碳中和是2021年最熱的關(guān)鍵詞之一。隨著國(guó)家戰(zhàn)略出臺(tái)，碳中和的關(guān)鍵技術(shù)路線圖也漸漸清晰，主流觀點(diǎn)有六大路線：源頭減量、能源替代、節(jié)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(rèn)為是制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，那么3D打印技術(shù)能否成為應(yīng)對(duì)氣候變化、碳中和大戰(zhàn)略數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵支撐技術(shù)呢？

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圖表 1：AGC Glass Europe碳足跡評(píng)估概念圖

當(dāng)下3D打印技術(shù)的碳足跡

現(xiàn)在的3D打印是低碳環(huán)保的技術(shù)么？答案恐怕是不確定的。

近期世界上一些研究機(jī)構(gòu)基于公認(rèn)比較科學(xué)的碳足跡計(jì)算方法：生命周期評(píng)估法（LCA法），考慮產(chǎn)品或服務(wù)在生命周期內(nèi)所有輸入或輸出數(shù)據(jù)得出總的碳排放量來評(píng)估3D打印技術(shù)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的影響。

?2020年，卡達(dá)爾基金會(huì)贊助了一項(xiàng)關(guān)于建筑混凝土3D打印應(yīng)用對(duì)環(huán)境的影響的研究[1]，項(xiàng)目考慮了四種不同的施工情景：

1. 傳統(tǒng)施工

2. 鋼筋混凝土的3D打印施工?

3. 無鋼筋的混凝土3D打印施工?

4. 替代混凝土的混合物3D打印施工。

這研究的環(huán)境影響類別包括全球變暖潛能值（GWP）、酸化潛能值（AP）、富營(yíng)養(yǎng)化潛能值（EP）、煙霧形成潛能值（SFP）和化石燃料耗損（FFD）。

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圖表 2：4種施工條件下建筑混凝土3D打印應(yīng)用對(duì)環(huán)境的影響

研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的施工方法相比，3D打印混凝土的3種情景能夠在全球變暖潛能值（GWP）、酸化潛能值（AP）、富營(yíng)養(yǎng)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(huán)境影響。第四種通過混料增強(qiáng)方式的混凝土3D打印的施工方式顯示出進(jìn)一步降低環(huán)境影響的效果。這些發(fā)現(xiàn)為建筑業(yè)的未來制造方向提供了支持，建筑業(yè)下一步不僅要研究3D打印的基礎(chǔ)設(shè)施，還要探索新型的可打印材料，以維護(hù)建筑結(jié)構(gòu)的完整性并減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

2020年11月，荷蘭的TUDelft大學(xué)對(duì)比了常見的增材金屬，如鋁、不銹鋼和鈦合金傳統(tǒng)工藝和增材工藝，考慮到材料的冶煉，工藝能源、后處理、成型失敗導(dǎo)致的廢棄、打印過程的有害排放、增材金屬最終產(chǎn)品使用、打印產(chǎn)品的金屬材料的回收和再利用的各個(gè)方面，得出結(jié)論：增材制造直接成型中，每公斤鋁或不銹鋼材料的碳足跡可能比傳統(tǒng)工藝可能高10倍[2]。

?不同行業(yè)的最終產(chǎn)品可能會(huì)有不同的結(jié)論，如航空航天應(yīng)用鈦合金由于增材設(shè)計(jì)的減重效果明顯，可能會(huì)碳足跡減少。但是汽車應(yīng)用來講，增材不一定有更好的碳足跡數(shù)據(jù)，主要的負(fù)面影響還是粉末材料生產(chǎn)過程產(chǎn)生的排放過高。研究最后也表明由于現(xiàn)在增材制造還沒有足夠的數(shù)據(jù)來建立可信的環(huán)境影響因子，需要有更全面和標(biāo)準(zhǔn)化的LCA計(jì)算方法，考慮增材產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)，并且能夠關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)、材料、工藝參數(shù)、設(shè)備能源、完整生產(chǎn)技術(shù)、物流等各個(gè)環(huán)節(jié)。

圖表 3：3種鈦合金零件影響碳排放值，1號(hào)打印零件最高（體現(xiàn)了無減重不增材的思想）
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未來的3D打印技術(shù)與碳中和

前面的幾篇研究都基于當(dāng)前3D打印的技術(shù)、碳排放狀態(tài)來映射對(duì)環(huán)境的影響，這樣的方法不具有動(dòng)態(tài)時(shí)效性，筆者無法認(rèn)同他們的結(jié)論合理。當(dāng)我們以發(fā)展的眼光考慮整個(gè)產(chǎn)品生命周期時(shí)；原材料、制造、組裝、使用、維護(hù)和產(chǎn)品壽命結(jié)束、循環(huán)的完整過程——3D 打印在碳足跡方面比傳統(tǒng)制造有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。

?AMSE于2017年度增材大會(huì)上發(fā)布了一篇關(guān)于3D打印對(duì)環(huán)境的可持續(xù)影響的研究[3]。這項(xiàng)研究中突破性的引入了3d打印工藝可持續(xù)性評(píng)估和改進(jìn)的要素最終回歸至CAD文件，再結(jié)合生命周期評(píng)估LCA方法完成關(guān)聯(lián)。研究的結(jié)論是：3D打印對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展有積極的作用，未來需要將3D打印材料制備生產(chǎn)環(huán)節(jié)、及打印成型過程細(xì)化，做出更合理的LCA基準(zhǔn)數(shù)據(jù)；同時(shí)建議3D打印可持續(xù)評(píng)估建模需要考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等更多維度的效應(yīng)，與生命周期成本模型LCC方法掛鉤；最后研究表明對(duì)3D打印工藝可持續(xù)發(fā)展影響最大的是環(huán)境友好型材料的開發(fā)，這才是突破性的因素。

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圖表 4：基于3d打印工藝的CAD-LCA關(guān)聯(lián)研究方法框架

2017另一篇TUDelft發(fā)表在ELSEVIER的研究[4]，以更高維度的模型，從下至上的建模方式來考慮2050年增材制造和全球能源需求的關(guān)聯(lián)。研究使用了演繹探索性情景（Shell殼牌2008首創(chuàng)的對(duì)未來能源技術(shù)的假設(shè)理論）建立了4個(gè)場(chǎng)景，考慮全球?qū)υ霾募夹g(shù)的合作態(tài)度，屬于高度競(jìng)爭(zhēng)（Scramble）還是高度合作（blueprint）。另外考慮了AM增材對(duì)整個(gè)社會(huì)活動(dòng)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(duì)航空業(yè)飛機(jī)產(chǎn)品的已有LCA數(shù)據(jù)分析，根據(jù)滲透程度不同，全球高競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境節(jié)能效果在5%-20%，全球合作環(huán)境節(jié)能效果可以提升到9%-25%。對(duì)建筑行業(yè)的計(jì)算結(jié)果類似，應(yīng)用AM節(jié)能效果顯著，而且建筑行業(yè)的節(jié)能效果主要體現(xiàn)在原材料的節(jié)約和建筑使用過程保溫層的節(jié)能。最終這項(xiàng)研究將這套模型推演到整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，研究的結(jié)論是AM可以降低現(xiàn)有能源消耗的5%-27%，全球高度合作（blueprint）情景下節(jié)能潛力更為明顯。

圖表 5：基于演繹探索性情景研究方法框架的4個(gè)增材技術(shù)未來場(chǎng)景

當(dāng)我們把技術(shù)從時(shí)間維度和應(yīng)用廣度考慮進(jìn)去時(shí)，增材制造是否低碳就不再是一個(gè)單純的技術(shù)問題，而是一個(gè)社會(huì)和政策問題了。
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3D打印技術(shù)走向碳中和的關(guān)鍵要素

我們?nèi)匀辉噲D給這個(gè)技術(shù)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政策交融的問題解耦，那么先從技術(shù)的維度來看3D打印應(yīng)對(duì)碳中和核心要素是什么。

?1) 材料3D 打印可以減少碳足跡的一種關(guān)鍵方式是對(duì)每個(gè)零件、部件、產(chǎn)品所用的材料減少。3D打印對(duì)比傳統(tǒng)制造的切削銑刨磨環(huán)節(jié)大大減少，最終產(chǎn)品的材料使用率有巨大的提升?；谠僭O(shè)計(jì)理念，通過DfAM設(shè)計(jì)能夠減少零部件5-25%的材料使用也是一個(gè)行業(yè)共識(shí)。潛在耗能的另一種方法是取代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中由高耗能量材料制成的零件。例如，車輛或設(shè)備中不一定每個(gè)部件都需要金屬制成。在許多情況下，3D 打印的聚合物或復(fù)合材料部件也可以給予同樣的性能。從這個(gè)角度，減材設(shè)計(jì)和材料取代設(shè)計(jì)的關(guān)鍵都是正向設(shè)計(jì)，需要讓最適合的材料去制造最低碳的零部件。另外研發(fā)適合3D打印的環(huán)保材料也是這個(gè)環(huán)節(jié)中最重要的要素之一。

?2)?制造制造過程能源包含將原材料制成可用最終產(chǎn)品的所有環(huán)節(jié)，包括制造、組裝和包裝。PBF為工藝底層的3d打印工藝由于高功率激光和成型環(huán)境，是通常人們認(rèn)為3D打印高耗能的原因。但是比如DLP打印工藝只需使用注塑工具 1% 的能量。另外3D打印只是制造眾多環(huán)節(jié)中的一個(gè)核心步驟，全制造過程的能耗分析，才能智能匹配某個(gè)產(chǎn)品最適合的3d打印工藝。以低碳為目標(biāo)的智能產(chǎn)線規(guī)劃是這個(gè)環(huán)節(jié)的核心要素。

?3) 運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)和按需 3D 打印制造減少了整體能源浪費(fèi)并減少了碳足跡。組裝、運(yùn)輸、物流、維護(hù)、儲(chǔ)存的環(huán)境成本完全或幾乎被消除。3D 打印背后的支撐邏輯是以高效和有效的方式生產(chǎn)價(jià)格合理的產(chǎn)品，因此它們耐用、重量更輕（在運(yùn)輸時(shí)尤其有利）并且?guī)缀鯙椴牧狭憷速M(fèi)。重點(diǎn)是高質(zhì)量、高效率和小批量制造。DfAM設(shè)計(jì)將通過幫助新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和早期生產(chǎn)階段消除庫(kù)存，實(shí)際產(chǎn)品減重后可以降低運(yùn)輸成本并改善能源和資源的使用。

?我們當(dāng)前全球航運(yùn)和物流基礎(chǔ)設(shè)施的碳足跡大概占到人類總活動(dòng)的30%, 3D 打印支撐的分布式數(shù)字制造意味著更短的交貨時(shí)間以及更低的運(yùn)輸能源。這個(gè)未來不是靠“每個(gè)家庭都有一臺(tái)打印機(jī)”來支撐的，而是一個(gè)能夠滿足區(qū)域需求的分散式增材制造節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，智能生產(chǎn)與物流的協(xié)同規(guī)劃是這個(gè)環(huán)節(jié)的核心要素。

?4) 使用3D打印帶給產(chǎn)品的應(yīng)該是外形、功能、性能和耐用性的提升，從使用壽命上將會(huì)帶來碳足跡的降低。正向設(shè)計(jì)，以最少的材料設(shè)計(jì)制造出最優(yōu)的產(chǎn)品是這個(gè)環(huán)節(jié)中最重要的因素。

?5) 循環(huán)如所有工業(yè)品循環(huán)再利用的瓶頸一樣，3D打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標(biāo)準(zhǔn)。

?6) 社會(huì)及政策要素現(xiàn)在3D打印產(chǎn)值只占工業(yè)總產(chǎn)值的0.1%以下，所以對(duì)于3D打印產(chǎn)品全生命周期的碳評(píng)估還沒有引起全世界政策上的廣泛關(guān)注，但是以發(fā)展的眼光看3d打印這項(xiàng)技術(shù)，從政策維度還是應(yīng)該有以下支撐：

• -制定碳足跡相關(guān)的準(zhǔn)則或標(biāo)準(zhǔn)，在3D打印制品要求節(jié)省原材料并且使用可回收的環(huán)保材料；

• -在AM實(shí)踐基礎(chǔ)上，為使用階段的產(chǎn)品（包含房屋）制定能效標(biāo)準(zhǔn)；

• -在基于AM分布式制造理論下，制定產(chǎn)品運(yùn)輸能源使用的標(biāo)準(zhǔn)；

• -開源的AM設(shè)計(jì)庫(kù)來支持并鼓勵(lì)作為備件產(chǎn)品的維修和再利用；

• -為工藝成型過程的碳足跡定基，為AM設(shè)備制定指導(dǎo)方針、實(shí)踐和標(biāo)準(zhǔn)

?結(jié)論與展望

?增材制造是重新設(shè)計(jì)-制造萬物的通用技術(shù)，現(xiàn)存的每個(gè)產(chǎn)品，生活中的每個(gè)不起眼的小物件都值得用DfAM和碳中和的價(jià)值觀重構(gòu)一遍。例如屋頂上安裝太陽能電池肯定會(huì)對(duì)家庭的碳足跡產(chǎn)生積極影響，但每天使用的耐用品制造方法的不那么明顯的變化可能會(huì)對(duì)碳足跡產(chǎn)生更大的影響。

?例如汽車產(chǎn)業(yè)的碳中和方案，可以將汽車作為主體和汽車環(huán)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(shè)計(jì)作為原點(diǎn)開始改變，以碳中和為目標(biāo)的設(shè)計(jì)后整個(gè)供應(yīng)鏈會(huì)隨之改變，在這點(diǎn)上3D打印和碳中和是相同的。此處設(shè)計(jì)指廣義的頂層設(shè)計(jì)而不是狹義的工程設(shè)計(jì)。例如在電動(dòng)車的主體中可以通過區(qū)塊鏈等技術(shù)，將電動(dòng)車的電池進(jìn)行全生命周期的碳足跡排查及優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，其中每個(gè)環(huán)節(jié)中增材制造都能起到減碳的關(guān)鍵作用。

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圖表 6: TCT雜志關(guān)于3d打印支撐的綠色制造概念

以汽車的大環(huán)境考慮碳中和目標(biāo)，外部協(xié)同的對(duì)象主要是能源產(chǎn)業(yè)及交通產(chǎn)業(yè)，例如汽車主體倒逼能源行業(yè)減碳，那么現(xiàn)在最火熱的氫能源和電能都有3D打印關(guān)聯(lián)性發(fā)揮的空間。汽車主體驅(qū)動(dòng)交通環(huán)境改變，那就涉及到未來汽車的形態(tài)這種底層熱點(diǎn)討論了，對(duì)智能交通的想象不應(yīng)停留在二維的平面駕駛中，未來的交通為什么不能是三維空間起落式交通呢？在碳中和的大目標(biāo)下，LCA和增材技術(shù)作為支撐，0排放的飛行汽車也是可以暢想和模式設(shè)計(jì)的！

圖表 7: 來源Dave Brenner密歇根大學(xué)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)院