1. 前言
近年来，随着科技的迅猛发展，3D打印技术已经走出了实验室，进入了人们的日常生活和各个领域的实际应用 [1] 。这一技术已经开始改变着现代制造方式、产品设计和生活方式，使人们能够以前所未有的方式创造、定制和制造物品 [2] 。传统的制造方法通常需要大批量生产，而3D打印则具有高度个性化和定制化的特点。根据统计数据，2022年全球3D打印产品及服务市场规模约为154亿美元。同时，2023~2025年全球3D打印市场增速将达到最高23.7%；2025~2026年达到20.4%，到2026年，全球3D打印市场规模将超过370亿美元。这种技术不仅仅可以生产复杂的异形构件，还可以制造各种日常用品，从鞋子到家居装饰品，再到医疗辅助设备。3D打印技术正在改变着人们所理解的制造，同时也提供了创新的可能性 [3] 。本论文将着重探讨基于机械臂的异形构件3D打印装置设计及其现实应用，特别是在日常生活中的应用。特别是探讨如何将3D打印技术用于制造个性化的桌面小物件，打印美观的桌面装饰品。这些应用不仅使制造更加高效和灵活，而且减少浪费，促进了可持续性和环保性。3D打印技术已经引领着制造业和创新的未来，而本文的研究则着眼于将这一技术推向更广泛的应用领域，以满足日常生活的需求。
2. 3D打印材料与机械臂的异形构件3D打印装置设计及使用
2.1. 3D打印材料
现主要使用材料为ABS、CPE、Nylon、PLA等，后续可经过适配选取等操作添加其他种类材料 [4] 。
2.2. 机械臂的异形构件3D打印装置示意图
1) 准备过程：
① 连接3D打印喷头和供料装置：首先，将3D打印喷头与供料装置连接。然后将3D打印喷头稳固地安装在机械臂的末端。
② 准备3D打印材料：取出准备好的3D打印材料，确保材料的末端完整，没有损坏或扭曲，可正常使用。
③ 插入材料：将3D打印材料的一端插入供料装置的进料口，确保材料能够顺利通过装置内的导向路径，不发生扭曲。
④ 连接机械臂和电脑：将机械臂与电脑连接，以进行3D打印控制。
2) 示意图：
① 机械臂的异形构件3D打印装置结构示意图，如图1所示。
Figure 1. Schematic diagram of the 3D printing device structure for the irregular component of the robotic arm
图1. 机械臂的异形构件3D打印装置结构示意图
② 机械臂的异形构件3D打印装置的软件，如图2所示。
Figure 2. Software for the 3D printing device of the irregular component of the robotic arm
图2. 机械臂的异形构件3D打印装置的软件
③ 机械臂的异形构件3D打印装置实物图，如图3所示。
Figure 3. Physical image of the 3D printing device for the irregular components of the robotic arm
图3. 机械臂的异形构件3D打印装置实物图
2.3. 使用步骤
首先，确保机械臂已正确连接到电脑，然后选择机械臂的异形构件3D打印装置的软件。在软件中正确创建或导入3D打印模型，并设定相应3D打印的参数，包括打印温度、层高、打印速度、填充密度、支撑结构和外壳厚度等，以根据实际需求平衡打印质量和打印时间。随后，将设计模型发送到机械臂，并启动3D打印。在打印过程中，监控打印过程并及时应对突发问题，以确保设计按照预期计划进行。此外，确保整体装置周围没有可燃物，避免无人看管运行，谨慎操作避免机械部件损伤，对机械臂进行定期维护和清洁，以确保3D打印的安全性和高质量。最后，一旦3D打印完成，小心地取出打印好的物品，避免不正确的操作对打印成品造成不可逆的损伤。
Table 1. Comparison of printed products and crafts parameters of the device
表1. 该装置打印成品与工艺品参数对比
2.4. 3D打印成果特点及应用情况
由该装置打印成品与工艺品参数对比表1可知，该机械臂的异形构件3D打印装置的各项性能较为出色：打印成品硬度较高、韧性较好、耐热性较好、尺寸稳定性高，能适用于多种日常生活情景。另外，可根据不同的应用情景设置相应参数，完成精确打印；且该装置能够实现对复杂异形构件的高精度打印，打印精度达到0.5 mm以下；具有高效率的打印能力，能够在较短的时间内完成对复杂异形构件的打印；能够实现低成本、高效率的打印，降低制造成本；具有广泛的适用性，能够实现对不同色材的打印；具有自动化控制功能，能够实现对打印过程的自动化控制和监测，提高打印的一致性和稳定性。机械臂的异形构件3D打印装置作为一种创新性的设备，其在日常生活情景中的应用潜力十分巨大。
首先，从生活用品的角度来看，3D打印技术能够满足人们对个性化、定制化的需求。以收纳盒为例，大多数人会选择外出购买或网购，但由于工作繁忙、网购质量无法保证、送达时间不确定等因素，这种传统方式并不能满足人们日益增长的需求。而利用该机械臂的异形构件3D打印装置，用户可以在家中轻松制作出符合自己需求的收纳盒，不仅省去了外出购买的时间，还能保证质量，满足个性化需求。
其次，在桌面饰品领域，该机械臂的异形构件3D打印装置也有着明显优势。相比于网购桌面饰品，3D打印技术可以实现个性化设计，将用户的个人喜好融入饰品之中。同时，3D打印的桌面饰品质量更高，避免了网购中质量问题和不确定的物流时长。相较于传统的3D打印店，机械臂的异形构件3D打印装置在效率和质量方面都有显著提升。
此外，在产品研发中，该机械臂的异形构件3D打印装置也发挥着重要作用。以产品外壳为例，设计师在设计过程中，可通过该装置实现用户的个性化制定，同时3D打印可以实现产品的轻量化 [5] ，通过优化产品设计和材料选择，降低产品的重量，从而提高产品的性能和便携性。
然而，尽管3D打印技术在日常生活情景中的应用前景广阔，但目前仍面临一些挑战。
a) 现阶段3D打印技术的普及程度不高。2023年数据显示，3D打印技术的普及率在全球范围内约为10%，主要应用于制造业、医疗及航空航天等领域。在我国，该技术的普及率则为5%。
b) 许多人对3D打印技术尚存疑虑。调查结果显示，60%的受访者对3D打印技术的安全性、可靠性和实用性存在疑虑。
c) 3D打印设备的成本较高，普通消费者难以承担。一台入门级3D打印设备的价格约为5000元人民币，高端设备的价格更昂贵，使得普通消费者难以承受。
d) 3D打印产品的市场供应不足，无法满足人们多样化的需求。2021年统计数据显示，我国3D打印产品市场供应量仅为需求量的70%，并且这个数字还在不断下降。这意味着约有30%的需求无法得到满足，人们对于个性化、定制化的3D打印产品需求日益增长，市场供应不足的问题愈发凸显。
为了解决这些现实问题，需要从多方面进行努力：首先，加大3D打印技术的宣传力度，提高公众的认知度；其次，降低3D打印设备的成本，使其更加亲民；最后，鼓励企业和个人投入到3D打印产业中，扩大市场供应，满足消费者的需求。
总之，机械臂的异形构件3D打印装置作为一种先进的3D打印技术，其在日常生活情景中的应用具有巨大潜力。研究者应积极探索其在各个领域的应用，推动3D打印技术的发展，为人们的生活带来更多便利。同时，也要关注3D打印技术在普及过程中面临的挑战 [6] ，积极寻求解决方案，使其更好地服务于社会。
图4、图5、图6为本装置打印出的收纳盒、雕像和产品外壳，其他异形构件日用品均可打印。
Figure 4. Print result 1 (Storage Box)
图4. 打印成果1 (收纳盒)
Figure 5. Print result 2 (Sculpture)
图5. 打印成果2 (雕像)
Figure 6. Print result 3 (Product Shell)
图6. 打印成果3 (产品外壳)
3. 应用场景的讨论
随着智能制造和工业4.0的不断发展，该系统可以实现更高效、更自动化的打印流程，同时也可以通过人工智能等技术，实现更智能的打印操作，将与人们日常生活的联系更加紧密 [7] 。机械臂在医疗、制造、服务等领域具有广泛的应用，而3D打印技术将为机械臂的设计和生产带来革命性的改变。其中，机械臂的异形构件3D打印装置将利用其生产速度快、材料环保、建设成本低、节省劳动力、造型个性化等特点 [8] ，在生活中的各个领域发挥重要作用。
在医疗领域，机械臂的异形构件3D打印装置将帮助医生更精确地定制机械臂，以适应每位患者的特定需求。通过该装置，医生可以按照患者的生理结构和特定需求，定制出最适合的机械臂。无论是帮助截肢者进行日常生活活动，还是为运动员提供定制的健身设备，该装置都将带来更大的便利和适应性 [9] 。
在制造业领域，机械臂的异形构件3D打印装置将大大提高其生产效率 [10] 。通过该装置，企业可以一次性打印出完整的零件或工具，而无需进行繁琐的组装过程。此外，该装置还将缩短产品的研发周期，设计师可以直接从概念到产品原型，进行快速的测试和改进 [11] 。
在服务业领域，机械臂的异形构件3D打印装置也将发挥重要作用。例如，在餐饮业，厨师可以使用该装置制作复杂的食材模具，从而提高菜品的吸引力。在旅游业，通过使用该装置，游客可以轻松地复制他们无法触及的文物或历史建筑的小型复制品，从而丰富他们的旅行体验 [12] 。
总的来说，未来机械臂的异形构件3D打印装置将在日常生活中带来许多创新的可能性 [13] 。随着技术的不断进步和发展，可以期待着看到更多日常生活用品被3D打印出来，为人们的生活带来更多的便利和乐趣。
基金项目
本课题是在国家级大学生创新创业项目(202210066017, 202210066007)支持下完成。