取材自engineering.com的文章How Green Is 3D Printing,作者是Michael Molitch-Hou

 

3D列印是一項相當新的技術,它還沒有完全整合至大型製造供應鏈中,代表它還有以不同方式完成工作的機會。昔日工業革命所建立的企業經常會遇到煙囪、有毒廢水、漂流垃圾及致命的勞動條件等棘手問題,但包括3D列印在內的先進製造技術則可能帶來道德雇用、閉環製造及環保材料等優勢。

 

如果3D列印要對21世紀的環保工業革命做出貢獻,那我們就必須以永續生產的觀點審視3D列印的優缺點。3D列印如何在協助製造及遞送產品的同時又不對生態系統造成負面衝擊?3D列印在帶來這種正面改變的時候會遇到什麼阻礙?

 

加式與減式製造

 

3D列印的加式製造本質意味物件是以一層層的方式建造,因此和CNC切削等減式製造法相比,其產生的廢料較少,例如CNC機可能會由實心不銹鋼切除不要的ㄧ部分,而加式製造法只有在材料無法回收使用的時候才當成廢料。

 

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CFM International的燃料噴嘴以3D列印使零件數由18降為1

 

此外,3D列印可以製造幾何形狀複雜的零件,這是傳統技術所無法達成的。GE AviationSafran Aircraft Engines經由合資公司CFM International展示一款3D列印的LEAP噴射引擎燃料噴嘴,它可以將組裝零件數由18降為1,並且可以提升飛機引擎的效率,將燃油消耗及二氧化碳排放量降低15%

 

至於3D列印是否比傳統製造法來的生態友善,產業分析師Terry Wohlers表示要視情況而定,有些疊加製造(AM)技術會產生相當多的廢料,例如製程中使用的支撐材料或無法再利用的雷射燒結粉末,金屬粉末的回收使用率相對高很多(和聚合物粉末相比),所以對環境較為友善。談到有關飛機及汽車的輕量結構設計時,則環境效益要比節省燃油來的重要,同時使用的材料也比較少。

 

2014年直接金屬雷射燒結(DMLS)3D印表機製造商EOSAirbus合作進行一項研究,以製造鈦航空支架來比較DMLS與快速包膜鑄造法的環境生命週期效益,以及利用3D列印提供的幾何複雜度對支架進行重新設計。

 

然後再以多種不同的要件分析支架的生命週期,包括實際製造支架過程中的能源消耗及二氧化碳排放,以及實際使用該支架的飛機能源消耗及二氧化碳排放。研究結果顯示針對3D列印進行的最適化設計在支架的整個生命週期可以降低40%的二氧化碳排放,並讓飛機重量減輕10公斤。

 

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上圖左邊是傳統的支架設計,右邊是針對3D列印進行最適化的支架(照片來源Airbus Group Innovations

 

就廢料而言,3D列印是綠色製造技術?

 

就廢料而言,3D列印法也比鑄造法降低了25%,該研究顯示雖然這兩種技術的能源消耗相近,但鑄造法實際產生的二氧化碳卻高得多,因為陶瓷模具要在高溫爐中燒除。

 

3D列印得到的產品在使用時有更高的能源效益,二氧化碳排放因為重量減輕10公斤及最適化的幾何形狀得以降低40%,大大提高客戶使用意願。

 

 

 

分散製造

 

依據2015EU的研究,海空運輸會有3%-4%的溫室氣體排放,雖然佔比很小,但如果放任不管,到2050年這個比率就會飆高至17%

 

如果加入其他形式的貨物運輸,這個比率還會更高。空氣及廢棄物管理協會2007年的報告指出貨物運輸(包括重型貨車、鐵路及水路運輸)的二氧化碳排放量在美國超過25%,在歐洲超過30%,這些數字還不包括全球運輸業所產生的其他毒性副產品,例如船隻所用的高硫燃料會造成海洋的酸化。

 

但是3D列印的問世讓分散製造變為可行,目前的製造模式包含切割成一段段的集中化製造工廠的供應鏈,如果日後大部分的最終產品都可以用3D列印進行製造,那麼就可以在地及依需求的方式來3D列印物件,實現分散製造的模式。

 

目前只有少數公司致力於這種模式,領頭羊是3D列印網絡公司3D Hubs3D Hubs登錄的3D印表機有25,000台,並且工業機的數量持續增加,六大洲的消費者可以經由其網絡直接向在地的3D印表機擁有者訂購3D列印物件。

 

這樣一來,貨物所需要的運輸就由跨國越洋縮減成國境內遞送,因而降低貨運業的碳足跡,同時也讓消費者有認識在地製造商的機會,並瞭解3D列印過程。

 

3D印表機之類的數位製造機器正轉變為未來的工廠,它們讓消費產品可以在有需求的時候才進行製造,並且更為貼近購買點,消除過度製造及運輸所產生的廢棄物,3D Hubs透過讓消費者直接接觸製造者的方式加速實現未來工廠的概念。

 

目前3D Hubs有多種不同的3D列印技術可資利用,包括工業級塑料及金屬3D印表機,與更為平價的桌上型印表機。因為工業互聯網已開始成形,製造技術的成本降低,並且採用率也持續提升,可以預見更多的製造系統會加入互聯網。

 

例如桌上型水刀切割系統的製造商正尋求資金開發其產品,也有許多低價雷射切割及CNC切削系統摩拳擦掌準備進入這一場平價製造革命。一旦所有的機器都經由像3D Hubs之類的平台網絡化之後,更大量的產品就可以經由分散製造模式來生產。

 

閉環製造

 

依據世界銀行2012年的研究報告,人類每年製造26億磅的垃圾,其中46%是美國等高收入國家製造,這其中的59%又是以掩埋處理。

 

該報告也指出消費者產生的廢棄物約佔全球溫室氣體排放量的5%,這表示除了污染土地及飲用水之外,垃圾也會污染空氣。當然,消費者對廢棄物的產生要負擔一部分的責任,但政府機構及製造者也難辭其咎,因為生產者持續製造無法回收及無法生物分解的產品,而政府機構也睜一隻眼閉一隻眼。

 

除此之外,一些公眾回收計畫可能也無法適當處理消費者交給他們的廢棄物,例如美國只有7種不同的塑膠分類碼,簡略地把許多不同種類的塑膠歸併在同一類,而中國大陸卻有140種分類碼,將不同的塑膠進行詳細的分類。

 

如果是3D列印用的塑料,那問題更形嚴重。在美國,雖然頭兩種塑膠回收碼包含寶特瓶及牛奶罐等常見的消費產品,但熔融線材製造法(FFF)最常用的3D列印材料卻歸在其他類,這個籠統的類別包含PLA及常用來製造汽車儀錶板及樂高積木的ABS

 

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刻寫在3D列印物件中的PLA符號,可以增加3D列印材料的可回收性

 

基於這個原因,密西根科技大學副教授Joshua Pearce籌設開放式永續科技小組,提出更廣泛的分類系統,讓3D印表機的使用者可以將自己的回收碼嵌在3D列印物件上,例如以ABS製得的物件就可以嵌上ABS回收標誌,讓它們可以回收及再使用來製造其他的ABS產品。

 

為了實現分散製造生態系統,這是必要的工作,因為3D印表機的擁有者可以依據代碼來回收之前列印的物件。Joshua Pearce小組也開發了一種可以將塑膠廢棄物轉換成3D列印線材的裝置RecycleBot

 

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塑膠牛奶罐轉換成3D列印線材的回收過程

 

針對RecycleBot的研究持續在進行,希望能降低建造機器的成本及擴大其可以使用的材料範圍,例如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。開放式永續科技小組也推出一組新的RecycleBot,其中AC版本適合電力穩定的區域使用,而DC版本則是以太陽能供給電力。

 

Pearce3D Hubs實施的分散製造模式往前推進一步,期望消費者能夠變為專業消費者,在需要的時候可以自己列印3D物件,並且可以回收廢棄物將其轉變為可以再使用的3D印表機線材。當RecycleBot3D列印結合時,人們可以將垃圾變為有用的資源,這種分配回收模式比傳統回收模式對環境更好。

 

我們向真正的分散製造更近了一步,個人可以從免費的開放源數位計畫為自己製造客製化產品,經濟效益顯然有利於這種轉變,隨著設計數量持續的攀升,免費、開放源3D印表機也將持續變得先進、容易使用且材料的選擇也更為廣泛。

 

分散製造的障礙

 

分散製造模式要能成形,必須建立茁壯的開放源設計社群,以及穩定、深受敬重、高品質信息庫的可供3D列印的設計。

 

數年前這個社群應該就是MakerBot's Thingiverse,不幸的是MakerBot搞砸了,這家開放源硬體世界的公司違背初衷,並且品質及文件都在倒退,讓整個社群退步了好幾年。MakerBot因為改變授權協議,明顯違反製造者社群的精神,使其與廣大的製造者社群疏遠。

 

自此之後,可供3D列印的模型就沒有集中化的處所,也使得高品質設計及創新的真正社群更難以出現。

 

低價、開放源3D列印技術也需要改進,雖然像Aleph Objects之類的公司已經將列印床自動校準及校正等重要特性納入開放源3D印表機中,但這還不夠,我們需要更多的進展,特別是關於多材料、複合材料及像金屬的先進材料。

 

Pearce小組也開發了一款金屬3D印表機,它可以用現成的組件建造並且花費低於2,000美元。這台機器使用金屬電弧焊機來加熱金屬線軸,在閉環製造系統,金屬原料可能來自回收的鋁罐。

 

公平交易線材

 

3D列印變得更普遍的時候,不但需要新的回收碼,同時也需要道德產品標準,其中材料回收者提供3D印表機線材給其他人。和其他形式的道德製造解決方案類似

 

一些組織及企業早已經有這樣的概念,例如印度的Protoprint已經訓練當地的廢棄物撿拾者將塑膠瓶轉變成高密度聚乙烯(HDPE)3D印表機線材。傳統上,當地人在垃圾堆裡找尋回收材料再將它賣給回收中心的收入低於2美元/天,但現在Protoprint訓練廢棄物撿拾者操作這些回收廢棄物的機器。

 

一旦經過訓練,這些操作線材製造機的人就可以自己販賣3D印表機線材,因為Protoprint會繼續訓練下一組人。這個模式讓廢棄物撿拾者擁有可行銷的技能及自己的線材事業。目前Protoprint3D列印材料的品質上遇到一些問題,HDPE在列印的時候會有明顯的捲翹,Protoprint正在想辦法解決。

 

生態友善線材

 

雖然FFF 3D印表機的擁有者可以用RecycleBot或者其他市售的線材製造機(例如Filabot)製造自己的線材,但這個技術對新手來說就沒那麼容易,另一方面,熟手也不見得有時間自製線材。

 

還好有很多公司可以效勞,例如RefilInnofil3D3DomFuel等都有從廢棄物製造線材的業務,例如從汽車儀錶板回收ABS,從飲料瓶回收PET,從舊冰箱回收耐衝擊聚苯乙烯(HIPS)。一家升級再造(upcycling)公司TerraCycle3D Brooklyn結盟,從回收的洋芋片袋製造線材。3DomFuel除了從NatureWorks的玉米澱粉塑料製造生物可分解的PLA之外,也從咖啡渣及啤酒製程的副產品製造線材。

 

3DomFuel首席行銷官John Schneider談到該公司使用生態友善材料開發3D-Fuel線材的好處,3D-Fuel使用正牌NatureWorks Ingeo 3D列印樹脂做為核心成分,這樣做的好處之一是我們對環境衝擊可以有比較好的概念。我們保持永續的另一種方式是在線材中使用生態廢棄物,例如從咖啡、啤酒、大麻得到的廢棄物,我們將這些廢棄物掺入3D列印線材中而賦予它們新生命,我們的產品很少不是以生物為基礎的,例如我們的Biome3D線材具有許多ABS的特性,但卻是100%以生物為基礎。我們的線材捲軸是由回收的HIPS製得,它雖然是以石油為基礎的材料,但也是很容易回收的塑料

 

3DomFuel執行長Matthew Stegall表示該公司的主要目標就是降低3D列印材料對垃圾掩埋場的衝擊,PLA雖然具有生物可分解性,在傳統的垃圾掩埋場仍然需要數十年的時間才能生物分解,但如果以工業廢棄物系統來處理,則只要三到六個月的時間就能分解。

 

藉著將天然廢棄物材料(例如咖啡渣或大麻纖維)與PLA結合,該公司不但可以把要丟棄的副產品再利用,同時也可以增加3D列印材料的生物可分解性。

 

塑料及金屬引起的健康問題

 

雖然這些材料對空氣、土地及水可能比較好,但是對3D印表機使用者本身可能會造成潛在的危害。許多研究顯示桌上型3D印表機會產生超細顆粒(UFPs)及揮發性有機化合物,吸入的時候可能會引起肺部發炎,嚴重的時候甚至會造成心臟病及肺病。

 

其中以ABS的毒性最強,它產生的超細顆粒比環境基線高出345倍,並且經由排氣過程釋出副產品,例如乙苯、異戊醛及乙醛,吸入這些副產品會對健康造成負面影響,就毒性而言,雖然PLA安全得多,但是吸入超細顆粒仍然會造成過敏。

 

因為這個原因,桌上型3D印表機製造商會在機器中裝設HEPA或其他過濾器,以採取預防措施。對常作為教育用途的消費型印表機而言,這顯得特別重要。

 

工業印表機在使用上可能也有危險,例如和金屬3D列印有關的微細金屬粉末及可燃性環境,操作這些機器的大部分場地都可能採取必要的預防措施,例如要求機器操作員穿戴呼吸器及手套。

 

改變心態及材料

 

上述生態友善的發展,許多將會持續發展,但是,目前在全球經濟體系行之多年的非永續作業也將持續發展,最近許多大型石化公司加入3D列印產業並推出自己的熱塑性材料,例如化學巨人杜邦(DuPont)已經和taulman3D結盟,製造T-Lyne線材,拜耳(Bayer)的子公司CovestroPolymaker合作製造聚碳酸酯,這些線材是由衍生自石油的塑料製成,並且最後也會產生一堆塑膠廢料。

 

從塑膠經濟向更永續的方向轉變到底需要些什麼,Terry Wohlers表示動機主要來自經濟效益,易言之,如果永續材料產出較便宜的產品,那就會建立消費需求;如果這些材料製造出來的產品又貴效能又差,那就很難得到廣泛的認同。

 

另一種可能性是改變以由下而上的方式進行,雖然經濟通常是大型公司的決定因素,但他們也越來越屈服於公眾認知及壓力。

 

永續性及3D列印的未來

 

Divergent 3D已經開始使用3D列印來全面檢視汽車製造業,希望能夠減少這個世界上最大產業之一的碳足跡。該公司的執行長Kevin Czinger表示製造汽車所產生的溫室氣體排放實際上遠超過個別駕駛人所產生者。事實上製造車用電池馬達的過程就產生很多的溫室氣體排放。

 

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描繪與製造及駕駛車輛有關的排放量圖表,包括最右方來自Divergent 3D的排放量

 

Divergent 3D建造車體的方式是用一系列3D列印的金屬莖節來連接碳纖維棒,生成更輕且更節能的結構,而不是依賴大量金屬沖壓裝置來製造車身底盤。不論這些汽車是用氣動或電動傳動系統,它們最終還是比較輕,且其製造過程對環境的毒性輕得多。

 

因為3D列印是一項相當新的技術,貨品是以完全不同的方式製得,所以在材料的採購、運送及設計上都有新的機會。使用永續材料、在地及依需製造、高效率的幾何形狀及完全獨特的商業模式,讓3D列印帶動的第三次工業革命也成為第一次綠色革命。

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