沿著碳足跡量化分析3D打印-增材制造的可持續性
比爾蓋茨在《氣候經濟與人類未來》一書中談到“零碳”產業是一個巨大的經濟機遇，那些能在這一領域有所突破的國家將是未來十幾年引領全球經濟的國家。面對人類活動對氣候變化的影響，人類需要新的技術、新的公司和新的產品來降低綠色溢價。而針對量化鑄造、銑削、PBF基于粉末床的增材制造、BJT粘結劑噴射金屬3D打印等制造技術對二氧化碳排放以及對環境的影響，AMPower近日推出了一個可在線使用的計算器來進行精細化的計算，以幫助業界實現其碳排放目標。
3D打印的產品生命周期效益
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不損害后代利益的當代發展
增材制造何時比傳統制造更具可持續性？低碳足跡的重要影響因素是什么？用戶如何利用增材制造來實現他們的碳目標？
在過去的5年里，不斷上升的大氣二氧化碳水平和由此產生的天氣現象最終改變了人們、政治界和工業界對化石燃料排放的總體看法，大多數力量都傾向于致力減少碳排放，尋求一種更可持續的制造與生活方式。
根據聯合國，可持續發展是在不損害后代滿足自身需求的能力情況下滿足當代人的需求。
在這種追求下，3D打印-增材制造已被推廣為一種生產技術，以減少排放，從而減少零件生產和完整產品聲明周期的碳足跡。根據3D科學谷《促進循環經濟，ACAM亞琛增材制造中心從三個角度看3D打印如何賦能工業生產實現可持續發展》一文，ACAM亞琛增材制造中心亦指出3D打印-增材制造技術為可重復使用、有效利用資源、按需生產和增加材料價值提供了巨大的機會。
根據AMPower，以鈦合金的加工做研究對象，與銑削相比，PBF基于粉末床的增材制造技術可以顯著減少碳足跡，由于能夠優化零件的設計，節約材料，因此補償了零件制造過程中的更高的能量消耗。鋁合金和不銹鋼的3D打印方面，可以看到高生產率的粘結劑噴射BJT金屬3D打印技術具有令人驚訝的前景，從3D打印機和燒結爐的整個工藝鏈中實現材料和能源的高利用率，可以降低未來的碳足跡。
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完整的可循環發展貢獻
根據AMPower，3D打印在整個產品的制造與使用生命周期內發揮著積極的可持續發展影響。這其中包括：
對材料的需求：增材制造技術的近凈成形特點使得對原材料需求減少，考慮到例如銑削等傳統加工過程中，對大量的冷卻液這些石化資源的消耗以及產生的大量的金屬碎片，增材制造的可持續特征十分明顯。
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本地化制造的碳足跡影響：考慮到物流是二氧化碳排放的另一個主要驅動因素，3D打印帶來的離散化本地化制造特征極大的減少了對倉儲和物流的需求，從而有助于實現更可持續的發展。
對零件制造路線的影響：就產品的制造本身來說，3D打印可以實現更高的設計自由度，例如將原來需要幾十個零件組裝在一起的零件通過一體化的方式一次性制造出來，這大量壓縮了制造環節，減少了運輸、檢測、組裝工作，通常除了減輕重量外，還可以減少更廣義范圍內的二氧化碳排放量。
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按需制造：目前在全球范圍內出現了諸多個按需制造平臺，人類交易的產品不是以實物為直接的交易對象，而是以三維設計圖為基礎的按需制造方式。這減少了制造過多的帶來浪費的產品，使得制造的數量與需求之間獲得更匹配的平衡，減少浪費是3D打印對減少碳排放帶來的一個額外的貢獻。
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提高產品效率：3D打印-增材制造獨有的重量和性能優化設計可以提高當前渦輪機、液壓系統、熱交換器等系統的運行效率，從而在產品的整個使用生命周期內顯著節約能源，減少二氧化碳排放。
這些節約效果可能比實際生產排放量大很多倍，這是3D打印改變世界的“四兩撥千金”的妙處所在。
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材料回收：當前的增材制造環節中，材料的可回收是另外一個典型特點。想象一下不久的未來，如果你穿舊了一雙阿迪達斯的運動鞋，通過將這雙舊鞋的材料回收就可以制造出一雙新的一樣的運動鞋，這樣的世界是多么的美好。抑或是3D打印的無充氣輪胎，在滿足了若干年的行駛里程后，只需將其材料回收，又可以成就出全新的無充氣輪胎，重新形式在路上，這對人類的遠足之旅帶來怎樣的價值？
量化能源消耗
當然僅僅是從3D打印的特點方面來分析其可持續發展的潛力是不夠的，還需要通過量化的方式來進一步掌握究竟這種技術在每一個不同的應用場景下，對可持續發展帶來的量化貢獻。在這方面，AMPower開發的在線計算器(www.ampower.edu/tools)從材料生產到加工操作的完整過程來計算能源消耗。
不過值得注意的是，今天的價值鏈分布在全球范圍，大體上說原材料在中國、俄羅斯和非洲等地區開采。今天，中國已經成為幾乎所有合金的主要原材料生產國。然而，落實在零件的生產過程中，中國的能源消耗也比歐盟要高出很多，這與電力這種能源的獲取方式息息相關。
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當然正如AMPower指出的在某些應用場景下，傳統制造與3D打印的碳排放量相當。總體來說大多數情況下，3D打印在節能減排方面具備天然的優勢，所以需要一個關于增材制造對環境和能源的可持續性貢獻的量化計算器來指導對這一技術的運用。
當然，不可忽視的是當前3D打印在實現循環經濟方面還存在著一些挑戰和制約因素。在這方面，ACAM亞琛增材制造中心指出這些因素包括：
- 化學材料的回收需要很豐富的經驗和投資。
- 材料回收系統企業的成長還需要時間成長。
- 增材制造技術本身還需要在生產效率和質量一致性方面的進一步發展。
- 那些高溫環境下實現加工的3D打印過程本身是高能耗的。
此外，AM增材制造工藝是一種節水工藝，可以支持開發無障礙水凈化系統。考慮到在歐洲，當前23%的水資源消耗來自于工業生產，包括冷卻用，制造用，清潔用等等。
(責任編輯：admin)
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