增材制造有助于加速循环经济

　　增材制造通常被视为是一种颠覆性的制造方式，因为它需要一些“混乱”才能有效实施。对于制造商而言，并不是购买一些设备然后点击“打印”那样简单。超越3D打印到真正的增材制造意味着重新思考供应链。

　　增材制造将需要不同的原料，因此必须确保材料供应商。产品将需要重新设计，以便可以通过增材制造有效地制造。生产周期或时间表也需要调整以适应不同的工艺流程。因此，客户的体验以及与最终产品的关系，很有可能会发生变化。

　　简而言之，转向增材制造并不容易，但回报可能是巨大的。增材制造的有效实施可以提供比传统同类产品使用更少的材料和功能更好的产品，减少材料的浪费和制造成本。3D打印支持按需制造，可以分布在客户附近，降低库存和运输成本。如果一家企业愿意致力于颠覆增材制造，那么潜在的好处可能远大于遇到的困难。

　　可持续性以类似的方式挑战传统制造业。可持续制造意味着以允许生产（和消费）尽可能长时间、甚至无限期进行的方式进行生产。这种运作模式与传统的线性供应链不一致。在线性经济中，原材料被提取后转化为产品（通常在此过程中产生废物），并最终被丢弃。

　　可持续制造意味着必须放弃线性的生产模式，转而追求一种更像自然界的循环经济系统，一种保存和再利用资源的经济，从材料原料到消耗品。可持续制造意味着我们必须放弃我们的线性模型，转而追求一种更像自然界中发现的系统的循环经济，一种保存和再利用资源的经济，从材料原料到消耗品。

　　从线性经济转向循环经济看起来很“混乱”，但实施可持续制造所需的“混乱”与增材制造所需的“混乱”非常相似，并有望获得同样的回报。增材制造和可持续发展都需要在材料、设计、制造、产品和报废方面中断供应链，并在这些中断中相互促进。

　　重新构想原料

　　当公司为现有产品实施增材制造时，他们必须面临的首要挑战之一与材料有关。虽然适用于增材制造的材料种类和数量正在增长，但不能保证与传统的注塑树脂、铸造合金或机加工材料等效。

　　同时，从传统工艺转向增材制造提供了重新思考材料的机会。例如钛这种材料很难加工，但易于打印。以前由钢铣削而成的零件，可能更容易通过粉末床熔合用钛进行3D打印。或者，机械加工的零件根本不需要金属，用3D打印塑料就能制成，更轻也更容易。

　　增材制造的设计优势在材料选择方面也发挥着重要作用。3D打印可以将组件的多个部分合并，通常只合并为一个部分。这种合并简化了生产和劳动力，但也减少了紧固件的使用和材料的使用数量。例如，将工具钢和铝焊接在一起的组件可以完全用尼龙零件代替。由此产生的产品可能更轻、更容易制造，但也更容易回收，因为它不需要先分解成单独的材料。

　　除了这些好处之外，3D打印还提供了一些独特的材料机会。越来越多的制造商正在提供用于3D打印的塑料，这些塑料由可回收资源制成以及由可再生植物来源制成的PLA等生物基聚合物。

　　用回收碳纤维和可生物降解材料（如木纤维）增强的复合材料也在开发中。在金属方面，回收材料的选择较少，但技术和材料供应商正在想出新的方法，将金属机械回收成全新的合金，使用加工芯片进行3D打印，将废料小批量雾化成金属粉末使用。

　　优化支持更高效的产品

　　制造设计是产品开发的最佳实践，但增材制造工程师关注的范围更广。增材制造设计不仅仅考虑相关部件的制造步骤，它还必须考虑材料（因为材料属性主要在打印过程中设置）、构建参数、零件方向、支撑结构和任何必要的后处理。增材制造大大扩展了设计范围，并要求工程师通过更长的链条来遵循设计初衷。这是一种思维方式的改变，同时也是一种组织和技术的改变。

　　虽然增材制造使设计阶段变得更加复杂，但增材制造也带来了新的可能性。用于拓扑优化、衍生式设计和仿真的高级软件工具帮助工程师获得更好的设计，而这些设计只能通过增材工艺生产。虽然3D打印的第一次用途是作为快速原型制作工具，但有限元分析和打印模拟工具，正指向依赖数字原型制作的可持续制造。

　　借助3D打印和软件驱动设计，材料可以准确地应用到需要的地方，并通过晶格等特征进行操作，从而在不同区域赋予不同的特性。“数码泡沫”的概念就是依靠这种能力。例如，整个鞋垫可以仅由一种材料制成，但使用不同的格子几何形状进行印刷，在需要某些特性的区域提供缓冲功能。

　　格子和蜂窝结构等设计特征，也可用于限制所需材料的数量并减轻零件的重量。在加工等过程中，从较大的材料中去除库存，目标是最大限度地减少加工过程。去除更多材料只会增加交货时间、成本和浪费。但是通过增材制造，最大限度地减少使用材料也会最大限度地减少这些其他因素。当应用于汽车和飞机等产品时，以这种方式设计的优化3D打印部件有助于降低燃料消耗并减少碳足迹。

　　事实上，一些下一代电动汽车和飞机通过增材制造和设计软件，才能让轻量化和性能优化成为现实。这些轻量级组件将有助于延长电池寿命、更长的飞行距离和更远的太空旅行。随着通过增材制造实现新设计，旅行和探索等人类活动将变得更节能和可持续。

　　随着零件或整个产品被重新解释为增材制造，增材制造设计还提供了机会来重新考虑零件在使用寿命结束后会发生什么。在设计阶段做出的决定，例如紧固件的使用、可更换部件和材料的多样性，将影响产品再制造或分解以供以后回收利用的难易程度。

　　数字化、分布式和按需

　　依赖模具、冲模或其他工具的传统制造通常在一个集中位置进行。制造商对这一基础设施的投资使得在这一地点保持生产、将物品储存在库存中，直到客户订购后将它们运送到指定地方变得切实可行。

　　然而，这种模式以一种可能阻碍供应链的方式延伸了供应链。正如我们在整个COVID-19大流行期间所看到的那样，将生产集中在一个地区会使快速灵活地响应世界其他地区的需求变得更加困难，尤其在旅行和贸易受限的情况下。制造只能以与其所需工具相称的规模进行，一旦制造工厂达到了产能极限，它既不能增加也不能轻易外包。另外，制造商必须预测需要什么，制造并保存在库存中。生产商在某些情况下会出现产能短缺，在另一些情况下会出现产能过剩。

　　然而，增材制造是数字制造。3D打印机不需要模具、切割工具或工件夹持解决方案。制作给定零件所需的只是适当的材料和数字文件。因此，产品可以作为文件保存在数字库中，并根据客户订单和趋势按需生产。生产可以“适当规模”生产所需的数量，从而减少库存和废品。

　　更重要的是，数字化制造可以是分布式制造。即使货物和人员无法跨越国界，零件文件也可以轻松跨越国界。拥有遍布全球的3D打印机和材料的企业可以轻松地转移生产以应对危机、需求增加或只是开放产能。或者，可以动员许多拥有适当设备的制造商一起生产，就像我们在用于冠状病毒检测的鼻咽拭子中看到的那样。

　　数字制造带来的灵活性还有另一个好处，能够在靠近客户的地方进行本地化生产。与一条长长的供应链不同，公司的所有产品都来自一个地点，制造可以分布在整个市场，创造出许多短的、富有弹性的供应链。

　　这种分布式制造模式使客户能够更快、更轻松地获得产品，并意味着在一个或多个地点的生产中断的情况下减少延迟和短缺。从制造商的角度看，回报是更安全、更灵活的工作流程，可以应对市场需求的波动，即使在紧急情况下也能不间断地生产。

　　此外，分布在物理位置的增材制造可能是一种更环保的生产方式。依赖3D打印的制造商通常可以占用比传统的集中式设施小得多的设施，整条生产线可以放在桌面上。而且，在本地为客户生产意味着更少的运输和减少碳足迹。在某些情况下，3D打印技术甚至可能比传统制造工艺更节能。

　　创造更好、更持久的商品

　　从历史上看，定制物品是常态，但自工业革命以来，我们已经习惯了大规模生产的商品。制造商提供预定尺寸、颜色和配置的产品，并不是因为这些是每个客户的最佳选择，而是因为它们在大规模生产时最有效。戒指、鞋子和介于两者之间的所有物品的数字尺寸都是这种标准化模型的遗物，消费者可以根据产品的需求来满足他们的需求，反之亦然。

　　当必须使用模具制造像运动鞋这样的商品时，限制尺寸选择的数量是有意义的，因为每个产品都需要自己的一套模具工具。为每个穿着者生产定制鞋需要太多的时间、成本，而简单地在同一产品上生产更多的变化无疑会导致更严重的库存和浪费问题。

　　增材制造的数字化、无工具化特性打破了这些障碍。3D打印机不是模具，而是对3D数据进行操作。如果可以从客户那里收集到足够的数据，那么只需通过软件操作即可将该信息转换为打印机可以生成的零件文件。近年来，创建的公司可以将客户输入与增材制造结合使用，生产各种产品，从使用浏览器中的参数设计工具创建的戒指和家具，到基于预期佩戴者的生物特征测量的眼镜架和鞋垫。

　　增材制造的许多产品优势也转化为更标准化的商品。增材制造支持持续的产品开发和灵活的变化，使设计师可以更快地获得更好的产品。其数字化流程允许制造商在给定产品上提供更多的变化，而无需对工具或其他基础设施进行额外投资。

　　如上文“设计”部分所述，增材制造还可以实现支持更高效和可持续的新产品设计，例如电动汽车。软件驱动的设计和仿真支持功能更好的产品快速开发。零件不仅可以做得更轻，而且可以用更少的材料。

　　3D打印带来的机遇

　　传统的线性制造方法通常不会考虑产品生命周期的结束。商品售出和发货后，制造商的承诺和监督即告结束。从那里开始，由用户来处理再利用或回收，或者更有可能是处置。但是丢弃不需要的产品很快变得不可持续。

　　例如，中国以前购买了世界上大部分的塑料垃圾，但现在正在拒绝这种进口。来自美国的废旧塑料正被转移到其他东南亚国家，在那里可以回收（最好的情况）、焚烧、埋在垃圾填埋场或倾倒（最坏的情况）。

　　但是，对于任何产品、零件或材料，真正的循环经济不会让这个问题悬而未决。可持续性需要闭环，并为不需要的零件和商品提供途径以将其转化回原料，从而为未来的应用保存材料。理想情况下，这种转变不会降低材料的价值，并允许它以同等或更高的价值重生。

　　可以转化回有机物质的可堆肥材料提供了一种报废场景，但再利用、再制造和回收商品是其他有效的选择。3D打印材料（如细丝和粉末）可以说是用途最广泛的原料，是不需要的工业废料、消费后废物或使用寿命结束时的产品的有价值的再生材料。能够回收其材料并将其转化为印刷原料的制造商可以继续可持续地制造，甚至可以找到新的收入途径。

　　但3D打印不仅仅是回收材料的目的地；它还支持并启用这种材料再生。上面讨论的设计优势鼓励产品使用更少的材料、依赖更少的组件和涉及更少的紧固件，所有这些特性使物体更容易回收。3D打印还支持包含QR码和嵌入式传感器等功能，这些功能可以保存有关产品材料构成、使用历史和使用寿命的信息，所有的数据点都可以指示物品何时准备好被回收，这一步如何应执行，以及可以回收的材料种类。

　　增材制造能够在需要的地方和按需制造所需的东西，减少了必须重新捕获的材料数量，从而节省了所需的资源。更多的定制、分布式和即时制造意味着更少的浪费，并更好地利用系统中已有的材料。从长远来看，制造商在其产品的整个生命周期（从材料到生命周期结束）承担责任的循环模式将导致更谨慎地使用资源，以及更可持续的生产和消费系统。

　　可持续发展的时刻

　　在循环经济中制造意味着打破和重建所有地方的供应链，这也是增材制造的要求。如果一家公司要颠覆其流程以追求更可持续的未来，就必须为新的制造方法、新的设计策略和新的思维方式敞开大门，这正是增材制造扎根和繁荣所需的环境。当企业转向循环经济模式时，增材制造就是一种战略优势。没有其他制造方法能像增材制造那样节省材料并降低组装复杂性。没有其他方法可以支持增材制造所具备的设计、制造和产品优势。没有其他方法能如此强烈地鼓励和实现增材制造所需的思维方式，而这将是使可持续的循环经济成为现实所必需的。