增材制造领域的可持续性：机遇、挑战与评估工具

导读：增材制造 (AM) 彻底改变了生产制造的格局，实现了前所未有的定制和复杂设计水平。然而，随着增材制造的兴起，对增材制造可持续发展的关注变得至关重要。增材制造在可持续发展中的机遇是什么？面临的挑战又是什么？南极熊将在下文对3D打印的可持续性进行全面探索，探讨机遇、挑战以及用于评估行业内可持续性的潜在工具。



一、增材制造在可持续发展中的机遇
AM擅长促进可持续发展的“三重底线”，其中包括环境、社会和经济因素，本文将深入研究如何利用增材制造来优化可持续发展的这些不同方面。

1.环境可持续性
●材料效率：增材制造的主要优势之一是能够最大限度地减少材料浪费。与传统制造方法不同，增材制造仅使用必要数量的材料逐层构建物体。这种材料放置的精确性不仅减少了浪费，还有助于节省成本。宝马等公司已采用增材制造技术来生产轻量化部件，从而节省材料并提高燃油效率。

●能源消耗：能源效率是增材制造可持续发展的基石。该技术能够用更少的材料生产复杂的几何形状，有助于节省能源。在汽车和航空航天行业，能源效率是创新的关键驱动力，增材制造能够生产高度复杂的零件，从而提高整体能源性能。GE航空集团的LEAP发动机采用增材制造技术生产，燃油消耗降低了15%。

●回收和再利用：增材制造材料回收方法的创新可以促进循环经济。材料的重复利用是使增材制造成为更可持续实践的一个组成部分。惠普 3D 打印材料回收计划等创新促进了循环经济，鼓励聚合物材料的回收。福特与惠普合作，将 3D 打印废物回收制成汽车零部件。此外，MolyWorks 子公司Continuum等公司正在开拓新的回收技术，将废金属转化为 3D 打印原料，进一步增强增材制造工艺的可持续性。


△海洋级不锈钢合金

2.经济可持续性

●成本效率：增材制造提供了具有成本效益的生产机会，特别是对于小批量或定制产品。这包括降低模具成本、降低劳动力成本以及具有本地制造的潜力。

●供应链管理：增材制造有潜力改变传统供应链，提供按需生产和本地化制造。这可以降低运输成本并减少总体碳足迹。EOS与戴姆勒 EvoBus等公司合作，建立数字化和可持续的备件管理，分散制造以消除长运输路线，并按需制造以避免生产过剩。

●创新和市场增长：投资增材制造技术可促进各个行业的创新和增长，进一步增强经济可持续性。


△通过 OMNIplus 生产的梅赛德斯奔驰巴士的 3D 打印备件。

3.社会可持续发展

●可访问性：增材制造通过让小型企业和个人创新者可以使用它来实现制造的民主化。这支持当地发展并鼓励创业。

●教育和劳动力发展：增材制造的发展需要熟练的劳动力。增材制造技术的教育和培训可以创造就业机会并支持社会可持续发展。Stratasys致力于确保包容且公平的优质教育和学习机会。通过提供“边做边学”的机会并利用技术增强学生能力，Stratasys 为增材制造领域的社会可持续发展做出了贡献。

●道德和监管：确保增材制造中负责任和道德的实践，包括知识产权、劳动条件和安全，对于实现社会可持续发展至关重要。

二、增材制造在可持续发展方面面临的挑战
增材制造虽然具有众多优势，但要成为真正的可持续制造技术也面临着一些挑战。

●材料限制：目前约 50% 的增材制造材料不可再生或难以回收。这对循环经济原则造成了障碍，并可能导致废物管理问题。开发更容易回收或生物降解的新材料，或寻找现有材料的替代用途，可能会缓解这些挑战。

●能源强度：某些增材制造工艺的能源强度可能比传统制造方法高出 50-100%。这可能会导致更高的碳足迹，并且可能与全球减少温室气体排放的努力相矛盾。投资节能技术和利用可再生能源可能是增材制造与可持续发展目标保持一致的关键策略。

●监管合规性：确保遵守不同司法管辖区的环境法规可能非常复杂且成本高昂。不同的、有时甚至是相互冲突的要求可能会造成混乱并阻碍创新。协调法规、提供明确的指导以及促进政府、行业和学术界之间的合作可能会缓解这些挑战。ASTM在法规遵从性方面的工作重点是 3D 打印产品的标准化、鉴定和认证。

●缺乏标准化工具：如果没有既定的指导方针，定制增材制造可持续性衡量工具可能会很困难。缺乏标准化方法和工具可能会导致测量和评估不一致。标准化工具、指南和最佳实践的协作开发可以提高整个行业的一致性和可比性。AMPOWER可持续性计算器就是这样一种工具，它被开发用于计算增材制造中各种合金和技术组合的能源消耗和二氧化碳排放量，为可持续性测量提供标准化方法。

●技术可及性：尽管增材制造提供了本地化制造机会，但所需的初始投资和专业知识可能成为中小企业 (SME) 的障碍。让教育、培训和融资变得更容易获得可以支持更广泛地采用增材制造，促进创新和经济可持续性。

通过认识并应对这些挑战，该行业可以在 3D 打印领域迈向更负责任、更可持续的实践。所有利益相关者的共同努力对于实现增材制造更加可持续的未来至关重要。


三、评估3D打印的可持续性

推动增材制造的可持续发展需要精确的测量工具，原因如下：

●整体评估：这些工具提供对环境、经济和社会影响的全面审视。

●迭代细化：支持持续的可持续性改进、设定基准和指导策略。

●数据驱动的决策：从材料到运营的明智选择源于准确的指标。

●监管协调：除了确保合规性之外，这些工具还有助于透明的利益相关者沟通。

●提高声誉：透明的承诺可以增强信任并使公司在市场上处于有利地位。

●全球目标协同作用：工具将增材制造实践与更大的框架（例如联合国可持续发展目标）保持一致。

●创新催化剂：推动新材料/新工艺的探索，提供竞争优势。

●可持续性测量工具不仅是运营必需品，也是应对挑战和释放各种机遇的战略必需品。这些工具指导组织利用增材制造做出明智的决策、促进创新、确保合规性、建立信任并为更广泛的社会目标做出贡献。

1.生命周期评估（LCA）
LCA 用于分析产品整个生命周期对环境的影响，包括材料采购、制造、使用和报废处置。

●方法：涉及能源和材料投入、排放、废物产生等数据收集。然后，将数据映射到气候变化、臭氧消耗和水消耗等环境影响类别。

●工具：SimaPro 和 OpenLCA 等软件提供了专门的增材制造模块，可以对特定流程进行详细分析。

●示例：与 YOU MAWO 和 Fraunhofer EMI 进行的生命周期分析 (LCA) 研究发现，与传统制造相比，EOS 3D 打印眼镜的碳足迹可持续性提高了 58%，产生的浪费减少了 80%。

●挑战与解决方案：确保准确的数据收集可能具有挑战性，因此标准化方法和利用行业特定数据库可以提高可靠性。


△来源： “Comparative LCA of a Low-Pressure Turbine (LPT) Bracket by Two Manufacturing Methods”, by AMGTA

2. 物料流分析（MFA）
MFA 通过增材制造流程定量跟踪材料，以确定效率低下和浪费的区域。

●方法：它涉及跟踪特定材料在生产各个阶段的流动，识别损失和低效率，并结合上下游进行分析以提出改进建议。

●工具：像 STAN 这样的软件提供了针对增材制造量身定制的可视化和建模功能。

●示例：在题为“使用增材制造的固定制动卡钳的设计和分析”(2023) 的研究中，Gautam Kulkarni 讨论了学生方程式赛车前制动卡钳原型的设计和评估。该研究可能利用材料流分析来了解材料流以及使用增材制造制造制动卡钳所涉及的制造过程。

●挑战与解决方案：平衡细节与可行性至关重要，因此专注于关键材料或阶段的模块化方法可以简化流程。

3. 可持续价值流图（SVSM）

SVSM 是一种可视化工具，可绘制整个制造过程中的材料和信息流，突出显示可持续性指标。

●方法：传统的价值流图扩展到包括环境和社会指标，提供增材制造可持续性的更全面的视图。

●工具：精益制造原则的研讨会和培训可以帮助将 SVSM 纳入增材制造运营中。

●示例： Fikile Poswa 等人的一项题为“使用模拟价值流图提高生产力：卡车制造行业案例研究”(2022) 的研究。讨论了SVSM在卡车制造行业的应用。该研究利用模拟价值流图来识别关键工作站中的非增值时间，并提出消除这些时间的解决方案，从而使生产力提高了 4%。这项研究展示了 SVSM 在制造环境中的实际应用，以提高生产力和效率。

●挑战与解决方案：整合可持续发展指标需要专业知识，因此与可持续发展专业人士的合作可以增强这一过程。

4. 生态效率指标
这些指标提供了所产生的经济价值与环境影响的比率，提供了可持续性的简明衡量标准。

●方法：通过量化经济绩效和环境影响，这些指标可以对增材制造的可持续性进行平衡评估。

●工具：WBCSD 等组织的指南提供了特定于行业的应用程序。

●示例： N. Vidakis 等人开展的题为“MEX 和 VPP 增材制造中的生物炭填料：聚乳酸和标准级树脂基质的表征和增强效果”(2023) 的研究。研究了使用环保生物炭作为增材制造增强材料的效率。该研究可能利用生态效率指标来评估在增材制造工艺中使用生物炭的环境和经济方面。

●挑战与解决方案：选择适当的指标需要与更广泛的可持续发展目标保持一致，因此与利益相关者的一致沟通可以指导整个过程。

5. 社会生命周期评估（SLCA）

除了环境考虑之外，SLCA 还分析产品生命周期的社会影响。

●方法：它评估劳工权利、社区参与和社会发展等因素，为增材制造的可持续性增加了人的维度。

●工具：UNEP/SETAC 指南提供了在各种工业环境（包括增材制造）中实施 SLCA 的框架。

●示例：H. Jayawardane 等人开展的一项题为“再生塑料增材制造：‘技术生态效率’评估”(2023) 的研究。探讨了 3D 打印和回收原料的社会影响。该研究利用 SLCA 评估在增材制造中使用回收 PLA 的社会影响。

●挑战与解决方案：社会指标可能是主观的，因此应用既定框架并与利益相关者互动可以确保相关性和准确性。

6. AM Power 的可持续发展测量工具

考虑到完整的工艺链，可以计算增材制造中各种合金和技术组合的能源消耗和二氧化碳排放量。

●方法：采用详细的工艺模型，考虑所有工艺步骤和材料回收，计算能源消耗并将其转换为二氧化碳排放量。

●工具：AMPOWER 可持续发展计算器

●挑战与解决方案：需要考虑各种因素的定制方法。


△来源：AMPOWER

结论
增材制造站在技术创新的前沿，为定制、效率和可持续性提供了大量的机会。尽管实现完全可持续增材制造的道路充满挑战，但行业领导者、政府、研究人员和创新者正共同努力。增材制造全球贸易协会 ( AMGTA )，是一个非营利组织，致力于促进增材制造的环境效益并通过研究促进可持续发展。在快速发展的世界中，将可持续性融入增材制造是一种必然趋势。通过认识和应对挑战、拥抱机遇并利用全面的评估工具，增材制造领域可以在可持续发展领域有新的突破。