正文 更綠色環保的製造(1 / 2)

能否實現更綠色環保的製造取決於能否全麵開發3D打印獨有的製造能力。3D打印技術具有如下取代大規模生產製造的潛力:首先,3D打印機製造出的產品外形能夠根據應用或環境進行優化;其次,對堆滿貨物的倉庫進行維護會加重環境負擔,相比之下,儲存隨時可以打印的設計圖紙或者數字化的產品清單更經濟環保;再次,總有一天,分布式的3D打印製造可以使各公司就近進行本地生產;最後,3D打印技術還可以進一步開發其潛力,使用可回收利用的或環保的打印材料進行生產。

低碳製造:3D打印能做到

低碳曾經意味著僅限於麵包、意大利麵和土豆的飲食。在製造業裏,低碳意味著“低碳排放”,一種更有效節能的設計生產方法。對於在諾丁漢大學(之前在拉夫堡大學)的研究人員來說,低碳製造意味著降低整個產品生命周期內的碳足跡,包括從產品設計到產品生產、部件組裝、運輸分配以及最終的報廢處理。

“現在的產品從設計製造到最終分銷給消費者,各個環節通常都很浪費。”諾丁漢大學教授理查德?黑格解釋道,“這主要是由於傳統製造過程限製了我們目前的設計、製造和供應鏈。”理查德和幾位同事對3D打印和傳統製造所留下的碳足跡進行了深入的對比研究,他們將研究成果稱為“阿特金斯可行性研究”(向著名的阿特金斯低碳水化合物飲食法致敬)。

阿特金斯可行性研究的目的在於評估3D打印機能否減少製造業的碳足跡。研究人員測量了製造過程的每個方麵對環境的影響:能源消耗,製造過程產生的廢料,運輸網絡。為了完成整體性評估,研究人員進行了計算,試圖得知優越的設計和優化的產品外形(僅指3D打印生產的優勢)能否在接下來的整個產品生命周期裏給環境帶來益處。例如,優化的3D打印產品能否在重量上更輕便、在性能上更優越、在耐久性上更出色。

結果很複雜,總體而言,與傳統的製造機器相比,在製造相同重量的零部件過程中,使用聚合物材料的3D打印機的耗電量至少是傳統製造機器耗電量的10倍。工業規模3D打印機使用激光器(或者高溫)凝固粉狀聚合物,與注塑機的注壓成型過程相比,多產生約65%的廢棄塑料材料。研究人員分析的一些3D打印機需要使用熱固性聚合物,這種材料不能回收,因為如果加熱就會改變它的材料屬性。這些結果表明,盡管3D打印過程精度很高,但不是所有的3D打印製造過程都是無廢料可循環的。

研究人員發現,打印有很多較大空隙的塑料產品的製作過程特別浪費。中空的物體需要更多的支撐材料,這些材料會產生額外的廢棄塑料粉末。盡管一些多餘的支撐材料可以回收,但是研究人員發現,平均隻有40%的多餘原塑料粉末在接下來的打印過程中可以回收利用,而其餘60%則通常被倒入垃圾處理站了。好消息是水溶性的支撐材料利用率越來越高。

研究人員發現,與注塑機的冷卻過程相比,打印塑料對環境確實有一些好處。由於打印塑料的生產過程緩慢,大部分3D打印的部件製作出來後都不是特別熱。而在注塑過程中,當塑料球被用力擠壓進模具裏時,它們就變得非常熱,這時就需要冷卻劑。通常來說,工廠需要使用一種叫作“脫模劑”的有毒化學物質將塑料從注塑模具中弄出來。

對比3D打印塑料,3D打印金屬相對傳統的金屬製造技術具有更多的優點。研究人員發現,幾乎所有3D打印剩下的金屬粉末都能回收利用。相比之下,傳統的金屬製造過程(研磨、機械加工或鑄型)更浪費,在使用某些金屬製造方法時,廢棄副產品中竟剩下90%的原材料。例如,製造一個1千克的飛機零件就需要消耗多達15千克的金屬原材料。

由於阿特金斯可行性研究的目的在於研究整個產品生命周期過程中產生的碳足跡,研究人員對3D打印在全球供應鏈中對下遊的影響進行了分析。如果公司使用適合3D打印的製造模式,如數字化庫存、當地即時生產以及分散式的製造模式,那麼生產製造的過程就可能實現綠色環保。阿特金斯可行性研究的結論就是,應用阿特金斯製造方法生產適合的零件和組件,特別是體積小但價值高的零部件,可以有效地降低庫存成本和庫存水平。