增材制造技術作為一種新興的制造技術，一經出現就在制造業引起了廣泛的關注，盡管它目前還存在着不盡如人意的地方，但是人們普遍認為這是一種具有巨大發展潛力和想象力的技術，代表着數字化轉型的重要發展方向之一。安世亞太公司深耕增材制造産業化應用多年，深刻認同增材制造在未來數字化制造變革中的核心地位，我們基于多年的項目經驗和思考沉澱，推出了“增材思維 數智未來”系列文章。
本文是該系列文章的第二篇（第一篇：挑戰與機遇并存：增材制造的數字化智造未來）
01
導 讀
碳中和是2021年最熱的關鍵詞之一。随着國家戰略出台，碳中和的關鍵技術路線圖也漸漸清晰，主流觀點有六大路線：源頭減量、能源替代、節能提效、能源回收利用、工藝改造和碳捕捉。增材制造一直被認為是制造業數字化轉型的關鍵技術，那麼3D列印技術能否成為應對氣候變化、碳中和大戰略數字化轉型的關鍵支撐技術呢？
圖表 1：AGC Glass Europe碳足迹評估概念圖
02
當下3D列印技術的碳足迹
現在的3D列印是低碳環保的技術麼？答案恐怕是不确定的。
近期世界上一些研究機構基于公認比較科學的碳足迹計算方法：生命周期評估法（LCA法），考慮産品或服務在生命周期内所有輸入或輸出資料得出總的碳排放量來評估3D列印技術對工業産品的影響。
2020年，卡達爾基金會贊助了一項關于建築混凝土3D列印應用對環境的影響的研究[1]，項目考慮了四種不同的施工情景：
傳統施工
鋼筋混凝土的3D列印施工
無鋼筋的混凝土3D列印施工
替代混凝土的混合物3D列印施工。
這研究的環境影響類别包括全球變暖潛能值（GWP）、酸化潛能值（AP）、富營養化潛能值（EP）、煙霧形成潛能值（SFP）和化石燃料耗損（FFD）。
圖表 2：4種施工條件下建築混
凝土3D列印應用對環境的影響
研究發現，與傳統的施工方法相比，3D列印混凝土的3種情景能夠在全球變暖潛能值（GWP）、酸化潛能值（AP）、富營養化潛能值（EP）、煙霧形成潛能值（SFP）和化石燃料耗損（FFD）方面顯著降低環境影響。第四種通過混料增強方式的混凝土3D列印的施工方式顯示出進一步降低環境影響的效果。這些發現為建築業的未來制造方向提供了支援，建築業下一步不僅要研究3D列印的基礎設施，還要探索新型的可列印材料，以維護建築結構的完整性并減少對環境的負面影響。
2020年11月，荷蘭的TUDelft大學對比了常見的增材金屬，如鋁、不鏽鋼和钛合金傳統工藝和增材工藝，考慮到材料的冶煉，工藝能源、後處理、成型失敗導緻的廢棄、列印過程的有害排放、增材金屬最終産品使用、列印産品的金屬材料的回收和再利用的各個方面，得出結論：增材制造直接成型中，每公斤鋁或不鏽鋼材料的碳足迹可能比傳統工藝可能高10倍[2]。
不同行業的最終産品可能會有不同的結論，如航空航天應用钛合金由于增材設計的減重效果明顯，可能會碳足迹減少。但是汽車應用來講，增材不一定有更好的碳足迹資料，主要的負面影響還是粉末材料生産過程産生的排放過高。研究最後也表明由于現在增材制造還沒有足夠的資料來建立可信的環境影響因子，需要有更全面和标準化的LCA計算方法，考慮增材産品全生命周期的各個環節，并且能夠關聯設計、材料、工藝參數、裝置能源、完整生産技術、物流等各個環節。
圖表 3：3種钛合金零件影響碳排放值，1号列印零件最高
（展現了無減重不增材的思想）
03
未來的3D列印技術與碳中和
前面的幾篇研究都基于目前3D列印的技術、碳排放狀态來映射對環境的影響，這樣的方法不具有動态時效性，筆者無法認同他們的結論合理。當我們以發展的眼光考慮整個産品生命周期時；原材料、制造、組裝、使用、維護和産品壽命結束、循環的完整過程——3D 列印在碳足迹方面比傳統制造有相當大的優勢。
AMSE于2017年度增材大會上釋出了一篇關于3D列印對環境的可持續影響的研究[3]。這項研究中突破性的引入了3d列印工藝可持續性評估和改進的要素最終回歸至CAD檔案，再結合生命周期評估LCA方法完成關聯。研究的結論是：3D列印對環境的可持續發展有積極的作用，未來需要将3D列印材料制備生産環節、及列印成型過程細化，做出更合理的LCA基準資料；同時建議3D列印可持續評估模組化需要考慮環境、經濟、社會等更多元度的效應，與生命周期成本模型LCC方法挂鈎；最後研究表明對3D列印工藝可持續發展影響最大的是環境友好型材料的開發，這才是突破性的因素。
圖表 4：基于3d列印工藝的
CAD-LCA關聯研究方法架構
2017另一篇TUDelft發表在ELSEVIER的研究[4]，以更高次元的模型，從下至上的模組化方式來考慮2050年增材制造和全球能源需求的關聯。研究使用了演繹探索性情景（Shell殼牌2008首創的對未來能源技術的假設理論）建立了4個場景，考慮全球對增材技術的合作态度，屬于高度競争（Scramble）還是高度合作（blueprint）。另外考慮了AM增材對整個社會活動周期滲透度的程度，分為低滲透（low AM impact=20%）和高滲透（high AM impact=80%）。研究針對航空業飛機産品的已有LCA資料分析，根據滲透程度不同，全球高競争環境節能效果在5%-20%，全球合作環境節能效果可以提升到9%-25%。對建築行業的計算結果類似，應用AM節能效果顯著，而且建築行業的節能效果主要展現在原材料的節約和建築使用過程保溫層的節能。最終這項研究将這套模型推演到整個工業領域，研究的結論是AM可以降低現有能源消耗的5%-27%，全球高度合作（blueprint）情景下節能潛力更為明顯。
圖表 5：基于演繹探索性情景研究
方法架構的4個增材技術未來場景
當我們把技術從時間次元和應用廣度考慮進去時，增材制造是否低碳就不再是一個單純的技術問題，而是一個社會和政策問題了。
04
3D列印技術走向碳中和的關鍵要素
我們仍然試圖給這個技術、社會、經濟、政策交融的問題解耦，那麼先從技術的次元來看3D列印應對碳中和核心要素是什麼。
1) 材料
3D 列印可以減少碳足迹的一種關鍵方式是對每個零件、部件、産品所用的材料減少。3D列印對比傳統制造的切削銑刨磨環節大大減少，最終産品的材料使用率有巨大的提升。基于再設計理念，通過DfAM設計能夠減少零部件5-25%的材料使用也是一個行業共識。潛在耗能的另一種方法是取代傳統設計中由高耗能量材料制成的零件。例如，車輛或裝置中不一定每個部件都需要金屬制成。在許多情況下，3D 列印的聚合物或複合材料部件也可以給予同樣的性能。從這個角度，減材設計和材料取代設計的關鍵都是正向設計，需要讓最适合的材料去制造最低碳的零部件。另外研發适合3D列印的環保材料也是這個環節中最重要的要素之一。
2) 制造
制造過程能源包含将原材料制成可用最終産品的所有環節，包括制造、組裝和包裝。PBF為工藝底層的3d列印工藝由于高功率雷射和成型環境，是通常人們認為3D列印高耗能的原因。但是比如DLP列印工藝隻需使用注塑工具 1% 的能量。另外3D列印隻是制造衆多環節中的一個核心步驟，全制造過程的能耗分析，才能智能比對某個産品最适合的3d列印工藝。以低碳為目标的智能産線規劃是這個環節的核心要素。
3) 運輸
現場和按需 3D 列印制造減少了整體能源浪費并減少了碳足迹。組裝、運輸、物流、維護、儲存的環境成本完全或幾乎被消除。3D 列印背後的支撐邏輯是以高效和有效的方式生産價格合理的産品，是以它們耐用、重量更輕（在運輸時尤其有利）并且幾乎為材料零浪費。重點是高品質、高效率和小批量制造。DfAM設計将通過幫助新産品的設計和早期生産階段消除庫存，實際産品減重後可以降低運輸成本并改善能源和資源的使用。
我們目前全球航運和物流基礎設施的碳足迹大概占到人類總活動的30%, 3D 列印支撐的分布式數字制造意味着更短的交貨時間以及更低的運輸能源。這個未來不是靠“每個家庭都有一台列印機”來支撐的，而是一個能夠滿足區域需求的分散式增材制造節點網絡，智能生産與物流的協同規劃是這個環節的核心要素。
4) 使用
3D列印帶給産品的應該是外形、功能、性能和耐用性的提升，從使用壽命上将會帶來碳足迹的降低。正向設計，以最少的材料設計制造出最優的産品是這個環節中最重要的因素。
5) 循環
如所有工業品循環再利用的瓶頸一樣，3D列印制品的核心問題在于許用的判斷、回收的方式合再利用的标準。
6) 社會及政策要素
現在3D列印産值隻占工業總産值的0.1%以下，是以對于3D列印産品全生命周期的碳評估還沒有引起全世界政策上的廣泛關注，但是以發展的眼光看3d列印這項技術，從政策次元還是應該有以下支撐：
制定碳足迹相關的準則或标準，在3D列印制品要求節省原材料并且使用可回收的環保材料；
在AM最佳實踐基礎上，為使用階段的産品（包含房屋）制定能效标準；
在基于AM分布式制造理論下，制定産品運輸能源使用的标準；
開源的AM設計庫來支援并鼓勵作為備件産品的維修和再利用；
為工藝成型過程的碳足迹定基，為AM裝置制定指導方針、最佳實踐合标準
05
結論與展望
增材制造是重新設計-制造萬物的通用技術，現存的每個産品，生活中的每個不起眼的小物件都值得用DfAM和碳中和的價值觀重構一遍。例如屋頂上安裝太陽能電池肯定會對家庭的碳足迹産生積極影響，但每天使用的耐用品制造方法的不那麼明顯的變化可能會對碳足迹産生更大的影響。
例如汽車産業的碳中和方案，可以将汽車作為主體和汽車環境體兩部分考慮。汽車作為主體主要考慮材料制造、零件制造、整車制造、行駛過程、及回收再利用。從設計作為原點開始改變，以碳中和為目标的設計後整個供應鍊會随之改變，在這點上3D列印和碳中和是相同的。此處設計指廣義的頂層設計而不是狹義的工程設計。例如在電動車的主體中可以通過區塊鍊等技術，将電動車的電池進行全生命周期的碳足迹排查及優化設計方案，其中每個環節中增材制造都能起到減碳的關鍵作用。
圖表 6: TCT雜志關于3d列印支撐的綠色制造概念
以汽車的大環境考慮碳中和目标，外部協同的對象主要是能源産業及交通産業，例如汽車主體倒逼能源行業減碳，那麼現在最火熱的氫能源和電能都有3D列印關聯性發揮的空間。汽車主體驅動交通環境改變，那就涉及到未來汽車的形态這種底層熱點讨論了，對智能交通的想象不應停留在二維的平面駕駛中，未來的交通為什麼不能是三維空間起落式交通呢？在碳中和的大目标下，LCA和增材技術作為支撐，0排放的飛行汽車也是可以暢想和模式設計的！
圖表 7: 來源Dave Brenner密歇根大學環境與可持續發展學院
安世亞太公司基于多年的項目經驗和思考沉澱，推出了“增材思維 數智未來”系列文章。本文是該系列文章的第二篇（第一篇：挑戰與機遇并存：增材制造的數字化智造未來），接下來我們将陸續推出智能設計、成本控制、多源技術融合、新能源應用等方面的專欄文章，敬請期待。
文章參考資料：
1.Malek Mohammad 1,2, Eyad Masad and Sami G. Al-Ghamdi,「3D Concrete Printing Sustainability: A Comparative Life Cycle Assessment of Four Construction Method Scenarios」，Buildings 2020,10, 245
2.Jeremy Faludi, Ph.D. and Corrie Van Sice, 「State of Knowledge on the Environmental Impacts of Metal Additive Manufacturing」，TUDelft&AMGTA
3.Zhichao Liu，「SUSTAINABILITY OF 3D PRINTING: A CRITICAL REVIEW AND RECOMMENDATIONS」，MSEC2016-8618
4.Leendert A. Verhoef，「The effect of additive manufacturing on global energy demand: An assessment using a bottom-up approach」，Energy Policy 112 (2018) 349-360
—作者—
壽曉星，法國化工過程碩士學位，安世亞太DfAM賦能業務部負責人。擁有10餘年石油化工、核、機械行業工程咨詢經曆。擁有荷蘭海洋工程公司INTECSEA、英國咨詢公司KBC Advanced technology工作經曆。