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2024年7月2日，南极熊获悉，来自意大利米兰米兰理工大学的一个研究小组概述了他们对可持续和循环增材制造生态系统的愿景。相关研究以题为“A vision for sustainable additive manufacturing/可持续增材制造的愿景”的文章被发表在《Nature Sustainability》杂志上。
文章提出，如果通过“系统级方法”进行开发，3D 打印可以支持更加环保的制造过程。这意味着将可持续性融入增材制造工艺链的各个阶段，包括 3D 打印机设计、原材料工艺开发、供应链选择以及报废回收和再利用。
他们建议，可持续性优化设计应融入现有的增材制造设计 (DfAM) 原则中，并且该行业必须遵循全球可持续发展倡议。这些倡议包括联合国的可持续发展目标和欧洲绿色协议。
展望未来，研究人员阐述了基于环境可持续实践的“增材制造的新角色”的重要性。尽管增材制造本质上并不是100%循环的或可持续的，但他们认为这项技术在创建循环经济方面发挥着关键作用。
△研究人员对可持续增材制造的愿景。图片来自 Jeremy Faludi。
3D打印技术是可持续的吗？
来自意大利、荷兰、新加坡、瑞士、瑞典和美国大学的研究人员指出，全球气候变化、生物多样性丧失和政治动荡正在威胁原材料的供应。支持 3D 打印的一个常见论点是它消除了材料浪费。然而，研究人员指出，现实情况并非如此，并表示“大规模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3D打印技术和应用的背景。
3D 打印工艺被认为在材料效率方面不如注塑、铸造和挤压等传统制造工艺。例如，聚合物粉末床熔融 (PBF) 可产生高达 44% 的塑料粉末废料。此外，基于光聚合物树脂的打印机会产生液态树脂废料，而 3D 打印的支撑结构经常被丢弃。
这篇论文还概述了 3D 打印机能源使用对环境的负面影响。据报道，大多数聚合物 3D 打印机的能耗超过了注塑 ABS 塑料的总影响。同样，对于大多数金属部件而言，增材制造每加工一公斤材料所消耗的能量比铸造、模塑、锻造或挤压要多。
研究人员还对增材制造消除运输排放的说法提出质疑。他们解释说，3D 打印使用的原材料仍然需要在全球范围内运输，而增材制造只是减少了“运输由相同材料制成的不同部件”的需要。
如何克服这些关于 3D 打印的误解？作者认为答案在于更全面、更基于情境的生命周期分析 (LCA)。未来的分析应该明确 3D 打印不可持续的地方。排除材料生产和报废影响可能会导致错失开发新的可持续 3D 打印材料和工艺的机会。
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变得更加可持续，认为 3D 打印流程、机器和材料需要“重新设计”。
一个建议是，在基于直接墨水书写 (DIW) 的3D 打印技术中用生物复合糊剂代替塑料熔化。这种零件可以使用五倍于 DIW 组件的材料和五倍的壁厚,同时环境影响降低一半。然而，研究人员指出，在完全实现这一愿景之前，需要改进这些糊剂的机械性能。
他们还指出，需要提高 3D 打印材料的报废回收能力。目前，多材料 3D 打印机使可回收聚合物变得不可回收，因为它们无法相互分离，而且会积累杂质。因此，作者认为，此类材料中的成分应该是可堆肥的，这样就可以以环保的方式丢弃它们。
提高增材制造可持续性的下一步是利用可持续设计工具。作者建议将可持续性功能纳入现有的 DfAM工作流程。例如，可以将 LCA 集成到优化软件中，以指导材料选择、工艺参数和几何形状。
3D打印的可持续发展潜力
作者还详细阐述了如何利用增材制造技术使现有的设计实践更加可持续。
他们主张，所有产品的设计都应便于维修和保养。当备件无法大批量生产并储存多年时，增材制造技术可以按需生产替换零件。
还建议设计可升级性。制造商应专注于更新现有产品，通过添加新特性和功能来满足不断变化的客户需求。这将延长产品寿命并减少浪费。然而，他们承认，需要进行更多探索以确保这种商业模式的盈利能力。
零件在其生命周期结束时的可重复使用性被视为另一个设计考虑因素。这种方法旨在通过使零件易于拆卸和重新组装成新产品来赋予它们第二次生命。作者认为增材制造非常适合这种应用，但强调需要新的指导方针、决策支持和智能系统来实现这一点。
最后，他们指出，产品的设计应考虑可回收性。这通常会导致降级回收，原材料会失去其原有的质量。增材制造已用于加工包含不同数量回收成分的材料。然而，需要进行更多研究来确定如何最好地处理回收原料，因为杂质通常会导致打印失败。
可持续增材制造的未来
文章展望了未来增材制造的生命周期，其特点是适应性强、数字化驱动、可持续。为了实现这一目标，报告指出，需要最大限度地提高 3D 打印机的利用率，这意味着全天候工作的 3D 打印机数量要少一些。这是因为一些 3D 打印机技术可以将每个部件的影响减少 10 倍甚至 100 倍。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性优势的设计流程。
研究人员最终认为，只有主要利益相关者拥有相同的意图和承诺以实现可持续发展目标，他们的可持续增材制造愿景才能够实现。
虽然早期的言论可能将 3D 打印誉为一项绿色技术，但现在比以往任何时候都更重要的是批判性地评估其可持续性声明并对其环境影响进行平衡的评估。
Phil Reeves 博士在题为《Sustainability and 3D printing: Greenwash, Hogwash or a Justified Shift in Thinking?/可持续性与 3D 打印：绿色洗白、无稽之谈还是合理的思维转变？》的演讲中强调了可持续性成为“潮流”的危险。除了各种增材制造技术能耗的有用数据外，Reeves 的演讲还提供了有关金属增材制造粉末中碳排放或许更剧烈的见解。此前，咨询公司 Roland Berger 发布了一份报告，专门处理类似问题，并警告不要相信那些关3D 打印可持续性肤浅或带有误导性的言论。
△金属增材制造粉末中的碳排放统计。表格来自 Phil Reeves 博士。
然而，在许多情况下，增材制造的优势（至少在能源方面）源于最终组件的使用方式。增材制造航空组件的整个使用寿命的能源评估（即减轻重量可降低燃料消耗）通常会使排放量与传统部件相比大幅减少。但对于其他行业使用的组件，情况可能并非如此。企业、行业组织AMGTA以及越来越多的学术研究人员现在进行的生命周期评估中，可以找到为了解节约成本所做的工作。
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