沿着碳足迹量化分析3D打印-增材制造的可持续性

时间：2022-10-23 11:36 来源：3D科学谷作者：admin 阅读：次

比尔盖茨在《气候经济与人类未来》一书中谈到“零碳”产业是一个巨大的经济机遇，那些能在这一领域有所突破的国家将是未来十几年引领全球经济的国家。面对人类活动对气候变化的影响，人类需要新的技术、新的公司和新的产品来降低绿色溢价。而针对量化铸造、铣削、PBF基于粉末床的增材制造、BJT粘结剂喷射金属3D打印等制造技术对二氧化碳排放以及对环境的影响，AMPower近日推出了一个可在线使用的计算器来进行精细化的计算，以帮助业界实现其碳排放目标。

3D打印的产品生命周期效益
© 3D科学谷白皮书

不损害后代利益的当代发展

增材制造何时比传统制造更具可持续性？低碳足迹的重要影响因素是什么？用户如何利用增材制造来实现他们的碳目标？

在过去的5年里，不断上升的大气二氧化碳水平和由此产生的天气现象最终改变了人们、政治界和工业界对化石燃料排放的总体看法，大多数力量都倾向于致力减少碳排放，寻求一种更可持续的制造与生活方式。

根据联合国，可持续发展是在不损害后代满足自身需求的能力情况下满足当代人的需求。

在这种追求下，3D打印-增材制造已被推广为一种生产技术，以减少排放，从而减少零件生产和完整产品声明周期的碳足迹。根据3D科学谷《促进循环经济，ACAM亚琛增材制造中心从三个角度看3D打印如何赋能工业生产实现可持续发展》一文，ACAM亚琛增材制造中心亦指出3D打印-增材制造技术为可重复使用、有效利用资源、按需生产和增加材料价值提供了巨大的机会。

根据AMPower，以钛合金的加工做研究对象，与铣削相比，PBF基于粉末床的增材制造技术可以显著减少碳足迹，由于能够优化零件的设计，节约材料，因此补偿了零件制造过程中的更高的能量消耗。铝合金和不锈钢的3D打印方面，可以看到高生产率的粘结剂喷射BJT金属3D打印技术具有令人惊讶的前景，从3D打印机和烧结炉的整个工艺链中实现材料和能源的高利用率，可以降低未来的碳足迹。

完整的可循环发展贡献

根据AMPower，3D打印在整个产品的制造与使用生命周期内发挥着积极的可持续发展影响。这其中包括：

对材料的需求：增材制造技术的近净成形特点使得对原材料需求减少，考虑到例如铣削等传统加工过程中，对大量的冷却液这些石化资源的消耗以及产生的大量的金属碎片，增材制造的可持续特征十分明显。

本地化制造的碳足迹影响：考虑到物流是二氧化碳排放的另一个主要驱动因素，3D打印带来的离散化本地化制造特征极大的减少了对仓储和物流的需求，从而有助于实现更可持续的发展。

对零件制造路线的影响：就产品的制造本身来说，3D打印可以实现更高的设计自由度，例如将原来需要几十个零件组装在一起的零件通过一体化的方式一次性制造出来，这大量压缩了制造环节，减少了运输、检测、组装工作，通常除了减轻重量外，还可以减少更广义范围内的二氧化碳排放量。

按需制造：目前在全球范围内出现了诸多个按需制造平台，人类交易的产品不是以实物为直接的交易对象，而是以三维设计图为基础的按需制造方式。这减少了制造过多的带来浪费的产品，使得制造的数量与需求之间获得更匹配的平衡，减少浪费是3D打印对减少碳排放带来的一个额外的贡献。

提高产品效率：3D打印-增材制造独有的重量和性能优化设计可以提高当前涡轮机、液压系统、热交换器等系统的运行效率，从而在产品的整个使用生命周期内显著节约能源，减少二氧化碳排放。

这些节约效果可能比实际生产排放量大很多倍，这是3D打印改变世界的“四两拨千金”的妙处所在。

材料回收：当前的增材制造环节中，材料的可回收是另外一个典型特点。想象一下不久的未来，如果你穿旧了一双阿迪达斯的运动鞋，通过将这双旧鞋的材料回收就可以制造出一双新的一样的运动鞋，这样的世界是多么的美好。抑或是3D打印的无充气轮胎，在满足了若干年的行驶里程后，只需将其材料回收，又可以成就出全新的无充气轮胎，重新形式在路上，这对人类的远足之旅带来怎样的价值？

量化能源消耗

当然仅仅是从3D打印的特点方面来分析其可持续发展的潜力是不够的，还需要通过量化的方式来进一步掌握究竟这种技术在每一个不同的应用场景下，对可持续发展带来的量化贡献。在这方面，AMPower开发的在线计算器(www.ampower.edu/tools)从材料生产到加工操作的完整过程来计算能源消耗。

不过值得注意的是，今天的价值链分布在全球范围，大体上说原材料在中国、俄罗斯和非洲等地区开采。今天，中国已经成为几乎所有合金的主要原材料生产国。然而，落实在零件的生产过程中，中国的能源消耗也比欧盟要高出很多，这与电力这种能源的获取方式息息相关。

当然正如AMPower指出的在某些应用场景下，传统制造与3D打印的碳排放量相当。总体来说大多数情况下，3D打印在节能减排方面具备天然的优势，所以需要一个关于增材制造对环境和能源的可持续性贡献的量化计算器来指导对这一技术的运用。

当然，不可忽视的是当前3D打印在实现循环经济方面还存在着一些挑战和制约因素。在这方面，ACAM亚琛增材制造中心指出这些因素包括：

- 化学材料的回收需要很丰富的经验和投资。

- 材料回收系统企业的成长还需要时间成长。

- 增材制造技术本身还需要在生产效率和质量一致性方面的进一步发展。

- 那些高温环境下实现加工的3D打印过程本身是高能耗的。

此外，AM增材制造工艺是一种节水工艺，可以支持开发无障碍水净化系统。考虑到在欧洲，当前23%的水资源消耗来自于工业生产，包括冷却用，制造用，清洁用等等。

(责任编辑：admin)

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