3D打印是环境的胜利吗?

包括我自己在内的技术爱好者环保人士，把3D打印革命吹捧为一种可以消除制造业浪费的福音。但这是真的吗?即使这是真的，与额外消耗的能量相比，它重要吗?那么毒素呢——它释放得多还是少呢?

以前没有人以全面、定量的方式做过这种比较，所以我和加州大学伯克利分校机械工程系的一些同事开始寻找答案。结果既棘手又令人惊讶。

首先，让我们打破一个神话:3D打印并不意味着零浪费。现在有很多种3D打印机，以非常不同的方式制作东西;我们测量了两种。一种“FDM”机器(如aRepRap或Makerbot如果你的模型在打印时不需要任何支持材料来支撑它，实际上可以有一个可以忽略不计的百分比的浪费。(这是一个很大的“如果”。)但我们发现，喷墨3D打印机(可以放置聚合墨水并一层一层地紫外线固化)浪费了40%到45%的墨水，甚至不包括支撑材料，而且无法回收。其他研究其他类型3D打印机的研究人员也发现其中一些打印机存在大量浪费。

为了看看3D打印是否会成为可持续发展的赢家，我们将其与计算机控制的机械加工竞彩足球app怎么下载(从一块材料开始，切掉你不想要的东西)进行了比较。我们只研究了用塑料加工东西，因为这就是FDM和喷墨3D打印机的工作。让我们清楚一点:大多数塑料消费产品不是经过机械加工的;他们射出成型。但3D打印不会取代注塑成型的大规模生产产品(成百万的塑料部件)。它取代了小型机加工(1台，10台，也许1000台)。

通过对两台3D打印机和CNC磨机进行生命周期评估(LCA)，我们对它们进行了比较，包括机器本身的材料和制造、运输、能源使用、最终零件的材料、浪费的材料和机器的报废处理。好用的买球外围app网站

这项研究的一个棘手的部分是，你不能仅仅比较这些机器每年的生态影响，甚至每小时的使用，因为它们的运行方式是如此不同。你可能会在CNC铣床上花半个小时制作一个零件，而用喷墨打印机打印则需要三个小时。因此，为了在工具之间进行比较，我们决定在所有三台机器上分别制造两个部件，并计算出每个部件每年对生态的影响。

决定获胜者可真是一场赛马比赛。首先,我们发现更多关于你使用的工具的工具本身——任何一个机器生产一部分运行一周一次,但其余的时间大约有10倍的环境影响在同一台机器生产部分所有的时间(尽可能接近24/7生产)。在大多数情况下，这个10倍的差异比机器之间的差异大得多。因此，可持续原型设计的最佳策略是共享工具:让最少的机器运行最多的作业。在这种情况下，就业商店可以合法地辩称，他们为客户提供了经济和环境优势。

一旦你在高生产率使用每种工具，FDM打印机是赢家。它的影响比喷墨3D打印机的一半或更少，比工厂的影响少三分之一左右。然而,每台机器有很大的变化,这取决于每个使用——它有助于印刷FDM空心部分90%,与喷墨打印在同一时间多个部分,并开始与尽可能小的一块原料磨;零件的方向也很重要。因此，比较喷墨打印机和磨坊并没有给出一个明确的赢家。喷墨打印机通常得分较低，但在它以最高效率运行而工厂没有的情况下得分较高。

FDM的领先优势更加明显。事实上，当你每周只生产一次零件时，只要你在不使用它的时候把它完全关掉，它的生产效率仍然和喷墨机和数控机床一样好。对于使用Makerbots等业余爱好者级别的FDM机器的人来说，这是一个好消息。所有这些快速成型方法的得分都低于注射成型(我们只是使用库存数据，而不是新的测量数据)，但正如前面提到的，这不是一个公平的比较;我们只把它作为一个基准。

上图显示了结果single-score“点”消失在顶部显示结果的变异程度——每个工具可能分数以及衰落的底部,或分数一样严重的顶部栏,根据使用场景和基本数据的不确定性。这些“要点”是一种比较不同环境影响的苹果和桔子的方法。这些机器中的大多数LCAs只测量能量的使用，但这是不够的。对于我们的高使用场景，如果我们只测量能耗，铣床将获得最好的分数。但如果我们只衡量浪费，工厂的得分会最差。

那么，我们如何公平地比较这些因素，以及其他因素，比如毒性?我们使用了一种名为“配方端点H”的LCA方法，将所有这些影响——每百万颗粒物中二氧化碳的千克数，每公顷土地等等——归为相同的单位，然后按严重程度进行称重。像这样的单分方法绝对不完美，但有一个可靠的科学方法来比较不同的影响，避免了产品设计师、车间老板、原型实验室经理或其他决策者(他们都不是环境科学家)通过未经教育的猜测来比较这些环境和健康的影响。为了对冲我们的赌注，我们还运行了另一个单分数加权系统的数字(IMPACT 2002+)。令人高兴的是，我们得到了同样的结果。

3D打印机的影响主要来自电力使用，这只是一个简单的时间函数，所以任何减少运行时间的东西也会减少对生态的影响。工厂的影响主要来自材料的使用和浪费，但能源的使用也很重要。如上所示，当机器以高利用率运行时，用于制造机器本身的资源和制造只是影响的一小部分;但是如果你每周只生产一个零件，这些具体的影响对FDM和工厂来说是很重要的。

最后的结论是，如果使用合适的3D打印技术(FDM)， 3D打印可以更环保;但是，最大的环境胜利来自于共享最少的工具，这样每个工具都能得到最大的利用。如果你想知道更多，完整的研究(包括更详细的方法和结果，包括对所有22种研究方案按来源分类的影响分析)已经提交给了《快速原型》杂志。要有耐心,虽然;经过同行评议的学术出版物需要一年或更长时间才能出版。

(非常感谢劳伦斯伯克利国家实验室人工光合作用联合中心和加州大学伯克利分校机械工程机械车间使用了他们的工具。)

三维打印图像的四叶设计通过Flickr fdecomite