研究人员通过全面的生命周期分析评估3D打印的可持续性

导读：尽管3D打印可以在一定程度上减少材料浪费，但相较传统制造工艺，它可能存在较低的材料效率和高能耗的问题。然而，通过全面的生命周期分析，可以识别和解决这些问题，进而推动新型可持续材料和工艺的发展。

△该研究的题目为“可持续增材制造的愿景”（传送门）

2024年7月2日，南极熊获悉，一组研究人员在《自然·可持续性》杂志上发表了题为《可持续增材制造的愿景》的文章，概述了他们对可持续和循环增材制造生态系统的愿景。他们提出，通过系统级方法开发，3D打印可以支持更环保的制造过程。这意味着需要在增材制造流程链的各个阶段整合可持续性，包括设计3D打印机、开发原材料工艺、选择供应链以及报废后的回收和再利用。

研究人员建议将可持续性优化设计融入现有的增材制造设计（DfAM）原则中，同时该行业必须遵循全球可持续性倡议，如联合国可持续发展目标和欧洲绿色协议。

展望未来，他们提出了基于环境可持续实践的 "增材制造新角色 "的重要性。虽然增材制造 "本质上不是循环或可持续的"，但他们认为，增材制造在创建循环经济方面可以发挥关键作用。  

△研究人员对可持续增材制造的愿景

3D打印可持续吗

这些研究人员来自意大利、荷兰、新加坡、瑞士、瑞典和美国的大学。他们概述了全球气候变化、生物多样性丧失以及政治动荡对原材料供应的威胁。

支持3D打印的一个常见论点是，它可以减少材料浪费。然而，研究人员指出，现实并非非黑即白，“大量减少废料的情况很少发生”。

研究表明，虽然增材制造有时可以减少材料浪费，但这在很大程度上取决于具体的3D打印技术和应用场景。

与传统制造工艺如注塑、铸造和挤压相比，3D打印工艺的材料效率较低。例如，聚合物粉末床熔融（PBF）可以产生高达44%的塑料粉末废料。此外，基于光固化树脂的打印会产生液态树脂废料，而3D打印的支撑结构经常被丢弃。

论文还概述了3D打印机能源使用对环境的负面影响。研究显示，大多数聚合物3D打印机的能耗超过了注塑ABS塑料的总能耗。同样，增材制造在加工每公斤金属材料时的能耗也高于铸造、模塑、锻造或挤压等传统工艺。

研究人员还质疑了增材制造能消除运输排放的说法。他们解释说，3D打印所需的原材料仍然需要全球运输，增材制造仅减少了“运输不同部件所用材料”的需求。

如何克服这些关于3D打印的误解？作者认为，答案在于进行更全面、基于背景的生命周期分析（LCA）。未来的分析应明确3D打印在何种方面存在可持续性问题。如果不考虑材料生产和生命周期末期的影响，可能会错失开发新型可持续3D打印材料和工艺的机会。

△利用3D打印技术开发下一代可持续建筑外墙构件示意

如何使3D打印更具可持续性

接下来，作者概述了如何使增材制造更具可持续性，并认为需要对3D打印工艺、机器和材料进行重新设计。其中一项建议是采用生物复合浆料替代直接墨水写入（DIW）3D打印中的塑料熔化。这种部件使用的材料和壁厚分别是直接墨水写入部件的五倍，对环境的影响却只有直接墨水写入部件的一半。然而，研究人员指出，要实现这一愿景，需要进一步改进这些浆料的机械性能。

此外，他们还强调了提高3D打印材料回收率的重要性。目前，多材料3D打印机导致可回收聚合物难以回收，因为它们无法相互分离并积累杂质。因此，作者认为这些材料应设计成可堆肥的成分，以实现环保的处理方式。

为提升增材制造的可持续性，下一步建议是利用可持续设计工具。作者建议将可持续发展功能纳入现有的DfAM工作流程中。例如，可以将生命周期评估集成到优化软件中，以指导材料选择、工艺参数和几何形状。

△一种偏远地区3D打印可持续风力发电机叶片的方案

3D打印的可持续发展潜力

作者进一步阐述了如何利用增材制造技术使现有的设计实践更具可持续性。他们认为，所有产品的设计都应便于维修和维护。在备件的大规模生产和长期储存不再成本效益时，快速成型制造技术可以按需生产备件。

此外，作者建议进行可升级性设计。制造商应关注更新现有产品，通过增加新特性和功能来满足客户不断变化的需求，从而延长产品寿命并减少浪费。然而，他们也承认，要确保这种商业模式的盈利能力，需要进一步的探索。

另一个设计考虑因素是零部件在生命周期结束后的可再利用性。这种方法旨在使零件易于拆卸并重新组装成新产品，赋予零件第二次生命。作者认为增材制造非常适合这种应用，但强调实现这一目标需要新的指导方针、决策支持和智能系统。

最后，研究人员指出，产品的设计应考虑到可回收利用。这通常导致原材料在质量上的降级循环利用。虽然增材制造已用于加工含不同比例回收成分的材料，但由于杂质可能导致打印失败，因此需要更多研究来确定如何最佳处理回收原料。

△一种可持续和可回收的3D打印粉末材料

可持续增材制造的未来

为了实现这一目标，该报告指出，需要最大限度地提高3D打印机的利用率，即减少全天候工作的3D打印机数量。这是因为这些技术可以减少生产每个部件所需的资源消耗和能源消耗，相比传统制造方法，可以达到10倍或者甚至100倍的减少。此外，还需要利用新一代技术和材料，以及考虑到增材制造可持续发展优势的设计流程。  

研究人员最终认为，只有当主要利益相关者在实现可持续发展目标方面具有相同的意图和承诺时，才能实现他们对可持续增材制造的愿景。