3D打印如何切实助力可持续制造加速发展

• 3D打印技术已从以较低成本快速制作工具和原型的手段，发展为解决复杂工程设计问题的方式。

• 3D打印（又称增材制造）可以降低制造业的环境影响，并开发更具可持续性的产品。

• 在航空航天及其他行业扩大3D打印的应用，将有助于减轻制造业的环境影响。

3D打印技术已从以较低成本快速制作工具和原型的手段，发展为解决复杂工程设计问题的方式。与3D打印相关的设计自由度提升，使制造商能够打造功能更强、耐用性更佳的差异化产品，同时降低成本并缩短交付周期。

如今，3D打印（又称增材制造）可以降低制造业的环境影响，并开发更具可持续性的产品。制造业占全球温室气体排放量的12%，数据来源：气候与能源解决方案中心（The Center for Climate and Energy Solutions）。

与标准制造技术相比，3D打印可以更具可持续性，因为它所需材料更少、机械加工工序更少，产生的废料也更少。其设计更轻，且往往具有更灵活的几何形态，使得从航空航天到医疗器械再到体育用品等行业都能实现更环保的产品创新。

可持续制造

要了解增材制造对制造业碳足迹可能产生的积极影响之大小，不妨想想一架飞机上的数百万个零部件。在波音公司，我们开展生命周期评估，以量化我们的飞机从材料开采、零件制造直至退役期间对环境的影响。

在我们787梦幻客机的客舱厨房中，我们利用3D打印制造了一千多个支架，结果发现，这些零件在碳排放、填埋废物和危险材料、水及能源使用方面可减少30%至39%。我们不再从大块金属上切削掉多余材料来制作支架，而是将钛丝送入等离子场中，使材料高效熔化并逐层堆积，从而形成实体构件。这一更快速且材料利用率更高的工艺，减少了水、材料和能源的消耗，同时减少了标准机械加工工艺中多余材料的浪费和润滑剂的使用。

在另一个案例中，我们通过将数万个部件整合在一起，降低了卫星载荷制造和组装过程中的碳足迹。我们将原本需要用于连接各个部件的数千个次级紧固件予以取消，改为将它们整体打印为一个部件。我们还通过粉末床激光熔融这一增材制造工艺，取消了其他一些易发生故障的结构，例如焊接和钎焊连接处。

在这项技术中，激光束逐层照射比人类头发还薄的粉末层，一次一层，从而制造出三维物体。每一层都对应待打印零件的“切片”计算机模型几何形状，模型中的切片厚度与打印层厚度相同。激光使粉末熔化，使粉末颗粒融合在一起，随后迅速凝固成实体。接着再铺设新的粉末层，重复该过程，直至零件制成。

这种3D打印方法不仅降低了制造构成卫星诸多关键部分的组件时产生的碳排放和废料，还消除了制造、仓储、运输、检测、测试和组装那些已不再使用的次级紧固件所涉及的碳排放。

可持续产品

得益于更灵活的几何设计能力以及材料废料的减少，增材制造正在激发环境可持续的产品创新。在航空航天领域，3D打印使制造更轻、更省油的飞机成为可能。

例如，我们通过优化支架设计并采用激光粉末床熔融进行打印，使一个用于我们波音EcoDemonstrator飞机（用于开发和测试新技术）上的复杂火灾探测器支架的重量减轻了31%。优化后的3D打印设计使我们能够制造出一种轻量化部件，而这种部件若采用传统方法是无法制造的。

由于该零件的传统制造工艺依赖金属板材，且不需要大量材料或机械加工资源，因此采用3D打印制造时的碳足迹略高于标准制造工艺。但是，这一更轻的3D打印零件使飞机在整个服役周期内的燃油消耗和碳排放降低了19%，远远抵消了3D打印过程中碳排放的小幅增加。

通过3D打印，易出现缺陷的焊接以及相关质量问题也得以消除。该零件以往的传统制造工艺包括金属板材轧制、激光切割，以及在12处进行金属焊接连接，常常导致需要修正的质量问题。

借助3D打印迈向更可持续的工业时代

诚然，增材制造并非总能降低制造工厂中的环境影响。企业必须评估引入3D打印的价值，尤其是在转换那些传统上不需要大量材料和机械加工资源的部件时。应当努力纳入3D打印目前可实现的设计改进，这些改进能够增加价值，并在部件服役期间带来更环保的运营，例如减轻重量，或提升耐用性、质量和性能。

我们才刚刚开始挖掘3D打印技术的全部潜力，以迎接更绿色、更清洁的制造时代。显而易见，增材制造对于未来更具可持续性的飞行至关重要。随着我们利用3D打印制造能够贴合飞机内不规则形状空腔的零件，飞机将变得更轻、更流线化且更省油。此外，还将引入新材料和再生材料，其回收所需的环境资源更少。

在航空航天及其他行业扩大3D打印的应用，将有助于减轻制造业的环境影响。鉴于在应对未来气候挑战的过程中，减少温室气体排放已迫在眉睫，将增材制造引入我们的工艺，将推动以更环保的方式开发可持续的创新和产品。