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3D打印:一种未来可折叠的生产方式
摘要
在资源稀缺的领域，3D打印有潜力提供一种环境可持续性和可折叠的生产方式3D打印可以减少浪费，利用当地和可持续的印刷材料，并创造大量的对象来帮助本地化的社区在资源稀缺的环境中生产商品。社会崩溃的可能性提供了一个机会来讨论3D打印技术在崩溃信息学的概念下的未来，并讨论3D打印作为一种可折叠的生产方式的当前机会和局限性。由于3D打印的新颖和快速发展，很难预测个人3D打印技术的未来。Ccs的概念：社会和专业专题→可持续性·人类进入计算领域→HCI的实证研究。
关键词：三维印刷；可持续性；折叠信息学；附加制造。
一、介绍
目前全球工业化的结束远非可取，但由于资源开采率高和全球产量高，这似乎是合理的结果 [32]。hci研究人员开始为潜在的崩溃情景做准备，并开发社会技术系统，以解决崩溃期间的适应和缓解策略 [35]。三维打印(3DP)是开发技术的一个合适的例子，它可能会导致崩溃。这些特性使得三维打印能够在资源稀缺的环境下工作，并成为一种可持续的生产方式。在解决三维打印开发的未来时，设计者应该考虑社会崩溃的场景，并为潜在资源稀缺的社会开发三维打印设计。即使崩溃不会发生，技术的崩溃特性也在一些资源有限的环境中很有用，比如不发达国家和偏远社区。顺应崩溃的考虑不仅能提高三维打印对未来崩溃状态的适应能力，还能提高三维打印技术的当前可持续性。
二、相关工作
2.1崩溃的信息
在过去的几百年里，世界在经济、人口、技术创新和生活水平方面都取得了相对稳定的增长。这种增长是人类不断地提取自然资源，并利用它们作为不同目的(如营养、制造、贸易和医药)的结果。然而，我们消耗的自然资源比它们更新的速度快得多，从而导致了经济增长的后果 [31]。因此，许多学者预测，未来的经济增长和资源供应都将下降，这可能导致一段文明崩溃 [21] [32]。有各种可能的情况，关于崩溃是如何发生或将如何发生的，更可能的情况是与能源消耗有关。这种崩溃可能导致有限的社会合作、更少的集中控制和更少的信息和资源流动。[32]学者们已经开始通过一个有限意识的镜头来看待技术的发展，并呼吁技术设计来促进对全球变化的反应[31]。这一研究领域被称为“崩溃信息学”，旨在评估和设计在一段时间的崩溃期间，在资源稀缺的未来能够维持的社会技术系统 [36]。
2.2 3D打印技术的兴起
三维打印，又称加法制造，是制造3D物体的过程，通常是连续地铺设薄层材料。这个过程使用户能够根据需要创建一个无限的对象数组。从器官到飞机零件，所有的东西都是用三维打印技术创造出来的 [35] [38]。在未来，三维打印有巨大的潜力来革新我们在一个更加分散的系统中生产货物的方式。自从20年前开始商业销售以来，三维打印的发展速度很快。从2007年到2014年，个人三维打印的全球产业增长超过211000%，从66个单位增长到139,584个单位 [40]。三维打印的市场在未来几年不太可能下降，而且可能会跟个人电脑一样，遵循同样的经济和社会模式。为了这一讨论的目的，个人融合沉积建模(FDM) 三维打印，或用于个人在家设计的小型廉价打印机，是本地化生产调查的主要焦点。在一个预料不到的未来，基础设施将会衰退，工业发展可能会停止支持全球范围内的生产[14]。因此，社会将变得更加本土化，导致更多的自力更生和极端的地方生产形式[37]比如个人三维打印。然而，工业三维打印仍然是三维打印创新的一个重要组成部分，而对工业三维打印创新的市场推动也可能有利于个人的三维打印创新。在三维打印技术开发中，对工业三维打印的投资潜力进行了评估，但未被评估为未来的生产的折叠方式。
三、可持续3D打印的机会
三维打印具有巨大的潜力，可以提供技术特性以支持有限的能源和材料的开发。2010年，Pearce等人提出了一套理想的功能要求和障碍，为三维打印提供了可持续的村级制作，以满足当地社区资源的限制[26]。“村级”制造的想法很容易扩展到崩溃的信息学，寻求产生更本地化的社会技术系统。这些要求包括：
（1）便宜的三维打印机器，理想的自我复制和本地材料生产。
（2）当地原料的廉价原料
（3）开源设计及3D相关软件
（4）廉价且快速装配式零件
（5）当地可再生能源低
（6）开放/免费技术支持和知识
（7）对环境和社会健康的最小负面影响
成功的“村级”3D打印的障碍包括：
（1）本地可用印刷材料
（2）打印尺寸和速度选项
（3）选材
（4）不可再生能源
自皮尔斯等人提出这些要求以来，该行业迅速发展，许多发展障碍正在被消除。下面的部分将讨论当前可持续的三维打印特性，以及它们如何消除障碍，并为生产的折叠方式提供机会。
3.1 三维打印材料
3.1.1减少材料的浪费
与减法制造相比，通过去除材料的过程来制造物体，加法制造(三维打印)的过程仅仅使用制造产品所需的材料数量来限制浪费。另外，与注射成型等其他形式的制造不同，三维打印具有减少产品填充的能力[16]。这可以满足Pearce等人对环境和社会健康的最小影响的要求。在制造业，“[c]ase研究表明，使用三维打印可以避免高达40%的原材料相关废物，而在未使用的原料中，95% -98%可以重复使用，”[18]。尽管减少废物与制造而非个人的三维打印发展有关，但这种大幅减少物质浪费的做法，为当前公司投资于提供更有利可图的生产资料的三维打印工具提供了动力。
3.1.2材料回收
添加剂制造可以限制废物的生产，但并不是完全没有浪费。三维打印需要额外的材料来打印，以支持结构，包含有角度的区域或建在空的空间上的特性。也有失败的打印、原型和处理的浪费。通常在个人的三维打印中，这种多余的材料被丢弃，但是在家的业余爱好者和诸如ReDeTec这样的公司正在创建三维回收器来重新融化和重新使用旧的3D打印和支持材料[28] [19]。这将允许用户不断重复使用现有的材料，特别是减少环境中的废物量[30]。如果三维打印继续保持自我建设性，新一代的打印机可以利用现有打印机的回收部件进行翻新，支持快速创新，同时大幅减少技术创新快速变化造成的浪费。
材料回收对具有短期寿命的产品尤其有用。例如，在医学领域，儿童的辅助技术，比如假肢，在孩子们长大后，必然会被抛弃。基于3d的假肢是高度可定制的，随着孩子的成长，可以不断地实现材料的循环利用。因此，三维打印可以将一个过时的项目重新定义为新的特殊需要。
3.1.3 ABS和PLA材料
海藻丝是野生藻类与聚乳酸的结合[1]。藻类有许多好处，使其在顺应崩溃的系统中特别有用。与其他作物相比，藻类生长迅速，生长在不适合耕种的地区，可以居住在海水或咸水环境中，并产生氧气，同时降低大气中的二氧化碳含量[2]。这使得藻类在许多不同的环境中茁壮成长。对于高生产力，藻类需要相当数量的二氧化碳，这些二氧化碳可以由二氧化碳排放大户(如发电厂)提供[2]。藻类也被用作汽油和柴油发动机的替代生物燃料[1]。这种低成本和低排放的替代石油燃料为当前的工业提供了高激励，以探索高效的藻类生产。因此，在藻类生物燃料研究中已经建立的藻类生产研究中，三维打印灯丝可以从中受益。
3.1.6重新用途材料
三维打印灯丝也是从以前的塑料生产中回收的废料生产出来的。公司TerraCycle和3D Brooklyn最近宣布了一种由回收的芯片和零食袋制成的新灯丝[23]，公司B-Pet销售的灯丝来自回收PET瓶[6]。这些进展在三维打印材料中正在探索更多的地方来源，环境可持续性的选择，以重新利用旧的浪费。
3.2可再生能源
个人三维打印能够在农村地区和发展中国家生产物品。当使用诸如光电技术这样的能源时，能源的成本就可以降低，并且可以限制在没有电力的人群中[26]。在崩溃的情况下，有限的电力供应可能限制或消除某些制造技术的使用。三维打印相对较低的能源消耗可以在替代能源如光伏能源的驱动下维持发展[16]。三维打印打印机，如RepRap，在目前商业化的光伏系统的电力范围内很好，使得这些系统非常适合有限的能源领域[26]。
3.3分散生产
“集装箱化”是指通过漫长的供应链、廉价的能源和计算机化的统计数据、库存和分销系统，在全球范围内运输物资[5]。世界上大部分依赖于集装箱运输的货物和材料构建依赖于大规模的市场体系。世界上许多地方都依赖这种集装箱化结构来制造其物质产品，并依赖于一个大规模的市场体系。在社会崩溃的时候，很可能会有红人。 CED市场商品在国际范围内流动，消除了我们所依赖的大部分全球工业体系。Birtchnell和Hoyle所确定的三维打印可以提供一种替代的产品形式。 n在物质贫困领域，通过消除规模经济和“几乎完全消除分配需求”，[5]。无论是目前不发达的国家还是未来的社会，这种方法都可以分散生产，消除对全球市场贸易的依赖，从而支持当地生产的物质产品。
3.4经济动机
虽然未来崩溃的文明可能经济结构和制造能力有限，但目前承认三维打印成本效益的产业对我有经济激励作用。 在潜在的崩溃之前增加对三维打印系统的研究和开发。三维打印最大的优势之一是它能够以“不增加成本”的方式定制产品[11]。当对象的设计被修改或定制时，这就减少了对多种工具的需求和替换机器的需求。虽然Savonen指出，自由的复杂性并不是完全正确的，但与传统的制造业方法相比，三维打印确实有一个独特的优势，它可以用一台机器来创造复杂的几何图形[30]。对于欠发达国家，三维打印是当地经济制造业的一个很有吸引力的选择。三维打印利用最少基础设施建设的能力可以刺激当地经济，减少外国依赖[27]。这就产生了一种经济刺激，使不发达国家的生产增加，使符合崩溃要求的三维打印设计更具吸引力，对当前的生产经济更具吸引力。
3.5用户参与生产
低成本的一次性高技术和公众对数字制造工具的访问，如三维打印，CNC米尔斯和激光切割机，使用户能够修改和创建他们自己的材料对象[36]。因此，越来越多的消费者成为创造者。本节将讨论个体化生产的趋势及其与可持续的三维打印的关系。
3.5.1制造商运动
制造商运动，正如它被创造出来的那样，描述了个人发展的DIY(DIY)文化的兴起[17]。在个人制造和在线社区中，致力于DIY技术的观察可能成为本地化技术发展的一项资产。在一个技能和资源有限的崩溃的文明中，当地社区将不得不关注个人的生产和社区的发展努力。如果在接下来的几十年里发生崩溃，这种日益增长的“业余专家”文化。[25]可能有利于一个需要本地化生产和创新的崩溃社会。
低成本技术的产业过剩引发了制造商运动[36]。如果这个产业剩余消失了，那么这些现代制造商就会有机会在一个崩溃的文明中使用剩余的材料。然而，这一运动有两种结果，使之适合于这一讨论。Tanenbaum等人指出，中产阶级的新群体正在“重新谈判社会矛盾”。 围绕技术的生产和消费“。[35]，从而增加了社会对个人制造技术的兴趣，如三维打印。需求的上升将会在潜在的崩溃期前使三维打印技术得到更大的发展。其次，发展中国家的制造商也在用其他的材料制造出创新性的新设计[35]。这些有限的资源制造者社区可以为未来的生产技术提供洞见，这些技术可以在一个倒塌的社区中使用替代和重新设计的材料。
3.5.2开放源码和开放共享技术
开放源码开发允许社会协作和生产独立于立法过程和/或意识形态的大规模变化之外的工件[37]。这使得数字社区能够对日常实践产生重大影响，这些实践可以进化出符合崩溃的系统的设计。它还允许地方社区和发展中社区通过在线交流分享和收集想法，以生产历史上无法获得或没有文件记录的技术。因此，开源三维打印系统可以利用各种不同的社区，创造更可持续的技术形式[26]。
与开源类似，在线社区的制造者运动已经引发了广泛的在线分享平台的开发，这些平台拥有众多的DIY技术。在线社区通过创建3D模型在线存储库，已经彻底改变了个人三维打印的生产方式。该网站是一个开源的设计资源库，制作者们使用它来分享和鼓励不同形式的3D创新。该网站已经上传并分享了485510个模型，极大地增加了可供用户使用的3D模型。
3.5.3个人动机
“宜家效应”是一种认知状态，在这种状态下，消费者对他们创造的产品的价值高于其他产品[24]。个人三维打印的个人价值的增加可以减少对某些产品的浪费和遗弃，同时增加他们的寿命，支持一个资源有限的社会。然而，值得注意的是，像3D打印机这样的随需、低成本、个人的制造技术的到来，可能也会增加浪费，因为用户不断地打印娱乐物品以获得乐趣或直接感兴趣。但是正如前面提到的，3D灯丝回收器将减少浪费资源并使用户能够继续使用可重用对象的能力。
四、三维打印的局限性
自力更生和超本地化的生产方式应该是符合崩溃的社会技术系统的一个核心特征。今天，通过增加个人三维打印的消费，三维打印工业可以将三维打印融入到日常文化中，支持未来的超本地生产系统。然而，目前采用的三维打印打印技术和三维打印的完全可持续性都存在障碍。本节讨论三维打印系统的障碍，这些障碍应该得到解决，以增加消费者的使用和可持续性。
4.1 三维打印材料
无论对于三维打印灯丝的替代材料的供应增加，个人的三维打印材料选择仍然是相对有限的。像ABS和PLA这样的热塑性塑料不能被用来制造出高温的物体例如厨房用品和电力系统。目前材料的耐久性和稳定性也很有限。塑料和替代纤维可能缺乏对诸如建筑工具或正在进行连续循环负载的物体的适当强度要求，如齿轮运动。为了成为一种可行的生产材料，必须考虑三维打印替代材料的强度和耐久性。
4.2 三维打印速度
对于许多个人的三维打印s来说，打印速度也是一个挑战。一个FDM的个人三维打印平均需要8个小时才能产生一个标准的50毫米的立方体。这是相对较慢的，可以影响当前用户购买三维打印。然而，立体光刻(SLA)三维打
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