綠色環(huán)保無(wú)污染？錯(cuò)！3D打印才沒(méi)有你想的這么好

本文源于耶魯大學(xué)《工業(yè)生態(tài)學(xué)雜志》，福爾摩望編譯，獵云網(wǎng)發(fā)布。

在過(guò)去的十年里，3D打印已經(jīng)成功捕獲了公眾、工程師和環(huán)境夢(mèng)想家的想象力。它被譽(yù)為制造業(yè)的一場(chǎng)革命，也是大幅度改善環(huán)境的機(jī)會(huì)。

3D打印有兩個(gè)關(guān)鍵屬性，正是這兩個(gè)屬性讓愛(ài)好者稱之為“綠色”技術(shù)。首先，許多3D打印系統(tǒng)很少產(chǎn)生浪費(fèi)，與傳統(tǒng)的制造技術(shù)（如注塑、鑄造、沖壓和切割）不同。其次，家庭、商店和社區(qū)中心的3D打印機(jī)可以使用數(shù)字設(shè)計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)制造產(chǎn)品，減少向終端用戶運(yùn)輸產(chǎn)品的需求。

然而，對(duì)3D打印環(huán)境性能的定量分析是有限的。它大部分只集中在生產(chǎn)過(guò)程中使用的能量上，并沒(méi)有包括原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品本身的使用或廢物管理的影響。為了填補(bǔ)這個(gè)空白，我們組織發(fā)表了一期耶魯大學(xué)《工業(yè)生態(tài)學(xué)雜志》的特別版。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)大幅度改善環(huán)境可能性的興奮需要通過(guò)理解這項(xiàng)技術(shù)如何實(shí)施以及目前的發(fā)展?fàn)顩r來(lái)緩解。

主要用于工業(yè)

看過(guò)3D打印機(jī)的大多數(shù)消費(fèi)者都知道它們很小，是類似于噴墨打印機(jī)的箱形機(jī)器。這些系統(tǒng)可以制造簡(jiǎn)單的產(chǎn)品，如門擋、開(kāi)瓶器和購(gòu)物袋把手，且通常由單一材料制成。

事實(shí)上，3D打印是一系列主要用于工業(yè)的技術(shù)，這被稱為疊層制造。這些系統(tǒng)基于數(shù)字信息通過(guò)添加連續(xù)的材料層生成物體。這些物品然后被進(jìn)一步加工和組裝成產(chǎn)品，如噴氣機(jī)引擎組件、助聽(tīng)器、醫(yī)用植入物和用于工業(yè)設(shè)備的許多不同類型的復(fù)雜零件。因此，疊層制造是對(duì)傳統(tǒng)制造工藝的補(bǔ)充，不是他們的替代品。

幾十年來(lái)，工業(yè)界一直使用疊層制造來(lái)創(chuàng)造用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)計(jì)劃的原型�，F(xiàn)在，這些技術(shù)變得越來(lái)越成熟，并被用于制造終端用途的零件和產(chǎn)品。

疊層制造對(duì)于以比傳統(tǒng)制造更低的成本生產(chǎn)定制零件和小批量復(fù)雜物體特別有用，傳統(tǒng)制造通常需要耗時(shí)，以及昂貴的生產(chǎn)設(shè)備準(zhǔn)備。

按需生產(chǎn)垃圾？

我們對(duì)新興研究的審視表明，疊層制造并不會(huì)自動(dòng)對(duì)環(huán)境有利。以這種方式生產(chǎn)的零件通常需要額外的加工來(lái)賦予它們正確的尺寸或外觀。這可能消耗資源或產(chǎn)生進(jìn)一步的環(huán)境影響。

我們審視的大部分研究表明，疊層制造設(shè)備如何配置、操作設(shè)置以及關(guān)于加工細(xì)節(jié)的選擇——例如添加層的厚度——對(duì)整體環(huán)境性能有很大影響�？茖W(xué)家們也開(kāi)始調(diào)查在使用疊層制造機(jī)械過(guò)程中暴露于微小塑料顆粒的排放和安全隱患。

重要的是，疊層制造不是一個(gè)固有的無(wú)浪費(fèi)過(guò)程。例如，一些技術(shù)要求在生產(chǎn)過(guò)程中使用臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，以防止物體在成形時(shí)翹曲或塌陷。這些支撐體無(wú)法總是被再加工成原材料。同樣需要考慮的是，用疊層制造的零件中使用的塑料、金屬或混合材料是否可以被回收利用。

另一個(gè)擔(dān)憂是按需生產(chǎn)和無(wú)休止的定制可能導(dǎo)致一次性消費(fèi)品的急劇增加，或者一些評(píng)論家所說(shuō)的“垃圾”。按需生產(chǎn)各種顏色或設(shè)計(jì)的鞋子、服裝首飾或家居用品，可以將“快時(shí)尚”推向一個(gè)全新的水平。

實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益

與此同時(shí)，去中心化的定制生產(chǎn)是一個(gè)耐人尋味的環(huán)境機(jī)遇。它源于在當(dāng)?shù)毓�廠生產(chǎn)物品的愿景，或者甚至在家里，并且只制造所需的特定產(chǎn)品，而不是在遠(yuǎn)處整批生產(chǎn)，然后大量裝運(yùn)和入庫(kù)。

然而，目前大多數(shù)可以用這種方式生產(chǎn)的產(chǎn)品必須足夠簡(jiǎn)單到能夠在入門級(jí)3D打印機(jī)上生產(chǎn)，且通常由單一材料制成。更重要的是，加工用于疊層制造的原材料比用傳統(tǒng)制造技術(shù)制造和將最終產(chǎn)品運(yùn)送給終端用戶，消耗更多的能量。

通過(guò)疊層制造生產(chǎn)的零件具有延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命的真正潛力，雖然它也可以讓老舊、能效較低的設(shè)備使用更長(zhǎng)時(shí)間。為了使這成為一種常見(jiàn)的選擇，一些零件需要專門設(shè)計(jì)成通過(guò)疊層制造來(lái)生產(chǎn)。

然而，在這一方面，知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題可能構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。3D打印機(jī)的用戶可能沒(méi)有合法權(quán)利從原始生產(chǎn)商創(chuàng)造的設(shè)計(jì)中生產(chǎn)零件和產(chǎn)品。這些生產(chǎn)商可能不認(rèn)為允許使用這種設(shè)計(jì)符合他們的經(jīng)濟(jì)利益。3D打印機(jī)的用戶可能想為，比如說(shuō)，一輛舊汽車，生產(chǎn)零部件，但是汽車制造商可能不想分享這些零件的設(shè)計(jì)。

疊層制造有強(qiáng)大的能力生產(chǎn)形狀和內(nèi)部空間非常復(fù)雜的物體——例如能夠減輕重量的飛機(jī)專用部件，從而降低燃料消耗和溫室氣體排放。許多研究人員認(rèn)為制造如此復(fù)雜零件的能力，和由此產(chǎn)生的能源效率的提高，可以從疊層制造中獲得最大的環(huán)境效益。

未來(lái)的機(jī)遇

疊層制造對(duì)于生產(chǎn)少量專門零件或產(chǎn)品非常有效。其潛在的環(huán)境優(yōu)勢(shì)目前在于按需制造零部件，特別是在制造降低產(chǎn)品使用過(guò)程中能耗的專用零件方面。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，其他收益可能會(huì)實(shí)現(xiàn)。

雖然有人聲稱這項(xiàng)技術(shù)對(duì)環(huán)境有利，但重要的是要認(rèn)識(shí)到這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并沒(méi)有考慮到環(huán)境效益。雖然一些3D打印應(yīng)用可能不符合環(huán)境要求，但有許多改進(jìn)的機(jī)會(huì)還沒(méi)有得到實(shí)現(xiàn)。第一步是對(duì)生產(chǎn)3D打印材料的環(huán)境影響、3D產(chǎn)品是如何使用的以及它們產(chǎn)生的廢物進(jìn)行更多的研究。