3D打印能支撐碳中和戰(zhàn)略嗎？

來源：安世亞太

增材制造技術作為一種新興的制造技術，一經出現(xiàn)就在制造業(yè)引起了廣泛的關注，盡管它目前還存在著不盡如人意的地方，但是人們普遍認為這是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿�和想象力的技術，代表著數(shù)字化轉型的重要發(fā)展方向之一。安世亞太公司深耕增材制造產業(yè)化應用多年，深刻認同增材制造在未來數(shù)字化制造變革中的核心地位，基于多年的項目經驗和思考沉淀，推出了“增材思維 數(shù)智未來”系列文章。

本文是該系列文章的第二篇（第一篇：五個方面分析增材制造的數(shù)字化智造未來，挑戰(zhàn)與機遇并存http://93item.com/thread-151651-1-1.html）。

導 讀
碳中和是2021年最熱的關鍵詞之一。隨著國家戰(zhàn)略出臺，碳中和的關鍵技術路線圖也漸漸清晰，主流觀點有六大路線：源頭減量、能源替代、節(jié)能提效、能源回收利用、工藝改造和碳捕捉。增材制造一直被認為是制造業(yè)數(shù)字化轉型的關鍵技術，那么3D打印技術能否成為應對氣候變化、碳中和大戰(zhàn)略數(shù)字化轉型的關鍵支撐技術呢？

△圖表 1：AGC Glass Europe碳足跡評估概念圖

當下3D打印技術的碳足跡

現(xiàn)在的3D打印是低碳環(huán)保的技術么？答案恐怕是不確定的。

近期世界上一些研究機構基于公認比較科學的碳足跡計算方法：生命周期評估法（LCA法），考慮產品或服務在生命周期內所有輸入或輸出數(shù)據(jù)得出總的碳排放量來評估3D打印技術對工業(yè)產品的影響。

2020年，卡達爾基金會贊助了一項關于建筑混凝土3D打印應用對環(huán)境的影響的研究[1]，項目考慮了四種不同的施工情景：

• 傳統(tǒng)施工
• 鋼筋混凝土的3D打印施工
• 無鋼筋的混凝土3D打印施工
• 替代混凝土的混合物3D打印施工。
  

這研究的環(huán)境影響類別包括全球變暖潛能值（GWP）、酸化潛能值（AP）、富營養(yǎng)化潛能值（EP）、煙霧形成潛能值（SFP）和化石燃料耗損（FFD）。

△圖表 2：4種施工條件下建筑混凝土3D打印應用對環(huán)境的影響

研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的施工方法相比，3D打印混凝土的3種情景能夠在全球變暖潛能值（GWP）、酸化潛能值（AP）、富營養(yǎng)化潛能值（EP）、煙霧形成潛能值（SFP）和化石燃料耗損（FFD）方面顯著降低環(huán)境影響。第四種通過混料增強方式的混凝土3D打印的施工方式顯示出進一步降低環(huán)境影響的效果。這些發(fā)現(xiàn)為建筑業(yè)的未來制造方向提供了支持，建筑業(yè)下一步不僅要研究3D打印的基礎設施，還要探索新型的可打印材料，以維護建筑結構的完整性并減少對環(huán)境的負面影響。

2020年11月，荷蘭的TUDelft大學對比了常見的增材金屬，如鋁、不銹鋼和鈦合金傳統(tǒng)工藝和增材工藝，考慮到材料的冶煉，工藝能源、后處理、成型失敗導致的廢棄、打印過程的有害排放、增材金屬最終產品使用、打印產品的金屬材料的回收和再利用的各個方面，得出結論：增材制造直接成型中，每公斤鋁或不銹鋼材料的碳足跡可能比傳統(tǒng)工藝可能高10倍[2]。

不同行業(yè)的最終產品可能會有不同的結論，如航空航天應用鈦合金由于增材設計的減重效果明顯，可能會碳足跡減少。但是汽車應用來講，增材不一定有更好的碳足跡數(shù)據(jù)，主要的負面影響還是粉末材料生產過程產生的排放過高。研究最后也表明由于現(xiàn)在增材制造還沒有足夠的數(shù)據(jù)來建立可信的環(huán)境影響因子，需要有更全面和標準化的LCA計算方法，考慮增材產品全生命周期的各個環(huán)節(jié)，并且能夠關聯(lián)設計、材料、工藝參數(shù)、設備能源、完整生產技術、物流等各個環(huán)節(jié)。

△圖表 3：3種鈦合金零件影響碳排放值，1號打印零件最高（體現(xiàn)了無減重不增材的思想）

未來的3D打印技術與碳中和
前面的幾篇研究都基于當前3D打印的技術、碳排放狀態(tài)來映射對環(huán)境的影響，這樣的方法不具有動態(tài)時效性，筆者無法認同他們的結論合理。當我們以發(fā)展的眼光考慮整個產品生命周期時；原材料、制造、組裝、使用、維護和產品壽命結束、循環(huán)的完整過程——3D 打印在碳足跡方面比傳統(tǒng)制造有相當大的優(yōu)勢。

AMSE于2017年度增材大會上發(fā)布了一篇關于3D打印對環(huán)境的可持續(xù)影響的研究[3]。這項研究中突破性的引入了3d打印工藝可持續(xù)性評估和改進的要素最終回歸至CAD文件，再結合生命周期評估LCA方法完成關聯(lián)。研究的結論是：3D打印對環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有積極的作用，未來需要將3D打印材料制備生產環(huán)節(jié)、及打印成型過程細化，做出更合理的LCA基準數(shù)據(jù)；同時建議3D打印可持續(xù)評估建模需要考慮環(huán)境、經濟、社會等更多維度的效應，與生命周期成本模型LCC方法掛鉤；最后研究表明對3D打印工藝可持續(xù)發(fā)展影響最大的是環(huán)境友好型材料的開發(fā)，這才是突破性的因素。

△圖表 4：基于3d打印工藝的CAD-LCA關聯(lián)研究方法框架

2017另一篇TUDelft發(fā)表在ELSEVIER的研究[4]，以更高維度的模型，從下至上的建模方式來考慮2050年增材制造和全球能源需求的關聯(lián)。研究使用了演繹探索性情景（Shell殼牌2008首創(chuàng)的對未來能源技術的假設理論）建立了4個場景，考慮全球對增材技術的合作態(tài)度，屬于高度競爭（Scramble）還是高度合作（blueprint）。另外考慮了AM增材對整個社會活動周期滲透度的程度，分為低滲透（low AM impact=20%）和高滲透（high AM impact=80%）。研究針對航空業(yè)飛機產品的已有LCA數(shù)據(jù)分析，根據(jù)滲透程度不同，全球高競爭環(huán)境節(jié)能效果在5%-20%，全球合作環(huán)境節(jié)能效果可以提升到9%-25%。對建筑行業(yè)的計算結果類似，應用AM節(jié)能效果顯著，而且建筑行業(yè)的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在原材料的節(jié)約和建筑使用過程保溫層的節(jié)能。最終這項研究將這套模型推演到整個工業(yè)領域，研究的結論是AM可以降低現(xiàn)有能源消耗的5%-27%，全球高度合作（blueprint）情景下節(jié)能潛力更為明顯。

△圖表 5：基于演繹探索性情景研究方法框架的4個增材技術未來場景

當我們把技術從時間維度和應用廣度考慮進去時，增材制造是否低碳就不再是一個單純的技術問題，而是一個社會和政策問題了。

3D打印技術走向碳中和的關鍵要素
我們仍然試圖給這個技術、社會、經濟、政策交融的問題解耦，那么先從技術的維度來看3D打印應對碳中和核心要素是什么。

1) 材料
3D 打印可以減少碳足跡的一種關鍵方式是對每個零件、部件、產品所用的材料減少。3D打印對比傳統(tǒng)制造的切削銑刨磨環(huán)節(jié)大大減少，最終產品的材料使用率有巨大的提升。基于再設計理念，通過DfAM設計能夠減少零部件5-25%的材料使用也是一個行業(yè)共識。潛在耗能的另一種方法是取代傳統(tǒng)設計中由高耗能量材料制成的零件。例如，車輛或設備中不一定每個部件都需要金屬制成。在許多情況下，3D 打印的聚合物或復合材料部件也可以給予同樣的性能。從這個角度，減材設計和材料取代設計的關鍵都是正向設計，需要讓最適合的材料去制造最低碳的零部件。另外研發(fā)適合3D打印的環(huán)保材料也是這個環(huán)節(jié)中最重要的要素之一。

2) 制造
制造過程能源包含將原材料制成可用最終產品的所有環(huán)節(jié)，包括制造、組裝和包裝。PBF為工藝底層的3d打印工藝由于高功率激光和成型環(huán)境，是通常人們認為3D打印高耗能的原因。但是比如DLP打印工藝只需使用注塑工具 1% 的能量。另外3D打印只是制造眾多環(huán)節(jié)中的一個核心步驟，全制造過程的能耗分析，才能智能匹配某個產品最適合的3d打印工藝。以低碳為目標的智能產線規(guī)劃是這個環(huán)節(jié)的核心要素。

3) 運輸
現(xiàn)場和按需 3D 打印制造減少了整體能源浪費并減少了碳足跡。組裝、運輸、物流、維護、儲存的環(huán)境成本完全或幾乎被消除。3D 打印背后的支撐邏輯是以高效和有效的方式生產價格合理的產品，因此它們耐用、重量更輕（在運輸時尤其有利）并且?guī)缀鯙椴牧狭憷速M。重點是高質量、高效率和小批量制造。DfAM設計將通過幫助新產品的設計和早期生產階段消除庫存，實際產品減重后可以降低運輸成本并改善能源和資源的使用。

我們當前全球航運和物流基礎設施的碳足跡大概占到人類總活動的30%, 3D 打印支撐的分布式數(shù)字制造意味著更短的交貨時間以及更低的運輸能源。這個未來不是靠“每個家庭都有一臺打印機”來支撐的，而是一個能夠滿足區(qū)域需求的分散式增材制造節(jié)點網絡，智能生產與物流的協(xié)同規(guī)劃是這個環(huán)節(jié)的核心要素。

4) 使用
3D打印帶給產品的應該是外形、功能、性能和耐用性的提升，從使用壽命上將會帶來碳足跡的降低。正向設計，以最少的材料設計制造出最優(yōu)的產品是這個環(huán)節(jié)中最重要的因素。

5) 循環(huán)
如所有工業(yè)品循環(huán)再利用的瓶頸一樣，3D打印制品的核心問題在于許用的判斷、回收的方式合再利用的標準。

6) 社會及政策要素
現(xiàn)在3D打印產值只占工業(yè)總產值的0.1%以下，所以對于3D打印產品全生命周期的碳評估還沒有引起全世界政策上的廣泛關注，但是以發(fā)展的眼光看3d打印這項技術，從政策維度還是應該有以下支撐：

• 制定碳足跡相關的準則或標準，在3D打印制品要求節(jié)省原材料并且使用可回收的環(huán)保材料；
• 在AM最佳實踐基礎上，為使用階段的產品（包含房屋）制定能效標準；
• 在基于AM分布式制造理論下，制定產品運輸能源使用的標準；
• 開源的AM設計庫來支持并鼓勵作為備件產品的維修和再利用；
• 為工藝成型過程的碳足跡定基，為AM設備制定指導方針、最佳實踐合標準
  

結論與展望
增材制造是重新設計-制造萬物的通用技術，現(xiàn)存的每個產品，生活中的每個不起眼的小物件都值得用DfAM和碳中和的價值觀重構一遍。例如屋頂上安裝太陽能電池肯定會對家庭的碳足跡產生積極影響，但每天使用的耐用品制造方法的不那么明顯的變化可能會對碳足跡產生更大的影響。

例如汽車產業(yè)的碳中和方案，可以將汽車作為主體和汽車環(huán)境體兩部分考慮。汽車作為主體主要考慮材料制造、零件制造、整車制造、行駛過程、及回收再利用。從設計作為原點開始改變，以碳中和為目標的設計后整個供應鏈會隨之改變，在這點上3D打印和碳中和是相同的。此處設計指廣義的頂層設計而不是狹義的工程設計。例如在電動車的主體中可以通過區(qū)塊鏈等技術，將電動車的電池進行全生命周期的碳足跡排查及優(yōu)化設計方案，其中每個環(huán)節(jié)中增材制造都能起到減碳的關鍵作用。

△圖表 6: TCT雜志關于3d打印支撐的綠色制造概念

以汽車的大環(huán)境考慮碳中和目標，外部協(xié)同的對象主要是能源產業(yè)及交通產業(yè)，例如汽車主體倒逼能源行業(yè)減碳，那么現(xiàn)在最火熱的氫能源和電能都有3D打印關聯(lián)性發(fā)揮的空間。汽車主體驅動交通環(huán)境改變，那就涉及到未來汽車的形態(tài)這種底層熱點討論了，對智能交通的想象不應停留在二維的平面駕駛中，未來的交通為什么不能是三維空間起落式交通呢？在碳中和的大目標下，LCA和增材技術作為支撐，0排放的飛行汽車也是可以暢想和模式設計的！

△圖表 7: 來源Dave Brenner密歇根大學環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學院

安世亞太公司基于多年的項目經驗和思考沉淀，推出了“增材思維 數(shù)智未來”系列文章。本文是該系列文章的第二篇（第一篇：五個方面分析增材制造的數(shù)字化智造未來，挑戰(zhàn)與機遇并存http://93item.com/thread-151651-1-1.html），接下來還將陸續(xù)推出智能設計、成本控制、多源技術融合、新能源應用等方面的專欄文章，敬請期待。

文章參考資料：
1.Malek Mohammad 1,2, Eyad Masad and Sami G. Al-Ghamdi,「3D Concrete Printing Sustainability: A Comparative Life Cycle Assessment of Four Construction Method Scenarios」，Buildings 2020,10, 245
2.Jeremy Faludi, Ph.D. and Corrie Van Sice, 「State of Knowledge on the Environmental Impacts of Metal Additive Manufacturing」，TUDelft&AMGTA
3.Zhichao Liu，「SUSTAINABILITY OF 3D PRINTING: A CRITICAL REVIEW AND RECOMMENDATIONS」，MSEC2016-8618
4.Leendert A. Verhoef，「The effect of additive manufacturing on global energy demand: An assessment using a bottom-up approach」，Energy Policy 112 (2018) 349-360

—作者—
壽曉星，法國化工過程碩士學位，安世亞太DfAM賦能業(yè)務部負責人。擁有10余年石油化工、核、機械行業(yè)工程咨詢經歷。擁有荷蘭海洋工程公司INTECSEA、英國咨詢公司KBC Advanced technology工作經歷。