3D打印能支撑碳中和战略吗？

来源：安世亚太

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。

本文是该系列文章的第二篇（第一篇：五个方面分析增材制造的数字化智造未来，挑战与机遇并存https://www.nanjixiong.com/thread-151651-1-1.html）。

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

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（low AM impact=20%）和高渗透（high AM impact=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。

△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。

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。

2) 制造
制造过程能源包含将原材料制成可用最终产品的所有环节，包括制造、组装和包装。PBF为工艺底层的3d打印工艺由于高功率激光和成型环境，是通常人们认为3D打印高耗能的原因。但是比如DLP打印工艺只需使用注塑工具 1% 的能量。另外3D打印只是制造众多环节中的一个核心步骤，全制造过程的能耗分析，才能智能匹配某个产品最适合的3d打印工艺。以低碳为目标的智能产线规划是这个环节的核心要素。

3) 运输
现场和按需 3D 打印制造减少了整体能源浪费并减少了碳足迹。组装、运输、物流、维护、储存的环境成本完全或几乎被消除。3D 打印背后的支撑逻辑是以高效和有效的方式生产价格合理的产品，因此它们耐用、重量更轻（在运输时尤其有利）并且几乎为材料零浪费。重点是高质量、高效率和小批量制造。DfAM设计将通过帮助新产品的设计和早期生产阶段消除库存，实际产品减重后可以降低运输成本并改善能源和资源的使用。

我们当前全球航运和物流基础设施的碳足迹大概占到人类总活动的30%, 3D 打印支撑的分布式数字制造意味着更短的交货时间以及更低的运输能源。这个未来不是靠“每个家庭都有一台打印机”来支撑的，而是一个能够满足区域需求的分散式增材制造节点网络，智能生产与物流的协同规划是这个环节的核心要素。

4) 使用
3D打印带给产品的应该是外形、功能、性能和耐用性的提升，从使用寿命上将会带来碳足迹的降低。正向设计，以最少的材料设计制造出最优的产品是这个环节中最重要的因素。

5) 循环
如所有工业品循环再利用的瓶颈一样，3D打印制品的核心问题在于许用的判断、回收的方式合再利用的标准。

6) 社会及政策要素
现在3D打印产值只占工业总产值的0.1%以下，所以对于3D打印产品全生命周期的碳评估还没有引起全世界政策上的广泛关注，但是以发展的眼光看3d打印这项技术，从政策维度还是应该有以下支撑：

• 制定碳足迹相关的准则或标准，在3D打印制品要求节省原材料并且使用可回收的环保材料；
• 在AM最佳实践基础上，为使用阶段的产品（包含房屋）制定能效标准；
• 在基于AM分布式制造理论下，制定产品运输能源使用的标准；
• 开源的AM设计库来支持并鼓励作为备件产品的维修和再利用；
• 为工艺成型过程的碳足迹定基，为AM设备制定指导方针、最佳实践合标准
  

结论与展望
增材制造是重新设计-制造万物的通用技术，现存的每个产品，生活中的每个不起眼的小物件都值得用DfAM和碳中和的价值观重构一遍。例如屋顶上安装太阳能电池肯定会对家庭的碳足迹产生积极影响，但每天使用的耐用品制造方法的不那么明显的变化可能会对碳足迹产生更大的影响。

例如汽车产业的碳中和方案，可以将汽车作为主体和汽车环境体两部分考虑。汽车作为主体主要考虑材料制造、零件制造、整车制造、行驶过程、及回收再利用。从设计作为原点开始改变，以碳中和为目标的设计后整个供应链会随之改变，在这点上3D打印和碳中和是相同的。此处设计指广义的顶层设计而不是狭义的工程设计。例如在电动车的主体中可以通过区块链等技术，将电动车的电池进行全生命周期的碳足迹排查及优化设计方案，其中每个环节中增材制造都能起到减碳的关键作用。

△图表 6: TCT杂志关于3d打印支撑的绿色制造概念

以汽车的大环境考虑碳中和目标，外部协同的对象主要是能源产业及交通产业，例如汽车主体倒逼能源行业减碳，那么现在最火热的氢能源和电能都有3D打印关联性发挥的空间。汽车主体驱动交通环境改变，那就涉及到未来汽车的形态这种底层热点讨论了，对智能交通的想象不应停留在二维的平面驾驶中，未来的交通为什么不能是三维空间起落式交通呢？在碳中和的大目标下，LCA和增材技术作为支撑，0排放的飞行汽车也是可以畅想和模式设计的！

△图表 7: 来源Dave Brenner密歇根大学环境与可持续发展学院

安世亚太公司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。本文是该系列文章的第二篇（第一篇：五个方面分析增材制造的数字化智造未来，挑战与机遇并存https://www.nanjixiong.com/thread-151651-1-1.html），接下来还将陆续推出智能设计、成本控制、多源技术融合、新能源应用等方面的专栏文章，敬请期待。

文章参考资料：
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—
寿晓星，法国化工过程硕士学位，安世亚太DfAM赋能业务部负责人。拥有10余年石油化工、核、机械行业工程咨询经历。拥有荷兰海洋工程公司INTECSEA、英国咨询公司KBC Advanced technology工作经历。