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(xiàn)”,，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(lái)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(lái)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(chē)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(chē)零部件,。此外，MolyWorks 子公司Continuum等公司正在開(kāi)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(xiàn),，并按需制造以避免生產(chǎn)過(guò)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(guò) 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(fǎng)問(wèn)性：增材制造通過(guò)讓小型企業(yè)和個(gè)人創(chuàng)新者可以使用它來(lái)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(guò)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(wèn)題,。開(kāi)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(méi)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(kāi)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(kāi)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(zhuān)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(guò)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(lái)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(yíng)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(guó)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(yíng)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(gòu),、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(lèi)別,。

●工具：SimaPro 和 OpenLCA 等軟件提供了專(zhuān)門(mén)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(kù)可以提高可靠性。


△來(lái)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(guò)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(chē)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(lái)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(guò)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(zhuān)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(guò)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(yíng)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(chē)制造行業(yè)案例研究”(2022) 的研究。討論了SVSM在卡車(chē)制造行業(yè)的應(yīng)用,。該研究利用模擬價(jià)值流圖來(lái)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(zhuān)業(yè)知識(shí),，因此與可持續(xù)發(fā)展專(zhuān)業(yè)人士的合作可以增強(qiáng)這一過(guò)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(guò)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(kāi)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(shù)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(lái)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(guò)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(kāi)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(guān)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(lái)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(mǎn)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(yíng)利組織,，致力于促進(jìn)增材制造的環(huán)境效益并通過(guò)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(guò)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,。