增材制造領(lǐng)域的可持續(xù)性：機(jī)遇、挑戰(zhàn)與評(píng)估工具

導(dǎo)讀：增材制造 (AM) 徹底改變了生產(chǎn)制造的格局，實(shí)現(xiàn)了前所未有的定制和復(fù)雜設(shè)計(jì)水平。然而，隨著增材制造的興起，對(duì)增材制造可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注變得至關(guān)重要。增材制造在可持續(xù)發(fā)展中的機(jī)遇是什么？面臨的挑戰(zhàn)又是什么？南極熊將在下文對(duì)3D打印的可持續(xù)性進(jìn)行全面探索，探討機(jī)遇、挑戰(zhàn)以及用于評(píng)估行業(yè)內(nèi)可持續(xù)性的潛在工具。



一、增材制造在可持續(xù)發(fā)展中的機(jī)遇
AM擅長(zhǎng)促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的“三重底線”，其中包括環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)因素，本文將深入研究如何利用增材制造來優(yōu)化可持續(xù)發(fā)展的這些不同方面。

1.環(huán)境可持續(xù)性
●材料效率：增材制造的主要優(yōu)勢(shì)之一是能夠最大限度地減少材料浪費(fèi)。與傳統(tǒng)制造方法不同，增材制造僅使用必要數(shù)量的材料逐層構(gòu)建物體。這種材料放置的精確性不僅減少了浪費(fèi)，還有助于節(jié)省成本。寶馬等公司已采用增材制造技術(shù)來生產(chǎn)輕量化部件，從而節(jié)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續(xù)發(fā)展的基石。該技術(shù)能夠用更少的材料生產(chǎn)復(fù)雜的幾何形狀，有助于節(jié)省能源。在汽車和航空航天行業(yè)，能源效率是創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，增材制造能夠生產(chǎn)高度復(fù)雜的零件，從而提高整體能源性能。GE航空集團(tuán)的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)，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創(chuàng)新可以促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。材料的重復(fù)利用是使增材制造成為更可持續(xù)實(shí)踐的一個(gè)組成部分�；萜� 3D 打印材料回收計(jì)劃等創(chuàng)新促進(jìn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)，鼓勵(lì)聚合物材料的回收。福特與惠普合作，將 3D 打印廢物回收制成汽車零部件。此外，MolyWorks 子公司Continuum等公司正在開拓新的回收技術(shù)，將廢金屬轉(zhuǎn)化為 3D 打印原料，進(jìn)一步增強(qiáng)增材制造工藝的可持續(xù)性。


△海洋級(jí)不銹鋼合金

2.經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性

●成本效率：增材制造提供了具有成本效益的生產(chǎn)機(jī)會(huì)，特別是對(duì)于小批量或定制產(chǎn)品。這包括降低模具成本、降低勞動(dòng)力成本以及具有本地制造的潛力。

●供應(yīng)鏈管理：增材制造有潛力改變傳統(tǒng)供應(yīng)鏈，提供按需生產(chǎn)和本地化制造。這可以降低運(yùn)輸成本并減少總體碳足跡。EOS與戴姆勒 EvoBus等公司合作，建立數(shù)字化和可持續(xù)的備件管理，分散制造以消除長(zhǎng)運(yùn)輸路線，并按需制造以避免生產(chǎn)過剩。

●創(chuàng)新和市場(chǎng)增長(zhǎng)：投資增材制造技術(shù)可促進(jìn)各個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新和增長(zhǎng)，進(jìn)一步增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性。


△通過 OMNIplus 生產(chǎn)的梅賽德斯奔馳巴士的 3D 打印備件。

3.社會(huì)可持續(xù)發(fā)展

●可訪問性：增材制造通過讓小型企業(yè)和個(gè)人創(chuàng)新者可以使用它來實(shí)現(xiàn)制造的民主化。這支持當(dāng)?shù)匕l(fā)展并鼓勵(lì)創(chuàng)業(yè)。

●教育和勞動(dòng)力發(fā)展：增材制造的發(fā)展需要熟練的勞動(dòng)力。增材制造技術(shù)的教育和培訓(xùn)可以創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)并支持社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。Stratasys致力于確保包容且公平的優(yōu)質(zhì)教育和學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。通過提供“邊做邊學(xué)”的機(jī)會(huì)并利用技術(shù)增強(qiáng)學(xué)生能力，Stratasys 為增材制造領(lǐng)域的社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。

●道德和監(jiān)管：確保增材制造中負(fù)責(zé)任和道德的實(shí)踐，包括知識(shí)產(chǎn)權(quán)、勞動(dòng)條件和安全，對(duì)于實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

二、增材制造在可持續(xù)發(fā)展方面面臨的挑戰(zhàn)
增材制造雖然具有眾多優(yōu)勢(shì)，但要成為真正的可持續(xù)制造技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)。

●材料限制：目前約 50% 的增材制造材料不可再生或難以回收。這對(duì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則造成了障礙，并可能導(dǎo)致廢物管理問題。開發(fā)更容易回收或生物降解的新材料，或?qū)ふ椰F(xiàn)有材料的替代用途，可能會(huì)緩解這些挑戰(zhàn)。

●能源強(qiáng)度：某些增材制造工藝的能源強(qiáng)度可能比傳統(tǒng)制造方法高出 50-100%。這可能會(huì)導(dǎo)致更高的碳足跡，并且可能與全球減少溫室氣體排放的努力相矛盾。投資節(jié)能技術(shù)和利用可再生能源可能是增材制造與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)保持一致的關(guān)鍵策略。

●監(jiān)管合規(guī)性：確保遵守不同司法管轄區(qū)的環(huán)境法規(guī)可能非常復(fù)雜且成本高昂。不同的、有時(shí)甚至是相互沖突的要求可能會(huì)造成混亂并阻礙創(chuàng)新。協(xié)調(diào)法規(guī)、提供明確的指導(dǎo)以及促進(jìn)政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)界之間的合作可能會(huì)緩解這些挑戰(zhàn)。ASTM在法規(guī)遵從性方面的工作重點(diǎn)是 3D 打印產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、鑒定和認(rèn)證。

●缺乏標(biāo)準(zhǔn)化工具：如果沒有既定的指導(dǎo)方針，定制增材制造可持續(xù)性衡量工具可能會(huì)很困難。缺乏標(biāo)準(zhǔn)化方法和工具可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量和評(píng)估不一致。標(biāo)準(zhǔn)化工具、指南和最佳實(shí)踐的協(xié)作開發(fā)可以提高整個(gè)行業(yè)的一致性和可比性。AMPOWER可持續(xù)性計(jì)算器就是這樣一種工具，它被開發(fā)用于計(jì)算增材制造中各種合金和技術(shù)組合的能源消耗和二氧化碳排放量，為可持續(xù)性測(cè)量提供標(biāo)準(zhǔn)化方法。

●技術(shù)可及性：盡管增材制造提供了本地化制造機(jī)會(huì)，但所需的初始投資和專業(yè)知識(shí)可能成為中小企業(yè) (SME) 的障礙。讓教育、培訓(xùn)和融資變得更容易獲得可以支持更廣泛地采用增材制造，促進(jìn)創(chuàng)新和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性。

通過認(rèn)識(shí)并應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，該行業(yè)可以在 3D 打印領(lǐng)域邁向更負(fù)責(zé)任、更可持續(xù)的實(shí)踐。所有利益相關(guān)者的共同努力對(duì)于實(shí)現(xiàn)增材制造更加可持續(xù)的未來至關(guān)重要。


三、評(píng)估3D打印的可持續(xù)性

推動(dòng)增材制造的可持續(xù)發(fā)展需要精確的測(cè)量工具，原因如下：

●整體評(píng)估：這些工具提供對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響的全面審視。

●迭代細(xì)化：支持持續(xù)的可持續(xù)性改進(jìn)、設(shè)定基準(zhǔn)和指導(dǎo)策略。

●數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策：從材料到運(yùn)營的明智選擇源于準(zhǔn)確的指標(biāo)。

●監(jiān)管協(xié)調(diào)：除了確保合規(guī)性之外，這些工具還有助于透明的利益相關(guān)者溝通。

●提高聲譽(yù)：透明的承諾可以增強(qiáng)信任并使公司在市場(chǎng)上處于有利地位。

●全球目標(biāo)協(xié)同作用：工具將增材制造實(shí)踐與更大的框架（例如聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)）保持一致。

●創(chuàng)新催化劑：推動(dòng)新材料/新工藝的探索，提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

●可持續(xù)性測(cè)量工具不僅是運(yùn)營必需品，也是應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)和釋放各種機(jī)遇的戰(zhàn)略必需品。這些工具指導(dǎo)組織利用增材制造做出明智的決策、促進(jìn)創(chuàng)新、確保合規(guī)性、建立信任并為更廣泛的社會(huì)目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

1.生命周期評(píng)估（LCA）
LCA 用于分析產(chǎn)品整個(gè)生命周期對(duì)環(huán)境的影響，包括材料采購、制造、使用和報(bào)廢處置。

●方法：涉及能源和材料投入、排放、廢物產(chǎn)生等數(shù)據(jù)收集。然后，將數(shù)據(jù)映射到氣候變化、臭氧消耗和水消耗等環(huán)境影響類別。

●工具：SimaPro 和 OpenLCA 等軟件提供了專門的增材制造模塊，可以對(duì)特定流程進(jìn)行詳細(xì)分析。

●示例：與 YOU MAWO 和 Fraunhofer EMI 進(jìn)行的生命周期分析 (LCA) 研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)制造相比，EOS 3D 打印眼鏡的碳足跡可持續(xù)性提高了 58%，產(chǎn)生的浪費(fèi)減少了 80%。

●挑戰(zhàn)與解決方案：確保準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)收集可能具有挑戰(zhàn)性，因此標(biāo)準(zhǔn)化方法和利用行業(yè)特定數(shù)據(jù)庫可以提高可靠性。


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

2. 物料流分析（MFA）
MFA 通過增材制造流程定量跟蹤材料，以確定效率低下和浪費(fèi)的區(qū)域。

●方法：它涉及跟蹤特定材料在生產(chǎn)各個(gè)階段的流動(dòng)，識(shí)別損失和低效率，并結(jié)合上下游進(jìn)行分析以提出改進(jìn)建議。

●工具：像 STAN 這樣的軟件提供了針對(duì)增材制造量身定制的可視化和建模功能。

●示例：在題為“使用增材制造的固定制動(dòng)卡鉗的設(shè)計(jì)和分析”(2023) 的研究中，Gautam Kulkarni 討論了學(xué)生方程式賽車前制動(dòng)卡鉗原型的設(shè)計(jì)和評(píng)估。該研究可能利用材料流分析來了解材料流以及使用增材制造制造制動(dòng)卡鉗所涉及的制造過程。

●挑戰(zhàn)與解決方案：平衡細(xì)節(jié)與可行性至關(guān)重要，因此專注于關(guān)鍵材料或階段的模塊化方法可以簡(jiǎn)化流程。

3. 可持續(xù)價(jià)值流圖（SVSM）

SVSM 是一種可視化工具，可繪制整個(gè)制造過程中的材料和信息流，突出顯示可持續(xù)性指標(biāo)。

●方法：傳統(tǒng)的價(jià)值流圖擴(kuò)展到包括環(huán)境和社會(huì)指標(biāo)，提供增材制造可持續(xù)性的更全面的視圖。

●工具：精益制造原則的研討會(huì)和培訓(xùn)可以幫助將 SVSM 納入增材制造運(yùn)營中。

●示例： Fikile Poswa 等人的一項(xiàng)題為“使用模擬價(jià)值流圖提高生產(chǎn)力：卡車制造行業(yè)案例研究”(2022) 的研究。討論了SVSM在卡車制造行業(yè)的應(yīng)用。該研究利用模擬價(jià)值流圖來識(shí)別關(guān)鍵工作站中的非增值時(shí)間，并提出消除這些時(shí)間的解決方案，從而使生產(chǎn)力提高了 4%。這項(xiàng)研究展示了 SVSM 在制造環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用，以提高生產(chǎn)力和效率。

●挑戰(zhàn)與解決方案：整合可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)需要專業(yè)知識(shí)，因此與可持續(xù)發(fā)展專業(yè)人士的合作可以增強(qiáng)這一過程。

4. 生態(tài)效率指標(biāo)
這些指標(biāo)提供了所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與環(huán)境影響的比率，提供了可持續(xù)性的簡(jiǎn)明衡量標(biāo)準(zhǔn)。

●方法：通過量化經(jīng)濟(jì)績(jī)效和環(huán)境影響，這些指標(biāo)可以對(duì)增材制造的可持續(xù)性進(jìn)行平衡評(píng)估。

●工具：WBCSD 等組織的指南提供了特定于行業(yè)的應(yīng)用程序。

●示例： N. Vidakis 等人開展的題為“MEX 和 VPP 增材制造中的生物炭填料：聚乳酸和標(biāo)準(zhǔn)級(jí)樹脂基質(zhì)的表征和增強(qiáng)效果”(2023) 的研究。研究了使用環(huán)保生物炭作為增材制造增強(qiáng)材料的效率。該研究可能利用生態(tài)效率指標(biāo)來評(píng)估在增材制造工藝中使用生物炭的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面。

●挑戰(zhàn)與解決方案：選擇適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)需要與更廣泛的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)保持一致，因此與利益相關(guān)者的一致溝通可以指導(dǎo)整個(gè)過程。

5. 社會(huì)生命周期評(píng)估（SLCA）

除了環(huán)境考慮之外，SLCA 還分析產(chǎn)品生命周期的社會(huì)影響。

●方法：它評(píng)估勞工權(quán)利、社區(qū)參與和社會(huì)發(fā)展等因素，為增材制造的可持續(xù)性增加了人的維度。

●工具：UNEP/SETAC 指南提供了在各種工業(yè)環(huán)境（包括增材制造）中實(shí)施 SLCA 的框架。

●示例：H. Jayawardane 等人開展的一項(xiàng)題為“再生塑料增材制造：‘技術(shù)生態(tài)效率’評(píng)估”(2023) 的研究。探討了 3D 打印和回收原料的社會(huì)影響。該研究利用 SLCA 評(píng)估在增材制造中使用回收 PLA 的社會(huì)影響。

●挑戰(zhàn)與解決方案：社會(huì)指標(biāo)可能是主觀的，因此應(yīng)用既定框架并與利益相關(guān)者互動(dòng)可以確保相關(guān)性和準(zhǔn)確性。

6. AM Power 的可持續(xù)發(fā)展測(cè)量工具

考慮到完整的工藝鏈，可以計(jì)算增材制造中各種合金和技術(shù)組合的能源消耗和二氧化碳排放量。

●方法：采用詳細(xì)的工藝模型，考慮所有工藝步驟和材料回收，計(jì)算能源消耗并將其轉(zhuǎn)換為二氧化碳排放量。

●工具：AMPOWER 可持續(xù)發(fā)展計(jì)算器

●挑戰(zhàn)與解決方案：需要考慮各種因素的定制方法。


△來源：AMPOWER

結(jié)論
增材制造站在技術(shù)創(chuàng)新的前沿，為定制、效率和可持續(xù)性提供了大量的機(jī)會(huì)。盡管實(shí)現(xiàn)完全可持續(xù)增材制造的道路充滿挑戰(zhàn)，但行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者、政府、研究人員和創(chuàng)新者正共同努力。增材制造全球貿(mào)易協(xié)會(huì) ( AMGTA )，是一個(gè)非營利組織，致力于促進(jìn)增材制造的環(huán)境效益并通過研究促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。在快速發(fā)展的世界中，將可持續(xù)性融入增材制造是一種必然趨勢(shì)。通過認(rèn)識(shí)和應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)、擁抱機(jī)遇并利用全面的評(píng)估工具，增材制造領(lǐng)域可以在可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域有新的突破。