增材制造領域的可持續(xù)性：機遇、挑戰(zhàn)與評估工具

導讀：增材制造 (AM) 徹底改變了生產制造的格局，實現了前所未有的定制和復雜設計水平。然而，隨著增材制造的興起，對增材制造可持續(xù)發(fā)展的關注變得至關重要。增材制造在可持續(xù)發(fā)展中的機遇是什么？面臨的挑戰(zhàn)又是什么？南極熊將在下文對3D打印的可持續(xù)性進行全面探索，探討機遇、挑戰(zhàn)以及用于評估行業(yè)內可持續(xù)性的潛在工具。



一、增材制造在可持續(xù)發(fā)展中的機遇
AM擅長促進可持續(xù)發(fā)展的“三重底線”，其中包括環(huán)境、社會和經濟因素，本文將深入研究如何利用增材制造來優(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)勢之一是能夠最大限度地減少材料浪費。與傳統(tǒng)制造方法不同，增材制造僅使用必要數量的材料逐層構建物體。這種材料放置的精確性不僅減少了浪費，還有助于節(jié)省成本。寶馬等公司已采用增材制造技術來生產輕量化部件，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。該技術能夠用更少的材料生產復雜的幾何形狀，有助于節(jié)省能源。在汽車和航空航天行業(yè)，能源效率是創(chuàng)新的關鍵驅動力，增材制造能夠生產高度復雜的零件，從而提高整體能源性能。GE航空集團的LEAP發(fā)動機采用增材制造技術生產，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)新可以促進循環(huán)經濟。材料的重復利用是使增材制造成為更可持續(xù)實踐的一個組成部分?；萜?3D 打印材料回收計劃等創(chuàng)新促進了循環(huán)經濟，鼓勵聚合物材料的回收。福特與惠普合作，將 3D 打印廢物回收制成汽車零部件。此外，MolyWorks 子公司Continuum等公司正在開拓新的回收技術，將廢金屬轉化為 3D 打印原料，進一步增強增材制造工藝的可持續(xù)性。


△海洋級不銹鋼合金

2.經濟可持續(xù)性

●成本效率：增材制造提供了具有成本效益的生產機會，特別是對于小批量或定制產品。這包括降低模具成本、降低勞動力成本以及具有本地制造的潛力。

●供應鏈管理：增材制造有潛力改變傳統(tǒng)供應鏈，提供按需生產和本地化制造。這可以降低運輸成本并減少總體碳足跡。EOS與戴姆勒 EvoBus等公司合作，建立數字化和可持續(xù)的備件管理，分散制造以消除長運輸路線，并按需制造以避免生產過剩。

●創(chuàng)新和市場增長：投資增材制造技術可促進各個行業(yè)的創(chuàng)新和增長，進一步增強經濟可持續(xù)性。


△通過 OMNIplus 生產的梅賽德斯奔馳巴士的 3D 打印備件。

3.社會可持續(xù)發(fā)展

●可訪問性：增材制造通過讓小型企業(yè)和個人創(chuàng)新者可以使用它來實現制造的民主化。這支持當地發(fā)展并鼓勵創(chuàng)業(yè)。

●教育和勞動力發(fā)展：增材制造的發(fā)展需要熟練的勞動力。增材制造技術的教育和培訓可以創(chuàng)造就業(yè)機會并支持社會可持續(xù)發(fā)展。Stratasys致力于確保包容且公平的優(yōu)質教育和學習機會。通過提供“邊做邊學”的機會并利用技術增強學生能力，Stratasys 為增材制造領域的社會可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻。

●道德和監(jiān)管：確保增材制造中負責任和道德的實踐，包括知識產權、勞動條件和安全，對于實現社會可持續(xù)發(fā)展至關重要。

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，但要成為真正的可持續(xù)制造技術也面臨著一些挑戰(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。這對循環(huán)經濟原則造成了障礙，并可能導致廢物管理問題。開發(fā)更容易回收或生物降解的新材料，或尋找現有材料的替代用途，可能會緩解這些挑戰(zhàn)。

●能源強度：某些增材制造工藝的能源強度可能比傳統(tǒng)制造方法高出 50-100%。這可能會導致更高的碳足跡，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)展目標保持一致的關鍵策略。

●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)可能非常復雜且成本高昂。不同的、有時甚至是相互沖突的要求可能會造成混亂并阻礙創(chuàng)新。協(xié)調法規(guī)、提供明確的指導以及促進政府、行業(yè)和學術界之間的合作可能會緩解這些挑戰(zhàn)。ASTM在法規(guī)遵從性方面的工作重點是 3D 打印產品的標準化、鑒定和認證。

●缺乏標準化工具：如果沒有既定的指導方針，定制增材制造可持續(xù)性衡量工具可能會很困難。缺乏標準化方法和工具可能會導致測量和評估不一致。標準化工具、指南和最佳實踐的協(xié)作開發(fā)可以提高整個行業(yè)的一致性和可比性。AMPOWER可持續(xù)性計算器就是這樣一種工具，它被開發(fā)用于計算增材制造中各種合金和技術組合的能源消耗和二氧化碳排放量，為可持續(xù)性測量提供標準化方法。

●技術可及性：盡管增材制造提供了本地化制造機會，但所需的初始投資和專業(yè)知識可能成為中小企業(yè) (SME) 的障礙。讓教育、培訓和融資變得更容易獲得可以支持更廣泛地采用增材制造，促進創(chuàng)新和經濟可持續(xù)性。

通過認識并應對這些挑戰(zhàn)，該行業(yè)可以在 3D 打印領域邁向更負責任、更可持續(xù)的實踐。所有利益相關者的共同努力對于實現增材制造更加可持續(xù)的未來至關重要。


三、評估3D打印的可持續(xù)性

推動增材制造的可持續(xù)發(fā)展需要精確的測量工具，原因如下：

●整體評估：這些工具提供對環(huán)境、經濟和社會影響的全面審視。

●迭代細化：支持持續(xù)的可持續(xù)性改進、設定基準和指導策略。

●數據驅動的決策：從材料到運營的明智選擇源于準確的指標。

●監(jiān)管協(xié)調：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者溝通。

●提高聲譽：透明的承諾可以增強信任并使公司在市場上處于有利地位。

●全球目標協(xié)同作用：工具將增材制造實踐與更大的框架（例如聯合國可持續(xù)發(fā)展目標）保持一致。

●創(chuàng)新催化劑：推動新材料/新工藝的探索，提供競爭優(yōu)勢。

●可持續(xù)性測量工具不僅是運營必需品，也是應對挑戰(zhàn)和釋放各種機遇的戰(zhàn)略必需品。這些工具指導組織利用增材制造做出明智的決策、促進創(chuàng)新、確保合規(guī)性、建立信任并為更廣泛的社會目標做出貢獻。

1.生命周期評估（LCA）
LCA 用于分析產品整個生命周期對環(huán)境的影響，包括材料采購、制造、使用和報廢處置。

●方法：涉及能源和材料投入、排放、廢物產生等數據收集。然后，將數據映射到氣候變化、臭氧消耗和水消耗等環(huán)境影響類別。

●工具：SimaPro 和 OpenLCA 等軟件提供了專門的增材制造模塊，可以對特定流程進行詳細分析。

●示例：與 YOU MAWO 和 Fraunhofer EMI 進行的生命周期分析 (LCA) 研究發(fā)現，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%，產生的浪費減少了 80%。

●挑戰(zhàn)與解決方案：確保準確的數據收集可能具有挑戰(zhàn)性，因此標準化方法和利用行業(yè)特定數據庫可以提高可靠性。


△來源： “Comparative LCA of a Low-Pressure Turbine (LPT) Bracket by Two Manufacturing Methods”, by AMGTA

2. 物料流分析（MFA）
MFA 通過增材制造流程定量跟蹤材料，以確定效率低下和浪費的區(qū)域。

●方法：它涉及跟蹤特定材料在生產各個階段的流動，識別損失和低效率，并結合上下游進行分析以提出改進建議。

●工具：像 STAN 這樣的軟件提供了針對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卡鉗的設計和分析”(2023) 的研究中，Gautam Kulkarni 討論了學生方程式賽車前制動卡鉗原型的設計和評估。該研究可能利用材料流分析來了解材料流以及使用增材制造制造制動卡鉗所涉及的制造過程。

●挑戰(zhàn)與解決方案：平衡細節(jié)與可行性至關重要，因此專注于關鍵材料或階段的模塊化方法可以簡化流程。

3. 可持續(xù)價值流圖（SVSM）

SVSM 是一種可視化工具，可繪制整個制造過程中的材料和信息流，突出顯示可持續(xù)性指標。

●方法：傳統(tǒng)的價值流圖擴展到包括環(huán)境和社會指標，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和培訓可以幫助將 SVSM 納入增材制造運營中。

●示例： Fikile Poswa 等人的一項題為“使用模擬價值流圖提高生產力：卡車制造行業(yè)案例研究”(2022) 的研究。討論了SVSM在卡車制造行業(yè)的應用。該研究利用模擬價值流圖來識別關鍵工作站中的非增值時間，并提出消除這些時間的解決方案，從而使生產力提高了 4%。這項研究展示了 SVSM 在制造環(huán)境中的實際應用，以提高生產力和效率。

●挑戰(zhàn)與解決方案：整合可持續(xù)發(fā)展指標需要專業(yè)知識，因此與可持續(xù)發(fā)展專業(yè)人士的合作可以增強這一過程。

4. 生態(tài)效率指標
這些指標提供了所產生的經濟價值與環(huán)境影響的比率，提供了可持續(xù)性的簡明衡量標準。

●方法：通過量化經濟績效和環(huán)境影響，這些指標可以對增材制造的可持續(xù)性進行平衡評估。

●工具：WBCSD 等組織的指南提供了特定于行業(yè)的應用程序。

●示例： N. Vidakis 等人開展的題為“MEX 和 VPP 增材制造中的生物炭填料：聚乳酸和標準級樹脂基質的表征和增強效果”(2023) 的研究。研究了使用環(huán)保生物炭作為增材制造增強材料的效率。該研究可能利用生態(tài)效率指標來評估在增材制造工藝中使用生物炭的環(huán)境和經濟方面。

●挑戰(zhàn)與解決方案：選擇適當的指標需要與更廣泛的可持續(xù)發(fā)展目標保持一致，因此與利益相關者的一致溝通可以指導整個過程。

5. 社會生命周期評估（SLCA）

除了環(huán)境考慮之外，SLCA 還分析產品生命周期的社會影響。

●方法：它評估勞工權利、社區(qū)參與和社會發(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）中實施 SLCA 的框架。

●示例：H. Jayawardane 等人開展的一項題為“再生塑料增材制造：‘技術生態(tài)效率’評估”(2023) 的研究。探討了 3D 打印和回收原料的社會影響。該研究利用 SLCA 評估在增材制造中使用回收 PLA 的社會影響。

●挑戰(zhàn)與解決方案：社會指標可能是主觀的，因此應用既定框架并與利益相關者互動可以確保相關性和準確性。

6. AM Power 的可持續(xù)發(fā)展測量工具

考慮到完整的工藝鏈，可以計算增材制造中各種合金和技術組合的能源消耗和二氧化碳排放量。

●方法：采用詳細的工藝模型，考慮所有工藝步驟和材料回收，計算能源消耗并將其轉換為二氧化碳排放量。

●工具：AMPOWER 可持續(xù)發(fā)展計算器

●挑戰(zhàn)與解決方案：需要考慮各種因素的定制方法。


△來源：AMPOWER

結論
增材制造站在技術創(chuàng)新的前沿，為定制、效率和可持續(xù)性提供了大量的機會。盡管實現完全可持續(xù)增材制造的道路充滿挑戰(zhàn)，但行業(yè)領導者、政府、研究人員和創(chuàng)新者正共同努力。增材制造全球貿易協(xié)會 ( AMGTA )，是一個非營利組織，致力于促進增材制造的環(huán)境效益并通過研究促進可持續(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。通過認識和應對挑戰(zhàn)、擁抱機遇并利用全面的評估工具，增材制造領域可以在可持續(xù)發(fā)展領域有新的突破。