研究人員分享3D打印未來的新愿景，可持續(xù)性需要辯證看待

2024年7月2日，南極熊獲悉，來自意大利米蘭米蘭理工大學的一個研究小組概述了他們對可持續(xù)和循環(huán)增材制造生態(tài)系統(tǒng)的愿景。相關研究以題為“A vision for sustainable additive manufacturing/可持續(xù)增材制造的愿景”的文章被發(fā)表在《Nature Sustainability》雜志上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41893-024-01313-x

文章提出，如果通過“系統(tǒng)級方法”進行開發(fā)，3D 打印可以支持更加環(huán)保的制造過程。這意味著將可持續(xù)性融入增材制造工藝鏈的各個階段，包括 3D 打印機設計、原材料工藝開發(fā)、供應鏈選擇以及報廢回收和再利用。

他們建議，可持續(xù)性優(yōu)化設計應融入現(xiàn)有的增材制造設計 (DfAM) 原則中，并且該行業(yè)必須遵循全球可持續(xù)發(fā)展倡議。這些倡議包括聯(lián)合國的可持續(xù)發(fā)展目標和歐洲綠色協(xié)議。

展望未來，研究人員闡述了基于環(huán)境可持續(xù)實踐的“增材制造的新角色”的重要性。盡管增材制造本質上并不是100%循環(huán)的或可持續(xù)的，但他們認為這項技術在創(chuàng)建循環(huán)經(jīng)濟方面發(fā)揮著關鍵作用。

△研究人員對可持續(xù)增材制造的愿景。圖片來自 Jeremy Faludi。

3D打印技術是可持續(xù)的嗎？

來自意大利、荷蘭、新加坡、瑞士、瑞典和美國大學的研究人員指出，全球氣候變化、生物多樣性喪失和政治動蕩正在威脅原材料的供應。支持 3D 打印的一個常見論點是它消除了材料浪費。然而，研究人員指出，現(xiàn)實情況并非如此，并表示“大規(guī)模減少廢料的情況很少發(fā)生�！�

研究表明，雖然增材制造有時可以減少材料浪費，但這在很大程度上取決于3D打印技術和應用的背景。

3D 打印工藝被認為在材料效率方面不如注塑、鑄造和擠壓等傳統(tǒng)制造工藝。例如，聚合物粉末床熔融 (PBF) 可產生高達 44% 的塑料粉末廢料。此外，基于光聚合物樹脂的打印機會產生液態(tài)樹脂廢料，而 3D 打印的支撐結構經(jīng)常被丟棄。

這篇論文還概述了 3D 打印機能源使用對環(huán)境的負面影響。據(jù)報道，大多數(shù)聚合物 3D 打印機的能耗超過了注塑 ABS 塑料的總影響。同樣，對于大多數(shù)金屬部件而言，增材制造每加工一公斤材料所消耗的能量比鑄造、模塑、鍛造或擠壓要多。

研究人員還對增材制造消除運輸排放的說法提出質疑。他們解釋說，3D 打印使用的原材料仍然需要在全球范圍內運輸，而增材制造只是減少了“運輸由相同材料制成的不同部件”的需要。

如何克服這些關于 3D 打印的誤解？作者認為答案在于更全面、更基于情境的生命周期分析 (LCA)。未來的分析應該明確 3D 打印不可持續(xù)的地方。排除材料生產和報廢影響可能會導致錯失開發(fā)新的可持續(xù) 3D 打印材料和工藝的機會。

如何使 3D 打印更具可持續(xù)性？

接下來，作者概述了如何使增材制造變得更加可持續(xù)，認為 3D 打印流程、機器和材料需要“重新設計”。

一個建議是，在基于直接墨水書寫 (DIW) 的3D 打印技術中用生物復合糊劑代替塑料熔化。這種零件可以使用五倍于 DIW 組件的材料和五倍的壁厚,同時環(huán)境影響降低一半。然而，研究人員指出，在完全實現(xiàn)這一愿景之前，需要改進這些糊劑的機械性能。  

他們還指出，需要提高 3D 打印材料的報廢回收能力。目前，多材料 3D 打印機使可回收聚合物變得不可回收，因為它們無法相互分離，而且會積累雜質。因此，作者認為，此類材料中的成分應該是可堆肥的，這樣就可以以環(huán)保的方式丟棄它們。

提高增材制造可持續(xù)性的下一步是利用可持續(xù)設計工具。作者建議將可持續(xù)性功能納入現(xiàn)有的 DfAM工作流程。例如，可以將 LCA 集成到優(yōu)化軟件中，以指導材料選擇、工藝參數(shù)和幾何形狀。   

3D打印的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?

作者還詳細闡述了如何利用增材制造技術使現(xiàn)有的設計實踐更加可持續(xù)。

他們主張，所有產品的設計都應便于維修和保養(yǎng)。當備件無法大批量生產并儲存多年時，增材制造技術可以按需生產替換零件。

還建議設計可升級性。制造商應專注于更新現(xiàn)有產品，通過添加新特性和功能來滿足不斷變化的客戶需求。這將延長產品壽命并減少浪費。然而，他們承認，需要進行更多探索以確保這種商業(yè)模式的盈利能力。

零件在其生命周期結束時的可重復使用性被視為另一個設計考慮因素。這種方法旨在通過使零件易于拆卸和重新組裝成新產品來賦予它們第二次生命。作者認為增材制造非常適合這種應用，但強調需要新的指導方針、決策支持和智能系統(tǒng)來實現(xiàn)這一點。

最后，他們指出，產品的設計應考慮可回收性。這通常會導致降級回收，原材料會失去其原有的質量。增材制造已用于加工包含不同數(shù)量回收成分的材料。然而，需要進行更多研究來確定如何最好地處理回收原料，因為雜質通常會導致打印失敗。

可持續(xù)增材制造的未來

文章展望了未來增材制造的生命周期，其特點是適應性強、數(shù)字化驅動、可持續(xù)。為了實現(xiàn)這一目標，報告指出，需要最大限度地提高 3D 打印機的利用率，這意味著全天候工作的 3D 打印機數(shù)量要少一些。這是因為一些 3D 打印機技術可以將每個部件的影響減少 10 倍甚至 100 倍。還需要利用新一代技術和材料，以及考慮到增材制造可持續(xù)性優(yōu)勢的設計流程。   

研究人員最終認為，只有主要利益相關者擁有相同的意圖和承諾以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標，他們的可持續(xù)增材制造愿景才能夠實現(xiàn)。  

雖然早期的言論可能將 3D 打印譽為一項綠色技術，但現(xiàn)在比以往任何時候都更重要的是批判性地評估其可持續(xù)性聲明并對其環(huán)境影響進行平衡的評估。

Phil Reeves 博士在題為《Sustainability and 3D printing: Greenwash, Hogwash or a Justified Shift in Thinking?/可持續(xù)性與 3D 打�。壕G色洗白、無稽之談還是合理的思維轉變？》的演講中強調了可持續(xù)性成為“潮流”的危險。除了各種增材制造技術能耗的有用數(shù)據(jù)外，Reeves 的演講還提供了有關金屬增材制造粉末中碳排放或許更劇烈的見解。此前，咨詢公司 Roland Berger 發(fā)布了一份報告，專門處理類似問題，并警告不要相信那些關3D 打印可持續(xù)性膚淺或帶有誤導性的言論。

△金屬增材制造粉末中的碳排放統(tǒng)計。表格來自 Phil Reeves 博士。

然而，在許多情況下，增材制造的優(yōu)勢（至少在能源方面）源于最終組件的使用方式。增材制造航空組件的整個使用壽命的能源評估（即減輕重量可降低燃料消耗）通常會使排放量與傳統(tǒng)部件相比大幅減少。但對于其他行業(yè)使用的組件，情況可能并非如此。企業(yè)、行業(yè)組織AMGTA以及越來越多的學術研究人員現(xiàn)在進行的生命周期評估中，可以找到為了解節(jié)約成本所做的工作。