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,。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，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)這一目標需要新的指導方針,、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，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。  

研究人員最終認為,，只有當主要利益相關(guān)者在實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標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。