁有受歡迎的樣式,配以客製化的全套產品(除了鏡片以外)。但隨著快速制模的發展,鏡片的客製也逐漸成為可能。[89]

汽車[編輯]

2014年年初,瑞典超級跑車生產商科尼賽克發行了新車One:1,其中使用了許多3D列印的零部件。在科尼賽克生產的汽車中,One:1擁有3D列印的測鏡內零件,風道,鈦排氣部件,和全套的渦輪增壓器組裝線。[90]

美國公司Local Motors英語Local Motors橡樹嶺國家實驗室,以及Cincinnati公司正在合作研發大型的增量製造系統組裝整車車體。[91] Local Motors公司還計劃2014年9月在國際生產科技展上在觀眾面前現場列印汽車:「汽車底盤和車身由纖維加強的熱塑性塑料製成,沒有動力傳送系統,車輪和車閘重量不足450磅,全車總共也只有40個零部件,並且隨著每次改進,零部件的數量會越變越少。」[92]

Urbee是世界第一輛使用了3D列印技術的汽車(車身和車窗是3D列印的),它由美國工程公司Kor Ecologic和斯特塔西公司英語Stratasys(3D列印機Stratasys的生產商)共同製造,融合了多重技術,外觀很有未來主義的風格。[93][94][95]

飛機[編輯]

2015年5月,空客宣布其最新機空中客車A350 XWB包括超過1000的部件由3D列印製造。[96]

建築[編輯]

直到近年來,建築模型是由手工建造,並且常常花費很長的時間。因此,建築師經常被迫向他們的客戶展示自己專案的繪圖。據Erik Kinipper說,客戶通常會需要從空間各個可能的角度檢視產品來得到一個清晰的印象以做出明智的決定。為了在很短的時間內得到這些比例模型給客戶,建築師和建築公司往往依靠3D列印。[97] 使用3D列印技術,這些企業可以減少50%到80%的生產時間,做出比加工件輕60%且堅固的比例模型。[98]這樣,設計和模型就只受人的想像力限制了。

3D列印技術對精度、速度和材料品質的改進已經為3D列印從建模過程的用途轉型到製造策略開啟了新的大門。南加州大學Behrokh Khoshnevis博士的研究結果可以用3D列印機在24小時內建造一座房子。這個過程叫做輪廓工藝(Contour Crafting)。Khoshnevis、Russell、Kwon與Bukkapatnam將輪廓工藝定義為採用電腦控制系統反覆地放下材料層(如混凝土)的一種增量製造過程。[99] Bushey也討論了Khoshnevis的配備可以噴出混凝土的噴嘴並可以基於電腦圖案建造房屋的機器人。輪廓工藝技術在建造整體結構和子部件的自動化方面有很大的潛力。使用這個過程,設計可能各不相同的一座房子或房屋集群,可以單次執行自動建造,並將所有電力、水暖、空調管道嵌入。[99]

此外,Sinterhab專案正在研究利用3D列印技術,以月球表層土為基底建造月球基底。為了取代傳統的以粘合劑粘合月球表層土英語Lunar soil,科學家正在嘗試使用微波燒結英語sintering技術將月球表層土砌成堅硬的建材。[100]

類似的研究和計劃可以降低建築成本,並研究用於地球以外的棲息地。[101][102]

歷史建築的紀錄過去常以圖面或相片等平面資訊紀錄,現代因科技發展而有3D掃描技術可較精準地將歷史建築數位化進行數位典藏,而以此為基礎之資料除可妥善儲存外,亦可直接或經處理後成為3D數位模型,現在透過3D印表機可將原本僅存在數位世界中的資料實體化,數位化的製造過程更可將人為的誤差降到最低,免除過去建築模入的人為意識或變更產生與實體不符之狀況。[103]

電動汽車與發電機[編輯]

電機(汽車和發電機)的磁核需要提前加工好的特殊的一層層堆疊的薄電鐵片,片與片之間互相隔絕以減少型心鐵的損耗。有些3D列印要求所用核心材料的性狀(如材料密度,非結晶性,毫微結晶原子結構,材料分離性等)在生產過程中保持不變。這種列印要求或許只能採用不改變核心材料性質的混合3D列印技術,例如燒結,熔合,沉積等。非結晶金屬薄絲層與層之間互相隔絕,如果能對其進行較好的處理,能減少最多80%的電器核心磨損。即使是著名的3D列印「層壓物生產」(LOM)法,也只有在刻印凹槽以固定通電線圈的過程中,或生產後續工序中(例如為了使物體表面平整,同時提高材料的組裝密度而對有氣隙的表面進行碾壓)減少對非結晶物體非結晶結構的破壞,才可能達到減少磨損的效果。

在與美國能源部Arpa-E(先進研究工程機構-能量)計劃簽約後,一隻來自聯合科研中心的研究人員小組自2014年開始研究使用增量技術生產30千瓦特的感應電動機,嘗試使用不含稀土磁體的電動機技術使其在每分鐘0到12,000轉的速度下,保持30至50千瓦特的持續電力。[104]

武器[編輯]

2012年,一個位於美國的「分布式防禦組織英語Defense Distributed」(Defense Distributed)計劃"設計一種實用型塑料,只要使用3D列印機就可以進行下載和複製生產。"[105][106] 該組織還設計了一種可以3D列印出來的650發AR-15型來復下機匣英語Receiver (firearms)和30發M16彈匣。AR-15有多個機匣(上下各一個),但被序列化上傳的部分受法律管制(在這個例子中指AR-15的下機匣),所以2013年5月在分布式防禦組織成功用3D列印機設計生產出了塑料槍後不久,美國國務院就要求他們將相關檔案從網站上撤下。[107] 3D列印使普通消費者也能接觸到數控工具機[108][109]的生產過程,因此有人提出質疑,擔心對其對相關槍枝管制效果的不良影響。[110][111][112][113]

2014年,日本人由友井村成為世界上第一個因3D列印槍枝而被判刑的人。[114]他在網站上上傳了槍枝構造圖和製作視訊,被判刑兩年。警方在他家裡發現至少兩支可開火槍枝。[114]

醫藥[編輯]

3D列印已經被應用到生產移植器官和器械等醫療領域。目前成功的案例有一位英國病人移植的鈦骨盆,一位比利時病人移植的鈦下頜[115]和一個美國嬰兒移植的塑料氣管夾板。[116] 助聽科和牙科在未來有望成為3D列印技術的最大使用領域。[117] 2014年3月,斯溫席海港的外科醫生使用3D列印材料對一位車禍受重傷的汽車駕駛員的面部進行了修復。[118]針對關節炎和癌症損傷器官的移植,相關的3D列印研究正在進行中。[119]

醫療器械[編輯]

一個年僅5歲的英國小女孩,出生時左手五指發育不完全。2014年10月,她成為了第一個在3D列印技術的幫助下獲得「人工手」的孩子。這個人工手基於這個女孩父母提供的塑膠模型製作。[120] 負責設計工作的是總部位於美國的開源設計組織E-nable。該組織下的志願者們一直在做著主要針對兒童的彌補性組織的設計和生產工作。

3D列印的義肢也被用於受傷動物的治療上。2013年,3D列印技術幫助一隻瘸腿鴨恢復了行走的能力。[121]2014年,一隻沒有前肢的吉娃娃裝上了3D列印的安全帶和輪子。[122]3D列印的寄居蟹殼則讓寄居蟹過上了新房子裡的生活。[123]

生物列印[編輯]

截至2012年  (2012-Missing required parameter 1=month!),生物科技公司和學界就一直在研究3D生物列印英語3D bioprinting技術在組織工程中的應用,也就是說,用噴墨技術來生產身體組織和器官。設想是,活細胞在凝膠媒介或糖基中一層一層地沉積,慢慢地組成諸如脈管系統的三維組織。[124] 第一個3D組織列印系統出現於2009年,運用NovoGen英語NoveGen生物列印技術為基礎。[125] 由此出現了一些相關術語,例如組織列印、生物列印、肢體列印[126]、電腦輔助組織工程,等等。[127] 3D列印在整修外科軟組織生產方面的應用潛力還在研究當中。[128]

2013年,中國科學家開始使用活體3D列印人耳,肝臟和腎臟。使用活細胞取代塑料,用特殊3D列印機生產人體器官的實驗也獲得成功。杭州電子科技大學的研究人員發明了自己的3D列印機Regenovo,含義是是「3D生物印表機」,用於完成較為複雜的生產工作。據Regenovo研發者之一徐民根稱,該印表機一個小時內可以生產一個迷你肝臟樣本或4/5英尺的人耳軟骨樣本。他還預測未來十到二十年後,就有可能能夠列印功能齊全的器官了。[129][130] 同年,比利時哈賽爾大學的研究人員成功地為一位83歲的比利時婦女列印出了新的頜骨[131]

電腦和機器人[編輯]

3D列印技術可以用來製造筆記型電腦和台式電腦,例子有Novena英語Novena (computing platform)VIA OpenBook英語VIA OpenBook標準筆記本機箱。即可以購買Novena英語Novena (computing platform)主機板用在列印的VIA OpenBook機箱中。[132]

開源機器人英語Open-source robotics使用3D列印機構建的。Double Robotics英語Double Robotics授權取得他們的技術(開放SDK)。[133][134][135] 另外,3&DBot是一個有輪子的Arduino3D列印機機器人[136]ODOI是3D列印的類人機器人英語humanoid robot[137]

太空[編輯]

2014年9月,SpaceX公司將首批零重力3D列印機交付到國際太空站(ISS)。2014年12月19日,NASA通過電子信件把套筒扳手的CAD圖紙傳送給了國際太空站上的太空人,他們之後用3D列印機列印了這個工具。太空中的應用使得可以就地列印破損的零件或工具,而不是用火箭為太空任務把提前製作好的物品帶到月球、火星或其他人類群落。[138] 歐洲航天局計劃在2015年6月運送新的便攜船載3D列印機(簡稱POP3D)到國際太空站,使其成為太空中第二個3D列印機。[139][140] 2013年底,台灣的國立交通大學前瞻火箭研究中心利用3D列印技術印製APPL-9火箭外殼,大幅降低火箭外殼成本,並使火箭內部裝置的拆裝及測試更加容易。[141]

社會文化應用[編輯]

圖中為3D列印的限量版首飾。這串項鍊的原材料為玻璃纖維填充的染色尼龍。把材料串起來的掛繩同材料本身一樣,也是3D列印出來的。
「時代衛士」,作者Manfred Kielnhofer,拋光鎳鋼由Shapeways公司於2014年3D列印製作
3D列印的陶瓷

2005年,隨著開源RepRapFab@Home英語Fab@Home專案的啟動,一個迅速發展壯大中的針對3D列印愛好者和家用功能的市場正在形成。目前幾乎所有的家用3D列印機都借鑑了現有的RepRap專案以及其他相關的開源軟體專案的技術。[142]一項研究[143]表明,在分布式製造下,可以大規模製造3D列印機,幫助消費者節省日常用品的花銷。[57]例如,消費者可以在家直接將下載好的3D模型列印出來,而不用去商店購買工廠通過注塑成型技術生產出來的產品(例如量杯漏斗)。

藝術[編輯]

2005年,有關3D列印在藝術領域中的運用的研究逐漸出現在學術期刊中。[144] 2007年,在一篇發表在《華爾街日報》[145]和《時代周刊》上的文章的影響下,媒體將一件3D列印作品列為「年度最有影響力的100件設計」之一。[146] 2011年倫敦設計節上由Murray Moss 代為展出的一件以3D列印為主題的展品被收藏在維多利亞與艾伯特博物館(V&A)中。該展品名稱為:《工業革命2.0:物質世界的新實作》。[147]

3D列印機製作的花模型

在2013年11月和2014年舉辦的倫敦的3DPrintshow中透露出了3D列印的一些最近的進展。藝術展區展示了塑料和金屬3D列印的藝術品。Joshua Harker、Davide Prete、Sophie Kahn、Helena Lukasova、Foteini Setaki等一些藝術家展示了如何用3D列印改變審美和藝術的過程。展覽的一個部分聚焦於用3D列印推進醫療領域的途徑。這些進展的基本主題是這些印表機可以用來創造滿足每個人具體需求的部件。這使得過程更安全、更高效。這些進步之一是使用3D列印機來做出模仿骨骼的支撐作用的鑄件。這些客製裝配的鑄件是開放的,可以允許佩戴者瘙癢以及清洗受損區域。開放的結構也可以開啟通風。最棒的特點之一是這些鑄件可以回收製成更多鑄件。[148]

3D列印在客製禮品行業越來越流行,產品如個性化手機套和娃娃,[149] 以及3D列印的巧克力。[150]

3D掃描技術可以應用到真實物體的複製中,比傳統的制模技術價格便宜,難度低,可操作性好。傳統技術對物體進行複製操作難度大,而一些珍貴易碎文物的複製[151]要求避免與制模材料的直接接觸以防止對文物表面的傷害,操作難度就更大了。

批判性製作英語Critical making指的是能將科技與社會聯繫起來的富有成效的創新活動。這種活動旨在彌合創新科技與理論探索之間的鴻溝。[152] 最早的提出者是多倫多大學資訊科技學院助理教授,同時也是批判新製作實驗室主管的Matt Ratto。Ratto認為批判性製作的一個主要目標就是通過物質上的科技發展,來補充和拓展批判性思維,最終使我們對科技的切身體驗與理論分析再次聯通。[153] 批判性製作的重點在於開放性設計,[154] 除了3D列印技術外,還包括其他數位軟硬體。當說到批判性製作,人們通常會想到精美的設計作品。[155]

通訊[編輯]

波導管,耦合器,可曲波導管等兆赫茲裝置已經可以利用3D列印的增量層次技術進行生產,這是傳統組裝工藝做不到的。商務專業版EDEN印表機能夠列印最小100微米的物體,經或其他金屬DC濺射後組裝成為兆赫茲電漿雷射裝置。[156]

家用[編輯]

2012年,家用3D列印流傳在一些3D愛好者中,在家電中的實際應用較少。已經製造出來的有鐘錶[157]和家用木具齒輪[158] 3D列印還可以進行裝飾品的生產。相關網站上還有關於抓背扒,掛衣鉤,門把手等的相關3D列印資訊。[159]

開放資源的Fab@Home專案[52]已經開發出了普用型的3D列印機,已經被應用於科研領域,進行化合物合成。還有些新型3D技術還在實驗階段,所以一開始沒有立即投入生產。[82] 該印表機可以使用任何可以從注射器中擠出的液體或漿糊作為原料。這一應用的開發者還在開發相關的工業和家庭用途,能使使用者遠端生產藥物或家用化學品。[160][161]

3D列印漸漸應用到日常生活中,很多孩子很小就能接觸到相關產品。隨著發展與不斷創新,3D列印技術在家庭中的應用會越來越多。[162]

一個學生在一份課程作業中設計了OpenReflex單反相機,可與3D列印配套使用。[163]

教育研究[編輯]

3D列印,特別是開源的RepRap 3D列印機最近也應用到教學當中。[164][165][166] 3D列印讓學生可以不再使用昂貴的用傳統減量方法製作的模型,而是利用3D技術直接設計和列印模型。這種課堂環境可以讓學生學習和使用3D列印的新應用。[167] 例如RepRaps已被用作教學移動機器人平台。[168]

一些學者聲稱,RepRap 3D列印機為STEM英語STEM教育提供了一個前所未有的「變革」。[169] 這種說法的證據既來自學生在教室中快速成型的低成本,也來自搭建開源實驗室英語open-source labs的科學裝置開源硬體設計的低成本。[170] 學生在課堂上學習3D應用的相關知識,開發3D列印的應用潛力,在這個過程中同時學習工程,設計,和建築的相關知識。化石,歷史文物的複製也可以通過3D列印完成,避免了對珍貴文物可能造成的損傷。對製圖設計有興趣的學生還可以將複雜的部件組裝成完整的模型。3D列印為地形圖的繪製提供了新視角。學生物的學生通過3D模型可以更好的學習觀察人體內部器官和其他生物標本。學化學的學生則可以觀察分子的3D模型,分析化合物間的關係。[171]

Kostakis等人在最近的一篇論文中談到,3D列印和設計能夠提升孩童的認知和創造力,幫助他們更好的適應當今的互聯資訊化社會。[172]

3D列印在未來還可能應用於開放資源的科學儀器的生產中。[170][173]

環境[編輯]

巴林群島,3D列印已經投入大規模的使用,以類似砂岩的材料作為原料,生產珊瑚形狀的結構,吸引珊瑚蟲再次繁殖生產,來彌補已經被破壞的珊瑚礁。這些結構比用來製造人工魚礁的其他結構更加自然的形狀,並且與混凝土不同,pH值呈非酸非鹼的中性。[174]

特性材料[編輯]

供消費者使用的3D列印引進了3D列印機專用材料。例如,用絲狀物質模仿木質品的外觀和質地。此外,注入式碳纖維[175]等新科技應用到列印塑料當中,可減輕塑料重量,提高強度。新結構材料不斷研發出來的同時,3D列印可直接使用已有的式樣。

無氧化鐵波特蘭水泥粉末已被用於建造高達9英尺(2.7公尺)的建築。[176][177][178]

智慧財產權[編輯]

3D列印的應用在一些生產領域已經存在多年,這些領域會涉及到專利工業設計使用權英語industrial design right版權商標權等的保護問題。然而,如果3D列印機的應用逐漸普及,個人或愛好者們用其進行個人物品的列印,進行非盈利或盈利的分享與傳播,這些智慧財產權的保護與管理情況就很難說了。

上述的每一種智慧財產權紛爭都可能妨礙3D列印採用某種被保護的設計以及列印成品的傳播與銷售。如果想要合法地進行此類的3D列印,使用者需要與所有者進行聯繫,索取使用權(當智慧財產權還未過期時),一般情況下需要支付版權費,使用場合與用途也有一定限制。

專利權覆蓋生產過程,裝置,產品,配方等多個方面,不同國家專利權的有效期也不同。因此,如果未經許可就使用某種註冊過的輪子,你可能已經侵犯了他人的專利權。[179]

版權在任何可感可視的物體[180]中都受到保護,有效期常為版權所有者在世時間加去世後70年。[181] 一個雕像的製作者擁有這個雕像的外觀版權,其他人不得未經允許就使用相同或類似的設計。

如果一個物體兼具藝術性(可申請版權)和實用性(可申請專利權),在美國法律中,如果其藝術性與實用性沒有明顯的區別,該物體就不能申請版權。[181]

槍枝立法和管理[編輯]

美國國土安全部聯合地區情報中心英語Joint Regional Intelligence Center發行公告稱「3D列印有了重大進步,免費的槍枝3D列印檔案在網路上不斷傳播,檔案分享管理難度大,這些都可能讓違法分子獲得3D列印的槍枝,給公眾安全造成隱患。」 「相關法律或許能限制3D列印槍枝,但很難做到完全禁止,阻止此類3D列印檔案在網上流通就像打擊盜版音樂,電影,軟體一樣困難。」[182]

國際上其他國家的槍枝管制一般都比美國要嚴格,因此一些評論家認為會受到更大的衝擊,因為在這些國家很難輕易找到其他槍械替代品。[183] 歐洲相關官員稱3D列印槍枝違反當地槍枝管制法律,[184] 雖然犯罪分子仍然可以通過其他管道獲得武器,但科技進步會增加他們獲得槍枝的可能性,給社會帶來更多不穩定因素。[185][186] 英國,德國,西班牙,巴西的網上槍械3D列印設計圖的下載量不容小覷。[187][188]

有人把限制槍枝設計圖的網上傳播比作限制用DeCSS翻錄英語RippingDVD一樣,在網上傳播量太大,想要限制他們根本就是徒勞。[189][190][191][192] 即使美國政府勒令分布式防禦(Defense Distributed)下線,但在海盜灣等共享網站上仍然可以下載其相關檔案。[193] 美國一些立法人員正在籌措出台相關法律,對3D列印進行管理,禁止槍械的列印。[194][195] 3D列印的支持者稱對3D列印的管制很難起效,並且會限制3D列印產業的發展,阻礙言論自由權。3D列印早一批的倡導者之一Hod Lipson教授提出應當對火藥進行管制而不是3D列印。[196][197][198][199][200][201][202]

影響[編輯]

增量製造現在還處於發展階段,如果相關公司想要保有自身的競爭力,就必須靈活發展思維,不斷增添融合新技術。增量製造的支持者稱3D列印技術的可能會阻礙全球化發展,因為3D列印的終端使用者很可能就這樣轉向自己列印所需要的物品,而不再購買他人生產的產品。[3] 然而,新興的增量製造技術如果想要真正融入商業化生產,或許更可能是對傳統減量生產的一種補充,而不是完全的取代。[203]

社會變化[編輯]

從20世紀50年代起,隨著增量製造逐漸在商業中得到應用,許多作家和社會評論員對此可能來帶的社會和文化變化從多個方面進行了預測。[204] 其中較為重要的一個預測是,隨著3D列印技術越來越多的應用到人們的家庭生活中,家居和工作環境的界限可能變得模糊。[205] 類似的預測還有,因為3D列印技術使得商業公司在全球範圍內新創意的交流更加便利,所以對快遞服務的需求會相對減少。[206] 最後,隨著物品複製的難度越來越小,越來越普及,現有的智慧財產權保護法是否會進行相應調整還有待觀察。

3D列印機逐漸進入消費者視野,由此,一些線上社會平台應運而生,[207] 例如3D列印機製作教學網站,討論3D列印品質,分享相關新聞的網上論壇,以及熱衷分享3D列印模型的社群網站等。[208][209][210] RepRap是一個基於wiki環境的網站,創始之初旨在提供3D列印的全套資訊,逐漸發展成致力於將3D列印推廣到千家萬戶的團體組織。Pinshape英語Pinshape、Thingiverse和MyMiniFactory等其他網站允許使用者上傳自由下載的3D列印檔案,以減少3D檔案傳輸的費用。在這些網站的帶動下,致力於探討推廣3D列印的團體不斷興起,使用者間的線上線下交流逐漸增加。

一些人[211][212][213]呼籲將3D列印與共同對等生產英語Commons-based peer production和其他低成本生產工藝結合起來。依靠外部資源的3D列印平台系統如何實作自身發展,這一問題隨著範圍經濟的發展可能得到解決。同時,非政府組織也能在促進3D列印生產向可持續,客製化方向發展中起到重要作用。[211] 然而,生產方式的民主化所帶來的問題也是真實存在的,特別是具體物體的生產方法的擴散可能帶來風險。[211] 例如,高階奈米材料的可回收性仍然問題重重,武器生產的難度縮小,造假[214]和IP管制問題等等。[215] 傳統工業範式的競爭力來源是規模經濟,而3D列印和共同對等生產英語Commons-based peer production依靠的則是範圍經濟。規模經濟的優勢在於全球運輸的低廉價格,而範圍經濟則利用組裝工具,側重節約基礎設施成本(物理和腦力生產力)。[211] Neil Gerhenfeld[216]稱,「世界上最不已開發國家需要一些最先進的科技」。3D列印和共同對等生產能幫助這些國家接觸到國際視野,將其應用到解決當地問題和需要當中。

勞倫斯·薩默斯寫到3D列印和其他科技(機器人,人工智慧等)可能給做例行工作的工人帶來"災難性後果"。在他看來,「現在美國在生產線上工作的人比靠殘障保險過活的人都少了」。他認為,現在的發展趨勢是令人擔心的,特別是對於那些技術專業性不那麼強的工人來說,因為資本代表的人工智慧在未來會有越來越強的能力代替白領和藍領工作。薩默斯建議社會做出更多的努力來積極改善可能使財富擁有者「逃避」下發工資和賦稅的"各種各樣的機制"(避稅港,銀行保密制度,洗錢,管理混亂等),並要求富人在積累財富的同時回報社會,包括:更嚴格的執行反壟斷法,減少對其智慧財產權"過分的"保護,積極制定計劃使公司發展惠及普通員工,加強雙方協定安排,提高公司管理水平,加強金融監管,減少對金融活動的補貼,放寬可能使富有者房價上漲的土地限令,為年輕人提供更好的教育機會,培訓下崗員工,提高基礎設施建設方面(能源生產,交通運輸等)的公共和個人投資。[217]

麥可·斯彭斯寫道,「強大的數位電子科技如潮流一般襲來,正在取代人工進行越來越複雜的工作。這一機器取代人工,非中介化英語Disintermediation的過程在服務領域早已出現,比如ATM機,網上銀行,企業資源規劃,客戶關係管理,移動支付系統等等。這是一個革命性的過程,儼然已經蔓延到貨物生產領域,體現在3D列印和機器人在某些方面對人工的取代。」他認為,數位科技的大部分成本來源於初始階段,即硬體(3D列印機本身)的設計和驅動軟體的開發,「設計製作完成後,硬體的邊際成本就很低了(並且隨著生產規模的擴大不斷降低),而軟體的複製成本就更低了,趨近於零。並且有龐大的全球市場對預付的設計和測試的固定費用進行分攤,這一狀況刺激了對數位技術的投資。」斯彭斯相信,之前的數位科技促進商業公司在全球內開發未被充分利用的人力資源,而現在的潮流則推動公司「取代人工以減少花銷」。例如,隨著3D列印成本下降,生產的「極度」在地化和客製化都是很可能出現的。進而,生產過程會根據實際需求,而不再是預計需求,進行調整。[218]

福布斯》雜誌投資專家預測,考慮到對現有工業起補充作用的小型創新型企業的現狀,和外包市場必要基礎設施的缺乏,3D列印可能引領美國式生產的復興。[219]

參見[編輯]

參考文獻[編輯]

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