绿色环保无污染？3D打印没有你想的这么好

在过去的十年里，3D打印已经成功捕获了公众、工程师和环境梦想家的想象力。它被誉为制造业的一场革命，也是大幅度改善环境的机会。

3D打印有两个关键属性，正是这两个属性让爱好者称之为“绿色”技术。首先，许多3D打印系统很少产生浪费，与传统的制造技术（如注塑、铸造、冲压和切割）不同。其次，家庭、商店和社区中心的3D打印机可以使用数字设计在现场制造产品，减少向终端用户运输产品的需求。

然而，对3D打印环境性能的定量分析是有限的。它大部分只集中在生产过程中使用的能量上，并没有包括原材料生产、产品本身的使用或废物管理的影响。为了填补这个空白，我们组织发表了一期耶鲁大学《工业生态学杂志》的特别版。我们发现，对大幅度改善环境可能性的兴奋需要通过理解这项技术如何实施以及目前的发展状况来缓解。

主要用于工业

看过3D打印机的大多数消费者都知道它们很小，是类似于喷墨打印机的箱形机器。这些系统可以制造简单的产品，如门挡、开瓶器和购物袋把手，且通常由单一材料制成。

事实上，3D打印是一系列主要用于工业的技术，这被称为叠层制造。这些系统基于数字信息通过添加连续的材料层生成物体。这些物品然后被进一步加工和组装成产品，如喷气机引擎组件、助听器、医用植入物和用于工业设备的许多不同类型的复杂零件。因此，叠层制造是对传统制造工艺的补充，不是他们的替代品。

几十年来，工业界一直使用叠层制造来创造用于产品设计和生产计划的原型。现在，这些技术变得越来越成熟，并被用于制造终端用途的零件和产品。

叠层制造对于以比传统制造更低的成本生产定制零件和小批量复杂物体特别有用，传统制造通常需要耗时，以及昂贵的生产设备准备。

按需生产垃圾？

我们对新兴研究的审视表明，叠层制造并不会自动对环境有利。以这种方式生产的零件通常需要额外的加工来赋予它们正确的尺寸或外观。这可能消耗资源或产生进一步的环境影响。

我们审视的大部分研究表明，叠层制造设备如何配置、操作设置以及关于加工细节的选择——例如添加层的厚度——对整体环境性能有很大影响。科学家们也开始调查在使用叠层制造机械过程中暴露于微小塑料颗粒的排放和安全隐患。

重要的是，叠层制造不是一个固有的无浪费过程。例如，一些技术要求在生产过程中使用临时支撑结构，以防止物体在成形时翘曲或塌陷。这些支撑体无法总是被再加工成原材料。同样需要考虑的是，用叠层制造的零件中使用的塑料、金属或混合材料是否可以被回收利用。

另一个担忧是按需生产和无休止的定制可能导致一次性消费品的急剧增加，或者一些评论家所说的“垃圾”。按需生产各种颜色或设计的鞋子、服装首饰或家居用品，可以将“快时尚”推向一个全新的水平。

实现环境效益

与此同时，去中心化的定制生产是一个耐人寻味的环境机遇。它源于在当地工厂生产物品的愿景，或者甚至在家里，并且只制造所需的特定产品，而不是在远处整批生产，然后大量装运和入库。

然而，目前大多数可以用这种方式生产的产品必须足够简单到能够在入门级3D打印机上生产，且通常由单一材料制成。更重要的是，加工用于叠层制造的原材料比用传统制造技术制造和将最终产品运送给终端用户，消耗更多的能量。

通过叠层制造生产的零件具有延长产品寿命的真正潜力，虽然它也可以让老旧、能效较低的设备使用更长时间。为了使这成为一种常见的选择，一些零件需要专门设计成通过叠层制造来生产。

然而，在这一方面，知识产权问题可能构成重大挑战。3D打印机的用户可能没有合法权利从原始生产商创造的设计中生产零件和产品。这些生产商可能不认为允许使用这种设计符合他们的经济利益。3D打印机的用户可能想为，比如说，一辆旧汽车，生产零部件，但是汽车制造商可能不想分享这些零件的设计。

叠层制造有强大的能力生产形状和内部空间非常复杂的物体——例如能够减轻重量的飞机专用部件，从而降低燃料消耗和温室气体排放。许多研究人员认为制造如此复杂零件的能力，和由此产生的能源效率的提高，可以从叠层制造中获得最大的环境效益。

未来的机遇

叠层制造对于生产少量专门零件或产品非常有效。其潜在的环境优势目前在于按需制造零部件，特别是在制造降低产品使用过程中能耗的专用零件方面。随着技术的不断进步，其他收益可能会实现。

虽然有人声称这项技术对环境有利，但重要的是要认识到这些系统的设计并没有考虑到环境效益。虽然一些3D打印应用可能不符合环境要求，但有许多改进的机会还没有得到实现。第一步是对生产3D打印材料的环境影响、3D产品是如何使用的以及它们产生的废物进行更多的研究。