研究人員分享3D打印未來的新愿景，可持續(xù)性需要辯證看待

2024年7月2日，南極熊獲悉，來自意大利米蘭米蘭理工大學(xué)的一個(gè)研究小組概述了他們對(duì)可持續(xù)和循環(huán)增材制造生態(tài)系統(tǒng)的愿景。相關(guān)研究以題為“A vision for sustainable additive manufacturing/可持續(xù)增材制造的愿景”的文章被發(fā)表在《Nature Sustainability》雜志上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41893-024-01313-x

文章提出，如果通過“系統(tǒng)級(jí)方法”進(jìn)行開發(fā)，3D 打印可以支持更加環(huán)保的制造過程。這意味著將可持續(xù)性融入增材制造工藝鏈的各個(gè)階段，包括 3D 打印機(jī)設(shè)計(jì)、原材料工藝開發(fā)、供應(yīng)鏈選擇以及報(bào)廢回收和再利用。

他們建議，可持續(xù)性優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)融入現(xiàn)有的增材制造設(shè)計(jì) (DfAM) 原則中，并且該行業(yè)必須遵循全球可持續(xù)發(fā)展倡議。這些倡議包括聯(lián)合國的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)和歐洲綠色協(xié)議。

展望未來，研究人員闡述了基于環(huán)境可持續(xù)實(shí)踐的“增材制造的新角色”的重要性。盡管增材制造本質(zhì)上并不是100%循環(huán)的或可持續(xù)的，但他們認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)在創(chuàng)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

△研究人員對(duì)可持續(xù)增材制造的愿景。圖片來自 Jeremy Faludi。

3D打印技術(shù)是可持續(xù)的嗎？

來自意大利、荷蘭、新加坡、瑞士、瑞典和美國大學(xué)的研究人員指出，全球氣候變化、生物多樣性喪失和政治動(dòng)蕩正在威脅原材料的供應(yīng)。支持 3D 打印的一個(gè)常見論點(diǎn)是它消除了材料浪費(fèi)。然而，研究人員指出，現(xiàn)實(shí)情況并非如此，并表示“大規(guī)模減少廢料的情況很少發(fā)生�！�

研究表明，雖然增材制造有時(shí)可以減少材料浪費(fèi)，但這在很大程度上取決于3D打印技術(shù)和應(yīng)用的背景。

3D 打印工藝被認(rèn)為在材料效率方面不如注塑、鑄造和擠壓等傳統(tǒng)制造工藝。例如，聚合物粉末床熔融 (PBF) 可產(chǎn)生高達(dá) 44% 的塑料粉末廢料。此外，基于光聚合物樹脂的打印機(jī)會(huì)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。

這篇論文還概述了 3D 打印機(jī)能源使用對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。據(jù)報(bào)道，大多數(shù)聚合物 3D 打印機(jī)的能耗超過了注塑 ABS 塑料的總影響。同樣，對(duì)于大多數(shù)金屬部件而言，增材制造每加工一公斤材料所消耗的能量比鑄造、模塑、鍛造或擠壓要多。

研究人員還對(duì)增材制造消除運(yùn)輸排放的說法提出質(zhì)疑。他們解釋說，3D 打印使用的原材料仍然需要在全球范圍內(nèi)運(yùn)輸，而增材制造只是減少了“運(yùn)輸由相同材料制成的不同部件”的需要。

如何克服這些關(guān)于 3D 打印的誤解？作者認(rèn)為答案在于更全面、更基于情境的生命周期分析 (LCA)。未來的分析應(yīng)該明確 3D 打印不可持續(xù)的地方。排除材料生產(chǎn)和報(bào)廢影響可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)失開發(fā)新的可持續(xù) 3D 打印材料和工藝的機(jī)會(huì)。

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變得更加可持續(xù)，認(rèn)為 3D 打印流程、機(jī)器和材料需要“重新設(shè)計(jì)”。

一個(gè)建議是，在基于直接墨水書寫 (DIW) 的3D 打印技術(shù)中用生物復(fù)合糊劑代替塑料熔化。這種零件可以使用五倍于 DIW 組件的材料和五倍的壁厚,同時(shí)環(huán)境影響降低一半。然而，研究人員指出，在完全實(shí)現(xiàn)這一愿景之前，需要改進(jìn)這些糊劑的機(jī)械性能。  

他們還指出，需要提高 3D 打印材料的報(bào)廢回收能力。目前，多材料 3D 打印機(jī)使可回收聚合物變得不可回收，因?yàn)樗鼈儫o法相互分離，而且會(huì)積累雜質(zhì)。因此，作者認(rèn)為，此類材料中的成分應(yīng)該是可堆肥的，這樣就可以以環(huán)保的方式丟棄它們。

提高增材制造可持續(xù)性的下一步是利用可持續(xù)設(shè)計(jì)工具。作者建議將可持續(xù)性功能納入現(xiàn)有的 DfAM工作流程。例如，可以將 LCA 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。   

3D打印的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?

作者還詳細(xì)闡述了如何利用增材制造技術(shù)使現(xiàn)有的設(shè)計(jì)實(shí)踐更加可持續(xù)。

他們主張，所有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都應(yīng)便于維修和保養(yǎng)。當(dāng)備件無法大批量生產(chǎn)并儲(chǔ)存多年時(shí)，增材制造技術(shù)可以按需生產(chǎn)替換零件。

還建議設(shè)計(jì)可升級(jí)性。制造商應(yīng)專注于更新現(xiàn)有產(chǎn)品，通過添加新特性和功能來滿足不斷變化的客戶需求。這將延長產(chǎn)品壽命并減少浪費(fèi)。然而，他們承認(rèn)，需要進(jìn)行更多探索以確保這種商業(yè)模式的盈利能力。

零件在其生命周期結(jié)束時(shí)的可重復(fù)使用性被視為另一個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素。這種方法旨在通過使零件易于拆卸和重新組裝成新產(chǎn)品來賦予它們第二次生命。作者認(rèn)為增材制造非常適合這種應(yīng)用，但強(qiáng)調(diào)需要新的指導(dǎo)方針、決策支持和智能系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

最后，他們指出，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮可回收性。這通常會(huì)導(dǎo)致降級(jí)回收，原材料會(huì)失去其原有的質(zhì)量。增材制造已用于加工包含不同數(shù)量回收成分的材料。然而，需要進(jìn)行更多研究來確定如何最好地處理回收原料，因?yàn)殡s質(zhì)通常會(huì)導(dǎo)致打印失敗。

可持續(xù)增材制造的未來

文章展望了未來增材制造的生命周期，其特點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、數(shù)字化驅(qū)動(dòng)、可持續(xù)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，報(bào)告指出，需要最大限度地提高 3D 打印機(jī)的利用率，這意味著全天候工作的 3D 打印機(jī)數(shù)量要少一些。這是因?yàn)橐恍?3D 打印機(jī)技術(shù)可以將每個(gè)部件的影響減少 10 倍甚至 100 倍。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)性優(yōu)勢的設(shè)計(jì)流程。   

研究人員最終認(rèn)為，只有主要利益相關(guān)者擁有相同的意圖和承諾以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，他們的可持續(xù)增材制造愿景才能夠?qū)崿F(xiàn)。  

雖然早期的言論可能將 3D 打印譽(yù)為一項(xiàng)綠色技術(shù)，但現(xiàn)在比以往任何時(shí)候都更重要的是批判性地評(píng)估其可持續(xù)性聲明并對(duì)其環(huán)境影響進(jìn)行平衡的評(píng)估。

Phil Reeves 博士在題為《Sustainability and 3D printing: Greenwash, Hogwash or a Justified Shift in Thinking?/可持續(xù)性與 3D 打印：綠色洗白、無稽之談還是合理的思維轉(zhuǎn)變？》的演講中強(qiáng)調(diào)了可持續(xù)性成為“潮流”的危險(xiǎn)。除了各種增材制造技術(shù)能耗的有用數(shù)據(jù)外，Reeves 的演講還提供了有關(guān)金屬增材制造粉末中碳排放或許更劇烈的見解。此前，咨詢公司 Roland Berger 發(fā)布了一份報(bào)告，專門處理類似問題，并警告不要相信那些關(guān)3D 打印可持續(xù)性膚淺或帶有誤導(dǎo)性的言論。

△金屬增材制造粉末中的碳排放統(tǒng)計(jì)。表格來自 Phil Reeves 博士。

然而，在許多情況下，增材制造的優(yōu)勢（至少在能源方面）源于最終組件的使用方式。增材制造航空組件的整個(gè)使用壽命的能源評(píng)估（即減輕重量可降低燃料消耗）通常會(huì)使排放量與傳統(tǒng)部件相比大幅減少。但對(duì)于其他行業(yè)使用的組件，情況可能并非如此。企業(yè)、行業(yè)組織AMGTA以及越來越多的學(xué)術(shù)研究人員現(xiàn)在進(jìn)行的生命周期評(píng)估中，可以找到為了解節(jié)約成本所做的工作。