研究人員通過全面的生命周期分析評估3D打印的可持續(xù)性

導(dǎo)讀：盡管3D打印可以在一定程度上減少材料浪費，但相較傳統(tǒng)制造工藝，它可能存在較低的材料效率和高能耗的問題。然而，通過全面的生命周期分析，可以識別和解決這些問題，進而推動新型可持續(xù)材料和工藝的發(fā)展。

△該研究的題目為“可持續(xù)增材制造的愿景”（傳送門）

2024年7月2日，南極熊獲悉，一組研究人員在《自然·可持續(xù)性》雜志上發(fā)表了題為《可持續(xù)增材制造的愿景》的文章，概述了他們對可持續(xù)和循環(huán)增材制造生態(tài)系統(tǒng)的愿景。他們提出，通過系統(tǒng)級方法開發(fā)，3D打印可以支持更環(huán)保的制造過程。這意味著需要在增材制造流程鏈的各個階段整合可持續(xù)性，包括設(shè)計3D打印機、開發(fā)原材料工藝、選擇供應(yīng)鏈以及報廢后的回收和再利用。

研究人員建議將可持續(xù)性優(yōu)化設(shè)計融入現(xiàn)有的增材制造設(shè)計（DfAM）原則中，同時該行業(yè)必須遵循全球可持續(xù)性倡議，如聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)和歐洲綠色協(xié)議。

展望未來，他們提出了基于環(huán)境可持續(xù)實踐的 "增材制造新角色 "的重要性。雖然增材制造 "本質(zhì)上不是循環(huán)或可持續(xù)的"，但他們認(rèn)為，增材制造在創(chuàng)建循環(huán)經(jīng)濟方面可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。  

△研究人員對可持續(xù)增材制造的愿景

3D打印可持續(xù)嗎

這些研究人員來自意大利、荷蘭、新加坡、瑞士、瑞典和美國的大學(xué)。他們概述了全球氣候變化、生物多樣性喪失以及政治動蕩對原材料供應(yīng)的威脅。

支持3D打印的一個常見論點是，它可以減少材料浪費。然而，研究人員指出，現(xiàn)實并非非黑即白，“大量減少廢料的情況很少發(fā)生”。

研究表明，雖然增材制造有時可以減少材料浪費，但這在很大程度上取決于具體的3D打印技術(shù)和應(yīng)用場景。

與傳統(tǒng)制造工藝如注塑、鑄造和擠壓相比，3D打印工藝的材料效率較低。例如，聚合物粉末床熔融（PBF）可以產(chǎn)生高達44%的塑料粉末廢料。此外，基于光固化樹脂的打印會產(chǎn)生液態(tài)樹脂廢料，而3D打印的支撐結(jié)構(gòu)經(jīng)常被丟棄。

論文還概述了3D打印機能源使用對環(huán)境的負(fù)面影響。研究顯示，大多數(shù)聚合物3D打印機的能耗超過了注塑ABS塑料的總能耗。同樣，增材制造在加工每公斤金屬材料時的能耗也高于鑄造、模塑、鍛造或擠壓等傳統(tǒng)工藝。

研究人員還質(zhì)疑了增材制造能消除運輸排放的說法。他們解釋說，3D打印所需的原材料仍然需要全球運輸，增材制造僅減少了“運輸不同部件所用材料”的需求。

如何克服這些關(guān)于3D打印的誤解？作者認(rèn)為，答案在于進行更全面、基于背景的生命周期分析（LCA）。未來的分析應(yīng)明確3D打印在何種方面存在可持續(xù)性問題。如果不考慮材料生產(chǎn)和生命周期末期的影響，可能會錯失開發(fā)新型可持續(xù)3D打印材料和工藝的機會。

△利用3D打印技術(shù)開發(fā)下一代可持續(xù)建筑外墻構(gòu)件示意

如何使3D打印更具可持續(xù)性

接下來，作者概述了如何使增材制造更具可持續(xù)性，并認(rèn)為需要對3D打印工藝、機器和材料進行重新設(shè)計。其中一項建議是采用生物復(fù)合漿料替代直接墨水寫入（DIW）3D打印中的塑料熔化。這種部件使用的材料和壁厚分別是直接墨水寫入部件的五倍，對環(huán)境的影響卻只有直接墨水寫入部件的一半。然而，研究人員指出，要實現(xiàn)這一愿景，需要進一步改進這些漿料的機械性能。

此外，他們還強調(diào)了提高3D打印材料回收率的重要性。目前，多材料3D打印機導(dǎo)致可回收聚合物難以回收，因為它們無法相互分離并積累雜質(zhì)。因此，作者認(rèn)為這些材料應(yīng)設(shè)計成可堆肥的成分，以實現(xiàn)環(huán)保的處理方式。

為提升增材制造的可持續(xù)性，下一步建議是利用可持續(xù)設(shè)計工具。作者建議將可持續(xù)發(fā)展功能納入現(xiàn)有的DfAM工作流程中。例如，可以將生命周期評估集成到優(yōu)化軟件中，以指導(dǎo)材料選擇、工藝參數(shù)和幾何形狀。

△一種偏遠地區(qū)3D打印可持續(xù)風(fēng)力發(fā)電機葉片的方案

3D打印的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?

作者進一步闡述了如何利用增材制造技術(shù)使現(xiàn)有的設(shè)計實踐更具可持續(xù)性。他們認(rèn)為，所有產(chǎn)品的設(shè)計都應(yīng)便于維修和維護。在備件的大規(guī)模生產(chǎn)和長期儲存不再成本效益時，快速成型制造技術(shù)可以按需生產(chǎn)備件。

此外，作者建議進行可升級性設(shè)計。制造商應(yīng)關(guān)注更新現(xiàn)有產(chǎn)品，通過增加新特性和功能來滿足客戶不斷變化的需求，從而延長產(chǎn)品壽命并減少浪費。然而，他們也承認(rèn)，要確保這種商業(yè)模式的盈利能力，需要進一步的探索。

另一個設(shè)計考慮因素是零部件在生命周期結(jié)束后的可再利用性。這種方法旨在使零件易于拆卸并重新組裝成新產(chǎn)品，賦予零件第二次生命。作者認(rèn)為增材制造非常適合這種應(yīng)用，但強調(diào)實現(xiàn)這一目標(biāo)需要新的指導(dǎo)方針、決策支持和智能系統(tǒng)。

最后，研究人員指出，產(chǎn)品的設(shè)計應(yīng)考慮到可回收利用。這通常導(dǎo)致原材料在質(zhì)量上的降級循環(huán)利用。雖然增材制造已用于加工含不同比例回收成分的材料，但由于雜質(zhì)可能導(dǎo)致打印失敗，因此需要更多研究來確定如何最佳處理回收原料。

△一種可持續(xù)和可回收的3D打印粉末材料

可持續(xù)增材制造的未來

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，該報告指出，需要最大限度地提高3D打印機的利用率，即減少全天候工作的3D打印機數(shù)量。這是因為這些技術(shù)可以減少生產(chǎn)每個部件所需的資源消耗和能源消耗，相比傳統(tǒng)制造方法，可以達到10倍或者甚至100倍的減少。此外，還需要利用新一代技術(shù)和材料，以及考慮到增材制造可持續(xù)發(fā)展優(yōu)勢的設(shè)計流程。  

研究人員最終認(rèn)為，只有當(dāng)主要利益相關(guān)者在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)方面具有相同的意圖和承諾時，才能實現(xiàn)他們對可持續(xù)增材制造的愿景。