1.3  3D打印技术在橡胶工业上的使用情况

3D打印技术已经成功打印出了许多橡胶制品（如图八，图九），但距离大规模生产还是有一定得距离的。因为如果要想将3D打印技术完全运用在橡胶制品中，那么橡胶制品在结构和使用的原料上就应更加适合3D打印技术的要求。目前，橡胶制品大都使用单一的混合材料，同时还添加了各种配合剂跟填充剂，并经过硫化工艺的处理，这样才能获得一定的物理化学性能和机械性能。而这对3D打印技术所需要的原料而言，最为可行的办法就是将硫化工艺融入到3D打印技术所使用的改性材料中去。因此，从理论上讲，3D打印技术能够被运用到许多类型的橡胶制品当中去。但是目前仍有一些因素在制约着这种发展，即在短时间内很难用3D打印技术大规模生产橡胶制品。第一个限制因素是：高成本，能运用3D打印技术制造的橡胶制品的原材料必须经过特殊的工艺处理及添加各种配方，这极大地提高了产品成本。同时，就拿运用在橡胶制品生产中的大型3D打印机来说，其不仅本身价格昂贵，而且其还需要大量昂贵配套设备;第二，生产效率低，速度慢。这主要受限于3D打印机的结构原理，其中大部分只能实现600dpi的分辨率，且每层厚度只有0.01毫米。即使是较为先进的工业级3D打印机，其打印的垂直速率只能达到25mm/h,远没达到工业生产的要求;第三，使用3D打印技术生产的橡胶制品的精度较差，无法达到基于规模生产的行业要求。但就高端领域橡胶制品的单件生产，3D打印技术正迅速普及开来，比如在航天航空领域。目前，3D打印技术精度可以达到100微米，即0.1毫米的精度。然而在工业化生产过程中，一般要求设备仪器的运动部件的配合精度一般达到十几微米，几十微米甚至2-3微米等范围。所以，对于那些精度要求极高的零件，就要在3D打印之后进行零件的后处理，即通过后续的机械加工来获得较高的精密度[25].

从目前整个橡胶行业来看，研究人员和相关企业正在努力解决限制3D打印技术全面运用到轮胎制造和橡胶机械生产这两方面的限制因素，因为其在橡胶生产领域所占的市场份额比较巨大。例如，对于拥有复杂结构的轮胎生产而言，3D打印技术从理论上来讲是十分合适的。但轮胎不可避免地包含了钢丝，各种性能的橡胶和配合剂。而为了能用3D技术打印轮胎，则需要轮胎的制造技术在接下来的两个方面有突破性的进展：第一，轮胎要由单一材料或多种可组合的材料构成；第二，轮胎所使用的材料在强度，物化性能等方面应该取得更大的突破，例如类似聚氨酯改性材料，碳纤维材料等。而对于橡胶机械的生产而言，其所使用的零部件体积十分巨大，且重量较重。不但需要大型的3D打印机，还需要一系列的配套设备，包括装卸设备，熔融金属设备，金属粉末及粘合剂的储存及输运设备。同时，在成型之后，还需要一系列精加工的设备，包括磨削设备，表面处理设备等。如前文提到的那样，这将带来成本巨大，效率较低等一系列的问题。但在高端的橡胶机械关键零部件生产中，例如有特殊要求的密炼机转子和挤出机螺杆已经开始尝试通过3D打印技术来生产。

  1.4  3D打印技术对环境的积极意义

3D打印技术的环保功能也不容小觑，以高分子产品生产为代表的大规模集约化生产模式即降低了成本还一定程度上降低了其对环境的影响。这种生产模式的优势主要包括:(i)提高员工跟雇主的专业化水平（ii）降低原材料，原部件的购买及采购成本（iii）创造出有力的金融优势，包括融资，利润和各种各样的金融咨询服务由规模优势所产生的纯粹技术优势由规模优势所产生的更低的物化能（embodied energy）。这些优势在低劳动成本国家创造了一个普遍的塑料制品的生产趋势-——大规模集约化生产[1]-[3]。随着全球对塑料制品需求的增加，其对环境的影响也是很明显的，这主要是由于其在土壤，空气和水中的降解率很低的缘故[]-[]。随着全球每年塑料产量以6%的速度增长，降低全球塑料生产所产生的污染成为了一种必然的趋势。一种新的降低塑料制品对环境影响的方法是采用配备了低价的开源3D打印机的分散生产模式（distributed manufacturing）[4]-[5].与传统的削减制造（substractive manufacturing）相比,3D打印技术使具有极其复杂的立体结构的物件的制造和定制成为了可能，使生产中的浪费降到了最小化，最大限度地提高了原料的利用率[6]。3D打印技术在工业上的使用范围正在变大，因为其在制备牢固耐用的轻质复杂零件方面有着很大的优势。以前，受3D打印机价格昂贵等因素的限制，其在分散生产过程中不能被广泛地运用。近来，随着几款开源的比较便宜的快速成型3D打印机的研制成功，一种新型的替代生产模式被展示在了人们的眼前。其中最为成功的是自我复制型快速原型3D打印机（self-replicating rapid prototyper）简称RepRap.整台机器由打印部件，开源的电子元器件和其他总价在500美元的硬件构成[7],[8]。因为低成本和简单实用性，RepRap牌的3D打印机向广大用户开启了一条通往更加广阔的添加制造道路的大门，其使得分配式的小规模生产技术上更加的可行和灵活[9],[17]。其改变材料填充组分的能力将原料的浪费降到最低的同时，通过结构整合使得更加复杂的形状能够被形成。比起传统的制造过程，整合了开源3D打印机的分配生产模式不但省去了运输过程中的物化能（embodied energy）而且还降低了生产过程中的物化能及温室气体的排放。为了进一步弄清该过程相比于传统的集中规模化生产模式到底使环境获益多少（因为分配生产因为其规模的减小必然会降低一部分物化能得到降低）来自于密西根科技大学材料科学和工程学院的Megan Kreiger 和Joshua M.Pearce对三个用RepRap(Self-replicating Rapid Prototyper)3D打印机打印的高分子物件做了产品生命周期影响评估分析（Life Cycle Impact Assessment Analysis）. 概括而言，就是把以传统方法生产的以ABS和PLA为原料的高分子产品所产生的物化能和排放数量与整合3D打印和太阳能光伏技术的分散生产模式所得到的这两方面指标的实验数据进行比较。结果表明使用3D打印的分散生产模式生产高分子产品的累积能量需求能被减少41-64%（整合太阳能光伏的话能被节省55-74%）以及相应的碳排放量的减少。具体而言，该研究评估了用一种分配式的3D打印机网络状生产模式生产三种塑料制品和原件的可能性，并对三种用RepRap3D打印机打印的高分子物件都做了生命周期分析。这三种物件分别是建材，水管喷嘴和榨汁机（如图十所示）他们所使用的材料为ABS或者PLA。PLA（聚乳酸）是一种从可再生资源（例如谷物淀粉）中获得的脂类聚合物，因为其对环境的影响很小，所以一直被作为一种理想的塑料来使用。在打印以PLA和ABS为原料的物件时，3D打印机的喷头温度为185摄氏度。为了确保第一层物料与3D打印机的底座能够牢固粘合在一起，开始时热床的温度为63摄氏度，然后其温度变为60摄氏度。在最初加热的过程（将热床和3D打印机喷头管嘴的温度上升到必要的温度）和打印每个物件的时候，所消耗的电能用万用表记录下具体的数值。Megan Kreiger 和Joshua M.Pearce之所以选择图十中的三种物体作为打印的对象，主要基于其逐渐增长的复杂结构，作为免费的开源3D打印结构图在网上获得的难易程度及在3D打印领域被其他人所选择的频率。接下来，这三种物体都是用来测试具体的变量的，第一个物件被用来测试ABS和PLA在没有影响产品功能及不改变原料选项的基础上，随着在产品中填充比例的变化而对环境产生的影响；第二个物件被用来测试与可回收物联合使用的可能性；第三个被用来测试具有复杂结构的物件的功能性（即通过3D打印技术制造的物体其功能性是否发生了改变）