3D打印能支撑碳中和战略吗？

时间：2022-02-18 11:39 来源：安世亚太作者：admin 阅读：次

增材制造技术作为一种新兴的制造技术，一经出现就在制造业引起了广泛的关注，尽管它目前还存在着不尽如人意的地方，但是人们普遍认为这是一种具有巨大发展潜力和想象力的技术，代表着数字化转型的重要发展方向之一。安世亚太公司深耕增材制造产业化应用多年，深刻认同增材制造在未来数字化制造变革中的核心地位，基于多年的项目经验和思考沉淀，推出了“增材思维数智未来”系列文章。

导读
碳中和是2021年最热的关键词之一。随着国家战略出台，碳中和的关键技术路线图也渐渐清晰，主流观点有六大路线：源头减量、能源替代、节能提效、能源回收利用、工艺改造和碳捕捉。增材制造一直被认为是制造业数字化转型的关键技术，那么3D打印技术能否成为应对气候变化、碳中和大战略数字化转型的关键支撑技术呢？

△图表 1：AGC Glass Europe碳足迹评估概念图

当下3D打印技术的碳足迹

现在的3D打印是低碳环保的技术么？答案恐怕是不确定的。

近期世界上一些研究机构基于公认比较科学的碳足迹计算方法：生命周期评估法（LCA法），考虑产品或服务在生命周期内所有输入或输出数据得出总的碳排放量来评估3D打印技术对工业产品的影响。

2020年，卡达尔基金会赞助了一项关于建筑混凝土3D打印应用对环境的影响的研究[1]，项目考虑了四种不同的施工情景：

传统施工
钢筋混凝土的3D打印施工
无钢筋的混凝土3D打印施工
替代混凝土的混合物3D打印施工。

这研究的环境影响类别包括全球变暖潜能值（GWP）、酸化潜能值（AP）、富营养化潜能值（EP）、烟雾形成潜能值（SFP）和化石燃料耗损（FFD）。

△图表 2：4种施工条件下建筑混凝土3D打印应用对环境的影响

研究发现，与传统的施工方法相比，3D打印混凝土的3种情景能够在全球变暖潜能值（GWP）、酸化潜能值（AP）、富营养化潜能值（EP）、烟雾形成潜能值（SFP）和化石燃料耗损（FFD）方面显著降低环境影响。第四种通过混料增强方式的混凝土3D打印的施工方式显示出进一步降低环境影响的效果。这些发现为建筑业的未来制造方向提供了支持，建筑业下一步不仅要研究3D打印的基础设施，还要探索新型的可打印材料，以维护建筑结构的完整性并减少对环境的负面影响。

2020年11月，荷兰的TUDelft大学对比了常见的增材金属，如铝、不锈钢和钛合金传统工艺和增材工艺，考虑到材料的冶炼，工艺能源、后处理、成型失败导致的废弃、打印过程的有害排放、增材金属最终产品使用、打印产品的金属材料的回收和再利用的各个方面，得出结论：增材制造直接成型中，每公斤铝或不锈钢材料的碳足迹可能比传统工艺可能高10倍[2]。

不同行业的最终产品可能会有不同的结论，如航空航天应用钛合金由于增材设计的减重效果明显，可能会碳足迹减少。但是汽车应用来讲，增材不一定有更好的碳足迹数据，主要的负面影响还是粉末材料生产过程产生的排放过高。研究最后也表明由于现在增材制造还没有足够的数据来建立可信的环境影响因子，需要有更全面和标准化的LCA计算方法，考虑增材产品全生命周期的各个环节，并且能够关联设计、材料、工艺参数、设备能源、完整生产技术、物流等各个环节。

△图表 3：3种钛合金零件影响碳排放值，1号打印零件最高（体现了无减重不增材的思想）

未来的3D打印技术与碳中和
前面的几篇研究都基于当前3D打印的技术、碳排放状态来映射对环境的影响，这样的方法不具有动态时效性，笔者无法认同他们的结论合理。当我们以发展的眼光考虑整个产品生命周期时；原材料、制造、组装、使用、维护和产品寿命结束、循环的完整过程——3D 打印在碳足迹方面比传统制造有相当大的优势。

AMSE于2017年度增材大会上发布了一篇关于3D打印对环境的可持续影响的研究[3]。这项研究中突破性的引入了3d打印工艺可持续性评估和改进的要素最终回归至CAD文件，再结合生命周期评估LCA方法完成关联。研究的结论是：3D打印对环境的可持续发展有积极的作用，未来需要将3D打印材料制备生产环节、及打印成型过程细化，做出更合理的LCA基准数据；同时建议3D打印可持续评估建模需要考虑环境、经济、社会等更多维度的效应，与生命周期成本模型LCC方法挂钩；最后研究表明对3D打印工艺可持续发展影响最大的是环境友好型材料的开发，这才是突破性的因素。

△图表 4：基于3d打印工艺的CAD-LCA关联研究方法框架

(责任编辑：admin)

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