碳中和是2021年最熱的關(guan) 鍵詞之一。隨著國家戰略出台，碳中和的關(guan) 鍵技術路線圖也漸漸清晰，主流觀點有六大路線：源頭減量、能源替代、節能提效、能源回收利用、工藝改造和碳捕捉。增材製造一直被認為(wei) 是製造業(ye) 數字化轉型的關(guan) 鍵技術，盡管它目前還存在著不盡如人意的地方，但是人們(men) 普遍認為(wei) 這是一種具有巨大發展潛力和想象力的技術，代表著數字化轉型的重要發展方向之一。

那麽(me) 3D打印技術能否成為(wei) 應對氣候變化、碳中和大戰略數字化轉型的關(guan) 鍵支撐技術呢？答案並非那麽(me) 簡單！安世亞(ya) 太公司深耕增材製造產(chan) 業(ye) 化應用多年，深刻認同增材製造在未來數字化製造變革中的核心地位，基於(yu) 多年的項目經驗和思考沉澱，將在本文中詳細闡述該技術對碳中和的重要價(jia) 值。

本文也是安世亞(ya) 太“增材思維 數智未來”係列文章的第二篇（第一篇：挑戰與(yu) 機遇並存：增材製造的數字化智造未來），接下來將陸續推出智能設計、成本控製、多源技術融合、新能源應用等方麵的專(zhuan) 欄文章，闡述增材製造的數字化未來。

當下3D打印技術的碳足跡

現在的3D打印是低碳環保的技術嗎？答案恐怕是不確定的。

近期世界上一些研究機構基於(yu) 公認比較科學的碳足跡計算方法：生命周期評估法（LCA法），考慮產(chan) 品或服務在生命周期內(nei) 所有輸入或輸出數據得出總的碳排放量來評估3D打印技術對工業(ye) 產(chan) 品的影響。

2020年，卡達爾基金會(hui) 讚助了一項關(guan) 於(yu) 建築混凝土3D打印應用對環境的影響的研究，項目考慮了四種不同的施工情景：

傳(chuan) 統施工

鋼筋混凝土的3D打印施工

無鋼筋的混凝土3D打印施工

替代混凝土的混合物3D打印施工

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

圖1：4種施工條件下建築混凝土3D打印應用對環境的影響

研究發現，與(yu) 傳(chuan) 統的施工方法相比，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）、富營養(yang) 化潛能值（EP）、煙霧形成潛能值（SFP）和化石燃料耗損（FFD）方麵顯著降低環境影響。第四種通過混料增強方式的混凝土3D打印的施工方式顯示出進一步降低環境影響的效果。這些發現為(wei) 建築業(ye) 的未來製造方向提供了支持，建築業(ye) 下一步不僅(jin) 要研究3D打印的基礎設施，還要探索新型的可打印材料，以維護建築結構的完整性並減少對環境的負麵影響。

2020年11月，荷蘭(lan) TUDelft大學對比了常見的增材金屬，如鋁、不鏽鋼和鈦合金傳(chuan) 統工藝和增材工藝，考慮到材料的冶煉，工藝能源、後處理、成型失敗導致的廢棄、打印過程的有害排放、增材金屬最終產(chan) 品使用、打印產(chan) 品的金屬材料的回收和再利用的各個(ge) 方麵，得出結論：每公斤鋁或不鏽鋼材料采用3D打印直接成型的碳足跡可能比傳(chuan) 統工藝高10倍。

不同行業(ye) 的最終產(chan) 品可能會(hui) 有不同的結論，如航空航天應用鈦合金由於(yu) 增材設計的減重效果明顯，碳足跡可能減少。但是對汽車應用來講，增材不一定有更好的碳足跡數據，主要的負麵影響還是粉末材料生產(chan) 過程產(chan) 生的排放過高。研究最後也表明由於(yu) 現在增材製造還沒有足夠的數據來建立可信的環境影響因子，需要有更全麵和標準化的LCA計算方法，考慮增材產(chan) 品全生命周期的各個(ge) 環節，並且能夠關(guan) 聯設計、材料、工藝參數、設備能源、完整生產(chan) 技術、物流等各個(ge) 環節。

圖2：3種鈦合金零件影響碳排放值，1號打印零件最高（體(ti) 現了無減重不增材的思想）

未來的3D打印技術與(yu) 碳中和

前麵幾篇研究都基於(yu) 當前3D打印的技術、碳排放狀態來映射對環境的影響，這樣的方法不具有動態時效性，筆者無法認同他們(men) 的結論合理。當我們(men) 以發展的眼光考慮整個(ge) 產(chan) 品生命周期時；原材料、製造、組裝、使用、維護和產(chan) 品壽命結束、循環的完整過程——3D打印在碳足跡方麵比傳(chuan) 統製造有相當大的優(you) 勢。

AMSE於(yu) 2017年度增材大會(hui) 上發布了一篇關(guan) 於(yu) 3D打印對環境的可持續影響的研究。這項研究中突破性的引入了3D打印工藝可持續性評估和改進的要素最終回歸至CAD文件，再結合生命周期評估LCA方法完成關(guan) 聯。研究的結論是：3D打印對環境的可持續發展有積極的作用，未來需要將3D打印材料製備生產(chan) 環節、及打印成型過程細化，做出更合理的LCA基準數據；同時建議3D打印可持續評估建模需要考慮環境、經濟、社會(hui) 等更多維度的效應，與(yu) 生命周期成本模型LCC方法掛鉤；最後研究表明對3D打印工藝可持續發展影響最大的是環境友好型材料的開發，這才是突破性的因素。

圖3：基於(yu) 3D打印工藝的CAD-LCA關(guan) 聯研究方法框架

2017年另一篇TUDelft發表在ELSEVIER的研究，以更高維度的模型，從(cong) 下至上的建模方式來考慮2050年增材製造和全球能源需求的關(guan) 聯。研究使用了演繹探索性情景（Shell殼牌2008首創的對未來能源技術的假設理論）建立了4個(ge) 場景，考慮全球對增材技術的合作態度，屬於(yu) 高度競爭(zheng) （Scramble）還是高度合作（blueprint）。另外考慮了AM增材對整個(ge) 社會(hui) 活動周期滲透度的程度，分為(wei) 低滲透（low AM impact=20%）和高滲透（high AM impact=80%）。研究針對航空業(ye) 飛機產(chan) 品的已有LCA數據分析，根據滲透程度不同，全球高競爭(zheng) 環境節能效果在5%-20%，全球合作環境節能效果可以提升到9%-25%。對建築行業(ye) 的計算結果類似，應用AM節能效果顯著，而且建築行業(ye) 的節能效果主要體(ti) 現在原材料的節約和建築使用過程保溫層的節能。最終這項研究將這套模型推演到整個(ge) 工業(ye) 領域，研究的結論是AM可以降低現有能源消耗的5%-27%，全球高度合作情景下節能潛力更為(wei) 明顯。

圖4：基於(yu) 演繹探索性情景研究方法框架的4個(ge) 增材技術未來場景

當我們(men) 把技術從(cong) 時間維度和應用廣度考慮進去時，增材製造是否低碳就不再是一個(ge) 單純的技術問題，而是一個(ge) 社會(hui) 和政策問題了。

3D打印技術走向碳中和的關(guan) 鍵要素

我們(men) 仍然試圖給這個(ge) 技術、社會(hui) 、經濟、政策交融的問題解耦，那麽(me) 先從(cong) 技術的維度來看3D打印應對碳中和核心要素是什麽(me) 。

1) 材料

3D打印可以減少碳足跡的一種關(guan) 鍵方式是對每個(ge) 零件、部件、產(chan) 品所用的材料減少。3D打印對比傳(chuan) 統製造的切削銑刨磨環節大大減少，最終產(chan) 品的材料使用率有巨大的提升。基於(yu) 再設計理念，通過DfAM設計能夠減少零部件5-25%的材料使用也是一個(ge) 行業(ye) 共識。潛在耗能的另一種方法是取代傳(chuan) 統設計中由高耗能量材料製成的零件。例如，車輛或設備中不一定每個(ge) 部件都需要金屬製成。在許多情況下，3D打印的聚合物或複合材料部件也可以給予同樣的性能。從(cong) 這個(ge) 角度，減材設計和材料取代設計的關(guan) 鍵都是正向設計，需要讓最適合的材料去製造最低碳的零部件。另外研發適合3D打印的環保材料也是這個(ge) 環節中最重要的要素之一。

2)製造

製造過程能源包含將原材料製成可用最終產(chan) 品的所有環節，包括製造、組裝和包裝。PBF為(wei) 工藝底層的3D打印工藝由於(yu) 高功率激光和成型環境，是通常人們(men) 認為(wei) 3D打印高耗能的原因。但是比如DLP打印工藝隻需使用注塑工具 1% 的能量。另外3D打印隻是製造眾(zhong) 多環節中的一個(ge) 核心步驟，全製造過程的能耗分析，才能智能匹配某個(ge) 產(chan) 品最適合的3D打印工藝。以低碳為(wei) 目標的智能產(chan) 線規劃是這個(ge) 環節的核心要素。

3) 運輸

現場和按需 3D打印製造減少了整體(ti) 能源浪費並減少了碳足跡。組裝、運輸、物流、維護、儲(chu) 存的環境成本完全或幾乎被消除。3D打印背後的支撐邏輯是以高效和有效的方式生產(chan) 價(jia) 格合理的產(chan) 品，因此它們(men) 耐用、重量更輕（在運輸時尤其有利）並且幾乎為(wei) 材料零浪費。重點是高質量、高效率和小批量製造。DfAM設計將通過幫助新產(chan) 品的設計和早期生產(chan) 階段消除庫存，實際產(chan) 品減重後可以降低運輸成本並改善能源和資源的使用。

我們(men) 當前全球航運和物流基礎設施的碳足跡大概占到人類總活動的30%, 3D打印支撐的分布式數字製造意味著更短的交貨時間以及更低的運輸能源。這個(ge) 未來不是靠“每個(ge) 家庭都有一台打印機”來支撐的，而是一個(ge) 能夠滿足區域需求的分散式增材製造節點網絡，智能生產(chan) 與(yu) 物流的協同規劃是這個(ge) 環節的核心要素。

4) 使用

3D打印帶給產(chan) 品的應該是外形、功能、性能和耐用性的提升，從(cong) 使用壽命上將會(hui) 帶來碳足跡的降低。正向設計，以最少的材料設計製造出最優(you) 的產(chan) 品是這個(ge) 環節中最重要的因素。

5) 循環

如所有工業(ye) 品循環再利用的瓶頸一樣，3D打印製品的核心問題在於(yu) 許用的判斷、回收的方式合再利用的標準。

6) 社會(hui) 及政策要素

現在3D打印產(chan) 值隻占工業(ye) 總產(chan) 值的0.1%以下，所以對3D打印產(chan) 品全生命周期的碳評估還沒有引起全世界政策上的廣泛關(guan) 注，但以發展的眼光看3D打印這項技術，從(cong) 政策維度還是應該有以下支撐：

製定碳足跡相關(guan) 的準則或標準，在3D打印製品要求節省原材料並且使用可回收的環保材料；

在AM最佳實踐基礎上，為(wei) 使用階段的產(chan) 品（包含房屋）製定能效標準；

在基於(yu) AM分布式製造理論下，製定產(chan) 品運輸能源使用的標準；

開源的AM設計庫來支持並鼓勵作為(wei) 備件產(chan) 品的維修和再利用；

為(wei) 工藝成型過程的碳足跡定基，為(wei) AM設備製定指導方針、最佳實踐合標準

結論與(yu) 展望

增材製造是重新設計-製造萬(wan) 物的通用技術，現存的每個(ge) 產(chan) 品，生活中的每個(ge) 不起眼的小物件都值得用DfAM和碳中和的價(jia) 值觀重構一遍。例如屋頂上安裝太陽能電池肯定會(hui) 對家庭的碳足跡產(chan) 生積極影響，但每天使用的耐用品製造方法的不那麽(me) 明顯的變化可能會(hui) 對碳足跡產(chan) 生更大的影響。

例如汽車產(chan) 業(ye) 的碳中和方案，可以將汽車作為(wei) 主體(ti) 和汽車環境體(ti) 兩(liang) 部分考慮。汽車作為(wei) 主體(ti) 主要考慮材料製造、零件製造、整車製造、行駛過程、及回收再利用。從(cong) 設計作為(wei) 原點開始改變，以碳中和為(wei) 目標的設計後整個(ge) 供應鏈會(hui) 隨之改變，在這點上3D打印和碳中和是相同的。此處設計指廣義(yi) 的頂層設計而不是狹義(yi) 的工程設計。例如在電動車的主體(ti) 中可以通過區塊鏈等技術，將電動車的電池進行全生命周期的碳足跡排查及優(you) 化設計方案，其中每個(ge) 環節中增材製造都能起到減碳的關(guan) 鍵作用。

圖5: TCT雜誌關(guan) 於(yu) 3d打印支撐的綠色製造概念

以汽車的大環境考慮碳中和目標，外部協同的對象主要是能源產(chan) 業(ye) 及交通產(chan) 業(ye) ，例如汽車主體(ti) 倒逼能源行業(ye) 減碳，那麽(me) 現在最火熱的氫能源和電能都有3D打印關(guan) 聯性發揮的空間。汽車主體(ti) 驅動交通環境改變，那就涉及到未來汽車的形態這種底層熱點討論了，對智能交通的想象不應停留在二維的平麵駕駛中，未來的交通為(wei) 什麽(me) 不能是三維空間起落式交通呢？在碳中和的大目標下，LCA和增材技術作為(wei) 支撐，0排放的飛行汽車也是可以暢想和模式設計的！

圖6: 來源Dave Brenner密歇根大學環境與(yu) 可持續發展學院