3D打印能支撑碳中和战略吗？( 二 ) 增材制造技术作为一种新兴的

文章图片
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）
03
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。

文章图片
图表4：基于3d打印工艺的
CAD-LCA关联研究方法框架
【3D打印能支撑碳中和战略吗？】2017另一篇TUDelft发表在ELSEVIER的研究[4] ，以更高维度的模型，从下至上的建模方式来考虑2050年增材制造和全球能源需求的关联。研究使用了演绎探索性情景（Shell壳牌2008首创的对未来能源技术的假设理论）建立了4个场景，考虑全球对增材技术的合作态度，属于高度竞争（Scramble）还是高度合作（blueprint）。另外考虑了AM增材对整个社会活动周期渗透度的程度，分为低渗透（lowAMimpact=20%）和高渗透（highAMimpact=80%）。研究针对航空业飞机产品的已有LCA数据分析，根据渗透程度不同，全球高竞争环境节能效果在5%-20% ，全球合作环境节能效果可以提升到9%-25% 。对建筑行业的计算结果类似，应用AM节能效果显著，而且建筑行业的节能效果主要体现在原材料的节约和建筑使用过程保温层的节能。最终这项研究将这套模型推演到整个工业领域，研究的结论是AM可以降低现有能源消耗的5%-27% ，全球高度合作（blueprint）情景下节能潜力更为明显。

文章图片
图表5：基于演绎探索性情景研究
方法框架的4个增材技术未来场景
当我们把技术从时间维度和应用广度考虑进去时，增材制造是否低碳就不再是一个单纯的技术问题，而是一个社会和政策问题了。
04
3D打印技术走向碳中和的关键要素
我们仍然试图给这个技术、社会、经济、政策交融的问题解耦，那么先从技术的维度来看3D打印应对碳中和核心要素是什么。
1)材料
3D打印可以减少碳足迹的一种关键方式是对每个零件、部件、产品所用的材料减少。 3D打印对比传统制造的切削铣刨磨环节大大减少，最终产品的材料使用率有巨大的提升。基于再设计理念，通过DfAM设计能够减少零部件5-25%的材料使用也是一个行业共识。潜在耗能的另一种方法是取代传统设计中由高耗能量材料制成的零件。例如，车辆或设备中不一定每个部件都需要金属制成。在许多情况下， 3D打印的聚合物或复合材料部件也可以给予同样的性能。从这个角度，减材设计和材料取代设计的关键都是正向设计，需要让最适合的材料去制造最低碳的零部件。另外研发适合3D打印的环保材料也是这个环节中最重要的要素之一。