《AgriEngineering》：3D Printing Technology as Facilitator for Agricultural Automation: Experimentation, Considerations and Future Perspectives
Ioannis-Vasileios Kyrtopoulos,
Dimitrios Loukatos,
Emmanouil Zoulias,
Chrysanthos Maraveas and
Konstantinos G. Arvanitis
编辑推荐：
农业产品需求持续增长，同时自然资源退化以及农食部门人力短缺加剧，推动了先进自动化技术在整个“从农场到餐桌”链条中的采用。尽管仍存在质疑，3D（三维）打印已成为日益受到关注的方法之一，并被寄予应对上述挑战的期望。在此背景下，本研究具有多视角特征。首先，研究人员阐
农业产品需求持续增长，同时自然资源退化以及农食部门人力短缺加剧，推动了先进自动化技术在整个“从农场到餐桌”链条中的采用。尽管仍存在质疑，3D（三维）打印已成为日益受到关注的方法之一，并被寄予应对上述挑战的期望。在此背景下，本研究具有多视角特征。首先，研究人员阐明了3D打印制造领域的最新进展，并聚焦于实验室实施的、可提升典型农业过程效率的部件。这些低成本解决方案包括受损电动水泵护罩、温室结构接头、可调式通风格栅、自动灌溉阀门以及专用果实采收夹持器。其次，研究报告了经验总结，强调了制造过程中潜在的优势与劣势，并辅以通过问卷收集的补充反馈；受访者包括农业工程专业学生、教师和农民。所得经验支持了对3D打印促进农业发展的乐观判断，但对于3D打印过程的易用性以及3D打印部件能否承受严苛农业田间环境，仍然存在顾虑。最后，研究指出了将3D打印纳入农业、以迈向更高可持续性路径的未来方向。
该论文发表于《AgriEngineering》，围绕三维打印技术在农业自动化中的促进作用展开，重点讨论低成本熔融长丝制造（FFF，Fused Filament Fabrication）在农业部件快速开发、维修替换、功能改造与分布式制造中的应用潜力。研究背景在于，现代农业同时面临劳动力短缺、设备维护成本高、偏远地区备件获取困难、农业工况复杂以及对可持续生产方式需求上升等多重压力。传统制造与供应链模式在小批量、定制化、快速响应方面存在明显局限，特别是在农业机械老旧零部件停产、非标准构件需求频繁、现场维修时效要求高的场景下，常常难以及时满足生产需求。三维打印因其增材制造特性、数字化设计能力、材料使用效率以及现场制造可能性，被视为连接农业自动化、精准农业和智能装备更新的重要技术工具。然而，农业应用对零部件的耐久性、环境适应性和机械可靠性要求较高，而现有研究对低成本FFF工艺在真实农业应用中的可行性、成本效益与用户接受度仍缺乏兼具实验验证和利益相关方反馈的系统分析，因此有必要开展本研究。
研究人员据此构建了一个多视角研究框架：一方面梳理3D打印在农业中的技术基础、工艺流程与材料选择；另一方面通过实验性案例验证低成本FFF技术在农业自动化零部件中的适用性，并结合农业工程学生、教师及农民的问卷调查，评估该技术在农业场景中的实际认知、优势、障碍与未来前景。研究最终表明，即使采用相对廉价且工艺较为简单的FFF设备与材料，3D打印仍可为农业提供具有现实价值的定制化、按需化和分散化解决方案，尤其适用于中小型农场设施、教学实验平台和原厂备件缺失场景。其重要意义在于，论文不仅提供了实验可复现的部件开发范式，也进一步将3D打印从概念性讨论推进至面向农业自动化部署的实践层面，为教育、科研和田间应用搭建了桥梁。
在方法层面，研究主要采用以下关键技术路径：其一，基于计算机辅助设计（CAD，Computer-Aided Design）与三维扫描建立零部件数字模型，部分对象采用CR-Scan Ferret Pro扫描形成网格模型后再进行逆向重建；其二，采用FFF/FDM（Fused Deposition Modeling）工艺，结合Cura、Luban、ideaMaker、OctoPrint等切片与监控软件，在Wanhao Duplicator i3、Snapmaker 2.0 A350和Raise3D Pro 3 Plus平台上完成原型打印；其三，通过PLA、PLA+、ABS等材料对不同农业部件进行迭代试制、应力暴露和现场适配；其四，开展电子化5点Likert量表问卷调查，样本来源包括雅典农业大学相关本科生、研究生、教师以及希腊中部地区活跃农民，共199人，并进行Cronbach’s α一致性检验与ANOVA分析。
研究结果部分可按原文小标题归纳如下。
Background and Related Work
论文首先系统综述了3D打印在工业、教育与农业中的发展现状。研究指出，3D打印已从教育性和原型性用途扩展至农业机械备件、灌溉部件、传感器外壳、无人机结构件和机器人末端执行器等实际应用。既有研究表明，该技术在降低备件库存、压缩交付周期、支持开放源设计和促进可持续制造方面具有明显优势。同时，文献也集中指出了材料老化、紫外（UV，ultraviolet）辐照、热应力、打印缺陷和生产速度限制等关键问题，尤其是PLA在户外环境中的耐久性不足。该部分明确了研究空缺：农业中3D打印部件与传统制造件在性能和可持续性方面的直接对比证据仍不充分，低成本FFF在农业部件现场制造中的验证仍待加强。
Method and Material Selection for 3D Printing
本部分详细说明了FFF方法的技术链条，包括设计、扫描、切片预处理、打印设备选择、耗材选取、后处理、监测软件和维护。研究人员强调，农业应用中的3D打印并非仅依赖设备本身，更取决于几何设计是否适应增材制造约束、切片参数是否合理、材料是否满足受力和环境要求，以及监控和维护体系是否稳定。材料方面，PLA因成本低、易打印、无毒排放而适合教育和原型开发；ABS则在户外高温、较强机械负荷和更高环境耐受性要求下更具优势。该部分为后续原型验证提供了完整工艺依据，也体现了本研究的应用导向。
Experimental Verification Paradigm
这一部分是全文核心，展示了农业自动化中多个典型3D打印部件的实验验证。
Pre-Existing Part Replacement
研究人员首先验证了3D打印在既有损坏部件替换中的可行性。
Pump Cover：通过Shapr3D建模并分别在Snapmaker A350与Raise3D Pro 3 Plus上打印离心式电动水泵的顶部与后部护罩。结果显示，PLA材料已可满足该非导电、防护性构件的功能要求，且两种设备打印效果无显著差异，证明了低成本打印替代老旧部件外壳的可行性。
RTK GNSS Antenna Base：研究设计了用于RTK（Real-Time Kinematic）基准站天线与摄影三脚架连接的专用安装基座，要求具备M6安装孔与稳定楔入结构。通过快速原型迭代，最终实现了精准稳定固定，支持实验农业工程中的高精度地理空间数据采集。该结果表明，3D打印特别适合实验平台中高度定制化的小型安装支架。
Combining Pre-Existing with 3D-Printed Parts to Innovate
研究进一步展示了3D打印部件与传统材料组合形成新装备的能力。
Greenhouse Joints：通过为PVC管构成的缩比温室骨架设计接头件，研究比较了PLA、ABS、PETG和纤维增强材料后，选择PLA+实现打印效率与力学性能间的平衡。接头通过多边形凸台增强与管材的摩擦保持，并借助钢丝提升整体刚度，最终服务于一个本科毕业设计中的小型温室精准通风控制系统。结果说明，3D打印接头可有效支撑模块化农业设施搭建。
Smooth Edge Claw：针对果实采收夹持力测试平台中夹爪与力传感器接触不稳定、极端受力下接口易损的问题，研究设计了定制连接适配件，改善了夹爪对方形传感器的接触面并抑制滑移。采用PLA+、30%填充率和两层外壁即可满足中等载荷实验需求，表明3D打印适于农业机器人实验中的接口优化。
Automatic Adjustable Valves for Liquids：研究通过3D打印支架和爪形机构，将塑料手动灌溉阀改造为由ESP8266控制的伺服驱动自动阀。初始PLA版本因太阳直射和较低玻璃化转变温度出现热变形，后改用ABS重印，并引入行星齿轮机构提升扭矩。改良后的结构在户外条件下具备更高可靠性，显示3D打印在低成本智能灌溉执行单元改造中的现实应用潜力。
New Part Creation via 3D Printing
研究还展示了完全由3D打印构成的新系统部件。
Humidity/Temperature Sensor Enclosure：为Sensirion SHTC3数字温湿度传感器开发了ABS防护壳体，用于室外气象塔安装，经过重新设计与重复打印后实现了对传感器及布线的适配与防护，证明3D打印适于精准农业传感节点封装。
Passive Ventilation Holes：针对温室或畜牧设施容器的通风需求，研究设计了由伺服电机驱动的百叶通风孔组件。初始一体化打印因跨桥距离过大而失败，后调整为三部分结构，并通过增加构件厚度和调节Z轴偏移解决了打印缺陷。结果表明，针对运动构件，结构分解设计和参数微调是实现可靠打印的关键。
Fruit Gripper：研究基于开源模型重构农业实验室用果实夹持器，并通过模块化设计实现夹爪、舵机和机械传动的一体化组装。由于原有薄弱部位在夹持过程中多次断裂，研究人员通过加厚蓝色强化区域提高结构耐受性。后续测试显示，在3个月、约250次循环中，夹持器可在5 N至25 N载荷范围内稳定工作，且齿轮传动在25–30 kg?cm扭矩下未发生变形。该案例说明，3D打印能够支持农业机器人末端执行器从开源原型到应用适配的快速迭代。
Summarizing Technical Performance and Cost Characteristics
论文进一步总结了各打印案例的工艺参数与成本特征。研究明确了喷嘴直径、层高、填充率、填充模式、喷嘴温度、热床温度及是否需要封闭打印环境等关键参数，并对能耗、碳排放、材料成本、总成本和试错次数进行了量化。结果显示，在参数确定后，平均20次中有19次能够成功打印，具有较高可重复性。设备能耗方面，Raise3D打印PLA和ABS时分别为0.29 kW和0.33 kW，Snapmaker A350约为0.28 kW，Wanhao i3约为0.11 kW。功能验证方面，果实夹持器和自动阀门在中等负载及长期测试中均保持工作状态，后者在8个月极端户外条件下仍可正常运行。这些结果共同说明，低成本FFF方案在农业小型功能部件制造中具有可接受的性能—成本比。
Survey Evaluation Feedback
问卷调查从社会接受度和应用感知层面对实验结果进行了补充验证。样本共199人，包括本科生、研究生、教师和农民，问卷内部一致性可接受（Cronbach’s α = 0.75）。结果表明，多数参与者此前3D打印经验有限，总体平均仅为2.19，但普遍认可3D打印对农业的促进作用，相关评价均值为4.11。参与者认为安装和使用复杂度总体可接受，对成本的判断为“不算便宜但仍可负担”，而对农业用3D打印部件耐久性的担忧较为明显，均值为3.15。即便如此，大多数参与者仍表示愿意使用3D打印件替换损坏部件，也愿意自行设计和打印定制组件。对“混合传统件与3D打印件能否形成更便宜或更高效设备”的问题，整体态度偏积极。农民群体相较学生和教师更为谨慎，尤其在耐久性和效率评价方面更加保守。进一步的ANOVA分析显示，关于安装复杂性、部件耐久性、替换意愿及培训参与意愿等问题，不同群体之间存在统计学显著差异。密度图分析还显示：越认可3D打印有助于农业者，越倾向于用3D打印件替换损坏部件；而经验越少者，越愿意参加相关培训。这说明推广应用的关键不仅在于技术成熟度，也在于能力建设和认知转化。
Discussion and Open Issues
讨论部分指出，3D打印即便依托低端设备和常见材料，也能够在农业中承担结构连接件、传感器外壳、自动阀、通风件、轻量夹持器等关键中小型部件的制造与改造任务，并可通过与金属杆件、木质构件等传统材料结合，形成更大尺度的混合制造系统。研究强调，成功应用的核心在于设计—打印—测试—迭代循环，以及对填充率、材料湿度、床温、喷嘴温度、构件朝向和壁厚等参数的细致优化。论文同时指出，农业使用情境下最薄弱环节未必总是3D打印件本身，也可能是密封件、金属紧固件或配套电子部件。调查结果进一步说明，尽管外部环境严苛导致用户，特别是农民，对耐久性有所保留，但整体仍对该技术持审慎乐观态度。未来发展方向包括采用耐候性更好的ASA（Acrylonitrile Styrene Acrylate）、碳纤维增强材料以及优化内部填充几何以获得更高刚度—质量比；同时推进废旧打印件和农业塑料的再生利用，关注挥发性有机化合物（VOCs，Volatile Organic Compounds）与过滤系统维护，降低环境足迹。研究还提出，未来应持续比较传统制造与3D打印在成本、速度、耐久性和可持续性上的差异，并加强与技术人员、研究者、教师及农民之间的反馈闭环。
研究结论部分可译为：
该研究旨在通过对常见3D打印技术在农业自动化中潜力的多视角探索，为典型农业过程提供高效且具成本效益的解决方案，并支持小型化、分散式农场设施的发展。在这一方面，研究实现了以下目标：强调了3D打印方法的最新进展与发展趋势及其在农业中的适用性，重点聚焦于应用最广泛的FFF制造技术流程；展示了经实验验证的范式，表明能够以相对简单且成本可控的方式在农业中应用3D打印，同时揭示其内在优势与不足；为其他研究人员、教育工作者、技术人员和农民提供指导与启发，使其可借助本文描述的示例促进各自专业领域的发展；呈现了与农业相关的不同群体的近期观点，这些观点既支持对3D打印潜在作用的乐观判断，也反映出对工艺易用性及其在严苛农业田间条件下耐受性的担忧；并为未来研究和改进提供了有用指引，以缓解其固有缺陷与挑战，推动混合式与创新性技术路径，并尽量降低上述过程的环境足迹。
总体而言，这篇论文的学术价值在于将农业自动化需求、低成本FFF工艺、具体功能部件实验和利益相关方认知评价有机整合，形成了一个兼顾技术实现、应用验证和推广条件分析的综合框架。其贡献并不在于建立大规模工业标准，而在于论证一种适用于农业现场、小型设施、教学科研和应急维修场景的可复制路径，即通过数字化设计、按需打印和持续迭代，为农业工程提供灵活、可定制且具有可持续潜力的制造支撑。
