在過去的十年里，3D打印已經(jīng)成功捕獲了公眾、工程師和環(huán)境夢想家的想象力。它被譽為制造業(yè)的一場革命，也是大幅度改善環(huán)境的機會。

3D打印有兩個關(guān)鍵屬性，正是這兩個屬性讓愛好者稱之為“綠色”技術(shù)。首先，許多3D打印系統(tǒng)很少產(chǎn)生浪費，與傳統(tǒng)的制造技術(shù)（如注塑、鑄造、沖壓和切割）不同。其次，家庭、商店和社區(qū)中心的3D打印機可以使用數(shù)字設(shè)計在現(xiàn)場制造產(chǎn)品，減少向終端用戶運輸產(chǎn)品的需求。

然而，對3D打印環(huán)境性能的定量分析是有限的。它大部分只集中在生產(chǎn)過程中使用的能量上，并沒有包括原材料生產(chǎn)、產(chǎn)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(fā)表了一期耶魯大學(xué)《工業(yè)生態(tài)學(xué)雜志》的特別版。我們發(fā)現(xiàn)，對大幅度改善環(huán)境可能性的興奮需要通過理解這項技術(shù)如何實施以及目前的發(fā)展?fàn)顩r來緩解。

主要用于工業(yè)

看過3D打印機的大多數(shù)消費者都知道它們很小，是類似于噴墨打印機的箱形機器。這些系統(tǒng)可以制造簡單的產(chǎn)品，如門擋、開瓶器和購物袋把手，且通常由單一材料制成。

事實上，3D打印是一系列主要用于工業(yè)的技術(shù)，這被稱為疊層制造。這些系統(tǒng)基于數(shù)字信息通過添加連續(xù)的材料層生成物體。這些物品然后被進一步加工和組裝成產(chǎn)品，如噴氣機引擎組件、助聽器、醫(yī)用植入物和用于工業(yè)設(shè)備的許多不同類型的復(fù)雜零件。因此，疊層制造是對傳統(tǒng)制造工藝的補充，不是他們的替代品。

幾十年來，工業(yè)界一直使用疊層制造來創(chuàng)造用于產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)計劃的原型?，F(xiàn)在，這些技術(shù)變得越來越成熟，并被用于制造終端用途的零件和產(chǎn)品。

疊層制造對于以比傳統(tǒng)制造更低的成本生產(chǎn)定制零件和小批量復(fù)雜物體特別有用，傳統(tǒng)制造通常需要耗時，以及昂貴的生產(chǎn)設(shè)備準(zhǔn)備。

按需生產(chǎn)垃圾？

我們對新興研究的審視表明，疊層制造并不會自動對環(huán)境有利。以這種方式生產(chǎn)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(chǎn)生進一步的環(huán)境影響。

我們審視的大部分研究表明，疊層制造設(shè)備如何配置、操作設(shè)置以及關(guān)于加工細節(jié)的選擇——例如添加層的厚度——對整體環(huán)境性能有很大影響?？茖W(xué)家們也開始調(diào)查在使用疊層制造機械過程中暴露于微小塑料顆粒的排放和安全隱患。

重要的是，疊層制造不是一個固有的無浪費過程。例如，一些技術(shù)要求在生產(chǎn)過程中使用臨時支撐結(jié)構(gòu)，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，用疊層制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(dān)憂是按需生產(chǎn)和無休止的定制可能導(dǎo)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(chǎn)各種顏色或設(shè)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(xiàn)環(huán)境效益

與此同時，去中心化的定制生產(chǎn)是一個耐人尋味的環(huán)境機遇。它源于在當(dāng)?shù)毓S生產(chǎn)物品的愿景，或者甚至在家里，并且只制造所需的特定產(chǎn)品，而不是在遠處整批生產(chǎn)，然后大量裝運和入庫。

然而，目前大多數(shù)可以用這種方式生產(chǎn)的產(chǎn)品必須足夠簡單到能夠在入門級3D打印機上生產(chǎn)，且通常由單一材料制成。更重要的是，加工用于疊層制造的原材料比用傳統(tǒng)制造技術(shù)制造和將最終產(chǎn)品運送給終端用戶，消耗更多的能量。

通過疊層制造生產(chǎn)的零件具有延長產(chǎn)品壽命的真正潛力，雖然它也可以讓老舊、能效較低的設(shè)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(shè)計成通過疊層制造來生產(chǎn)。

然而，在這一方面，知識產(chǎn)權(quán)問題可能構(gòu)成重大挑戰(zhàn)。3D打印機的用戶可能沒有合法權(quán)利從原始生產(chǎn)商創(chuàng)造的設(shè)計中生產(chǎn)零件和產(chǎn)品。這些生產(chǎn)商可能不認(rèn)為允許使用這種設(shè)計符合他們的經(jīng)濟利益。3D打印機的用戶可能想為，比如說，一輛舊汽車，生產(chǎn)零部件，但是汽車制造商可能不想分享這些零件的設(shè)計。

疊層制造有強大的能力生產(chǎn)形狀和內(nèi)部空間非常復(fù)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(rèn)為制造如此復(fù)雜零件的能力，和由此產(chǎn)生的能源效率的提高，可以從疊層制造中獲得最大的環(huán)境效益。

未來的機遇

疊層制造對于生產(chǎn)少量專門零件或產(chǎn)品非常有效。其潛在的環(huán)境優(yōu)勢目前在于按需制造零部件，特別是在制造降低產(chǎn)品使用過程中能耗的專用零件方面。隨著技術(shù)的不斷進步，其他收益可能會實現(xiàn)。

雖然有人聲稱這項技術(shù)對環(huán)境有利，但重要的是要認(rèn)識到這些系統(tǒng)的設(shè)計并沒有考慮到環(huán)境效益。雖然一些3D打印應(yīng)用可能不符合環(huán)境要求，但有許多改進的機會還沒有得到實現(xiàn)。第一步是對生產(chǎn)3D打印材料的環(huán)境影響、3D產(chǎn)品是如何使用的以及它們產(chǎn)生的廢物進行更多的研究。

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編輯：董強