3D列印真的綠色環保無污染？

編輯 | 麻粒兒

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在過去的十年里，3D列印已經成功捕獲了公眾、工程師和環境夢想家的想像力。它被譽為製造業的一場革命，也是大幅度改善環境的機會。

3D列印有兩個關鍵屬性，正是這兩個屬性讓愛好者稱之為「綠色」技術。首先，許多3D列印系統很少產生浪費，與傳統的製造技術（如注塑、鑄造、衝壓和切割）不同。其次，家庭、商店和社區中心的3D印表機可以使用數字設計在現場製造產品，減少向終端用戶運輸產品的需求。

然而，對3D列印環境性能的定量分析是有限的。它大部分只集中在生產過程中使用的能量上，並沒有包括原材料生產、產品本身的使用或廢物管理的影響。

為了填補這個空白，我們組織發表了一期耶魯大學《工業生態學雜誌》的特別版。我們發現，對大幅度改善環境可能性的興奮需要通過理解這項技術如何實施以及目前的發展狀況來緩解。

主要用於工業

看過3D印表機的大多數消費者都知道它們很小，是類似於噴墨印表機的箱形機器。這些系統可以製造簡單的產品，如門擋、開瓶器和購物袋把手，且通常由單一材料製成。

事實上，3D列印是一系列主要用於工業的技術，這被稱為疊層製造。這些系統基於數字信息通過添加連續的材料層生成物體。

這些物品然後被進一步加工和組裝成產品，如噴氣機引擎組件、助聽器、醫用植入物和用於工業設備的許多不同類型的複雜零件。因此，疊層製造是對傳統製造工藝的補充，不是他們的替代品。

幾十年來，工業界一直使用疊層製造來創造用於產品設計和生產計劃的原型。現在，這些技術變得越來越成熟，並被用於製造終端用途的零件和產品。

疊層製造對於以比傳統製造更低的成本生產定製零件和小批量複雜物體特別有用，傳統製造通常需要耗時，以及昂貴的生產設備準備。

按需生產垃圾？

我們對新興研究的審視表明，疊層製造並不會自動對環境有利。以這種方式生產的零件通常需要額外的加工來賦予它們正確的尺寸或外觀。這可能消耗資源或產生進一步的環境影響。

我們審視的大部分研究表明，疊層製造設備如何配置、操作設置以及關於加工細節的選擇——例如添加層的厚度——對整體環境性能有很大影響。科學家們也開始調查在使用疊層製造機械過程中暴露於微小塑料顆粒的排放和安全隱患。

重要的是，疊層製造不是一個固有的無浪費過程。例如，一些技術要求在生產過程中使用臨時支撐結構，以防止物體在成形時翹曲或塌陷。這些支撐體無法總是被再加工成原材料。同樣需要考慮的是，用疊層製造的零件中使用的塑料、金屬或混合材料是否可以被回收利用。

另一個擔憂是按需生產和無休止的定製可能導致一次性消費品的急劇增加，或者一些評論家所說的「垃圾」。按需生產各種顏色或設計的鞋子、服裝首飾或家居用品，可以將「快時尚」推向一個全新的水平。

實現環境效益

與此同時，去中心化的定製生產是一個耐人尋味的環境機遇。它源於在當地工廠生產物品的願景，或者甚至在家裡，並且只製造所需的特定產品，而不是在遠處整批生產，然後大量裝運和入庫。

然而，目前大多數可以用這種方式生產的產品必須足夠簡單到能夠在入門級3D印表機上生產，且通常由單一材料製成。更重要的是，加工用於疊層製造的原材料比用傳統製造技術製造和將最終產品運送給終端用戶，消耗更多的能量。

通過疊層製造生產的零件具有延長產品壽命的真正潛力，雖然它也可以讓老舊、能效較低的設備使用更長時間。為了使這成為一種常見的選擇，一些零件需要專門設計成通過疊層製造來生產。

然而，在這一方面，知識產權問題可能構成重大挑戰。3D印表機的用戶可能沒有合法權利從原始生產商創造的設計中生產零件和產品。這些生產商可能不認為允許使用這種設計符合他們的經濟利益。3D印表機的用戶可能想為，比如說，一輛舊汽車，生產零部件，但是汽車製造商可能不想分享這些零件的設計。

疊層製造有強大的能力生產形狀和內部空間非常複雜的物體——例如能夠減輕重量的飛機專用部件，從而降低燃料消耗和溫室氣體排放。許多研究人員認為製造如此複雜零件的能力，和由此產生的能源效率的提高，可以從疊層製造中獲得最大的環境效益。

未來的機遇

疊層製造對於生產少量專門零件或產品非常有效。其潛在的環境優勢目前在於按需製造零部件，特別是在製造降低產品使用過程中能耗的專用零件方面。隨著技術的不斷進步，其他收益可能會實現。

雖然有人聲稱這項技術對環境有利，但重要的是要認識到這些系統的設計並沒有考慮到環境效益。雖然一些3D列印應用可能不符合環境要求，但有許多改進的機會還沒有得到實現。第一步是對生產3D列印材料的環境影響、3D產品是如何使用的以及它們產生的廢物進行更多的研究。

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