更绿色环保的制造

能否实现更绿色环保的制造取决于能否全面开发3D打印独有的制造能力。3D打印技术具有如下取代大规模生产制造的潜力：首先，3D打印机制造出的产品外形能够根据应用或环境进行优化；其次，对堆满货物的仓库进行维护会加重环境负担，相比之下，储存随时可以打印的设计图纸或者数字化的产品清单更经济环保；再次，总有一天，分布式的3D打印制造可以使各公司就近进行本地生产；最后，3D打印技术还可以进一步开发其潜力，使用可回收利用的或环保的打印材料进行生产。

低碳制造：3D打印能做到

低碳曾经意味着仅限于面包、意大利面和土豆的饮食。在制造业里，低碳意味着“低碳排放”，一种更有效节能的设计生产方法。对于在诺丁汉大学（之前在拉夫堡大学）的研究人员来说，低碳制造意味着降低整个产品生命周期内的碳足迹，包括从产品设计到产品生产、部件组装、运输分配以及最终的报废处理。

“现在的产品从设计制造到最终分销给消费者，各个环节通常都很浪费。”诺丁汉大学教授理查德·黑格解释道，“这主要是由于传统制造过程限制了我们目前的设计、制造和供应链。”理查德和几位同事对3D打印和传统制造所留下的碳足迹进行了深入的对比研究，他们将研究成果称为“阿特金斯可行性研究”（向著名的阿特金斯低碳水化合物饮食法致敬）。

阿特金斯可行性研究的目的在于评估3D打印机能否减少制造业的碳足迹。研究人员测量了制造过程的每个方面对环境的影响：能源消耗，制造过程产生的废料，运输网络。为了完成整体性评估，研究人员进行了计算，试图得知优越的设计和优化的产品外形（仅指3D打印生产的优势）能否在接下来的整个产品生命周期里给环境带来益处。例如，优化的3D打印产品能否在重量上更轻便、在性能上更优越、在耐久性上更出色。

结果很复杂，总体而言，与传统的制造机器相比，在制造相同重量的零部件过程中，使用聚合物材料的3D打印机的耗电量至少是传统制造机器耗电量的10倍。工业规模3D打印机使用激光器（或者高温）凝固粉状聚合物，与注塑机的注压成型过程相比，多产生约65%的废弃塑料材料。研究人员分析的一些3D打印机需要使用热固性聚合物，这种材料不能回收，因为如果加热就会改变它的材料属性。这些结果表明，尽管3D打印过程精度很高，但不是所有的3D打印制造过程都是无废料可循环的。

研究人员发现，打印有很多较大空隙的塑料产品的制作过程特别浪费。中空的物体需要更多的支撑材料，这些材料会产生额外的废弃塑料粉末。尽管一些多余的支撑材料可以回收，但是研究人员发现，平均只有40%的多余原塑料粉末在接下来的打印过程中可以回收利用，而其余60%则通常被倒入垃圾处理站了。好消息是水溶性的支撑材料利用率越来越高。

研究人员发现，与注塑机的冷却过程相比，打印塑料对环境确实有一些好处。由于打印塑料的生产过程缓慢，大部分3D打印的部件制作出来后都不是特别热。而在注塑过程中，当塑料球被用力挤压进模具里时，它们就变得非常热，这时就需要冷却剂。通常来说，工厂需要使用一种叫作“脱模剂”的有毒化学物质将塑料从注塑模具中弄出来。

对比3D打印塑料，3D打印金属相对传统的金属制造技术具有更多的优点。研究人员发现，几乎所有3D打印剩下的金属粉末都能回收利用。相比之下，传统的金属制造过程（研磨、机械加工或铸型）更浪费，在使用某些金属制造方法时，废弃副产品中竟剩下90%的原材料。例如，制造一个1千克的飞机零件就需要消耗多达15千克的金属原材料。

由于阿特金斯可行性研究的目的在于研究整个产品生命周期过程中产生的碳足迹，研究人员对3D打印在全球供应链中对下游的影响进行了分析。如果公司使用适合3D打印的制造模式，如数字化库存、当地即时生产以及分散式的制造模式，那么生产制造的过程就可能实现绿色环保。阿特金斯可行性研究的结论就是，应用阿特金斯制造方法生产适合的零件和组件，特别是体积小但价值高的零部件，可以有效地降低库存成本和库存水平。

3D打印制造对环境的益处是微妙的，其中一个最有希望、也是迄今为止尚未探索的是设计优化。研究人员宣称，有了3D打印，传统设计制造标准“是可以忽略的，设计师们可以设计任何他们想要的、需要的产品，而不是设计生产系统能够制造出来的产品”。高性能的零部件能够从多方面有效降低生产过程所产生的碳足迹。

高性能零部件打印：喷气式客机也能打印

计算机可以很好地解决问题，计算机生成的设计创造了新的产品类型，减重就是一种能显著降低产品碳足迹的方法。例如，飞机的重量每减少1千克，飞机每年消耗的燃料将减少约600升。

产品优化的形式多种多样。由于是专门针对周围环境设计的，所以一个巧妙设计的零部件可以使用更长时间，也更节约能源。例如，可以把3D打印的定制发动机零部件设计成能够携带大量冷空气或者能够承受更多的重量。

另一种优化产品的方法就是尽量减少零部件，最好做成一个整体。生产制造的一般经验法则就是：一个产品的零部件越多，它所消耗的资源就越多；一个产品需要组装的零部件越多，产品的供应链就越长，产品的库存就越大。

由于3D打印机独特的制造工艺，所以能够通过一次打印完成产品的生产。如果未来的制造商能够打印经过设计优化而简化组装过程的零部件，那么就可以降低对环境的污染。一条现代化流水线制造过程需要运输或装配的零部件将有所减少。

波音公司发现，可以使用3D打印技术为一架喷气式客机打印一个导管，而过去这个导管是由20个不同组件组装而成的。一旦该导管可以打印成一个整体，也就不再需要组装了。波音公司发现这样可以精简库存，存储设计图纸，按需求打印零部件（而不是存储和运输实体零部件）可以减少存储空间，降低管理开销。

制造过程清洁化

很多人清楚毒烟滚滚的工厂对环境的破坏力，却意识不到供应链中化石燃料的缓慢燃烧也许比工厂的污染更具破坏性。在全球范围内运输材料和零部件会产生大量的污染。据沃尔玛公司估计，其公司约80%的碳足迹是由其庞大的全球供应链产生的。

通过全球供应链，原料被运到工厂，然后运到装配线，最后到达消费者手中。我们所有人都依赖于这种全球供应链的流通。生活中我们购买、消费以及最终丢弃的每个大规模生产的产品，比如最平常的塑料玩具、外科手术中可以拯救生命的医疗设备，几乎都是这一漫长而曲折的全球供应链的产品。由于工业运输队伍（卡车、轮船、飞机）燃烧燃料会产生大量排放物，供应链的碳排放量惊人。

存储未销售和未使用的库存产品的仓库需要进行照明、加热或冷却，该过程消耗电能。以数字化库存代替实际库存将会使供应链更加绿色环保。实际库存货物不仅需要运输，而且在等待销售的过程中也占用了大量的货架空间。相反，3D打印的数字化库存或设计图纸成本相对较低，且易于储存和运输。

如果能够利用3D打印的独特能力，那么就可以使制造过程清洁化。但是，目前的难题之一是产品生命周期的末端。回想一下本章开始部分关于两个塑料玩具的假设例子，两个玩具都是用标准的工业塑料制成的。

如果两个玩具都被扔掉，那么它们的归宿相同吗？不幸的是，答案可能是肯定的。问题在于原材料都是塑料，3D打印和注塑机使用的都是相同类型的商业塑料。就像弟弟和哥哥姐姐们吃相同的食物，由于3D打印机也是在工厂里“长大”的，3D打印机对批量制造所使用的原材料有着相同的胃口。

胡迪·利普森

康奈尔大学机械工程与计算机科学技术教授，他还是一家创造机器实验室的负责人，专注于自动化设计和机器制造。他出版过200多本读物，发表过100多场演讲。他在3D打印领域的研究成果，发表在了《自然》、《科学》、《纽约时报》、《发现》等多家杂志和其他媒体上。