金属 3D 打印的可持续性和二氧化碳减排

1。简介：3D 打印是制造业的“绿色”未来吗？

在严格的 ESG 标准（环境、社会、治理）和对碳中和生产的渴望的时代，制造工艺的可持续性正成为人们关注的焦点。 3D打印常被誉为“绿色技术”。

本白皮书严格审视了工业金属 3D 打印的实际可持续性、二氧化碳减排的巨大杠杆所在，以及该行业在哪些领域（关键词：能源消耗）仍有待追赶。

2。材料效率：加工之战的结束

3D 打印最明显的环境效益在于其名称：增材制造。材料仅应用于组件中最终需要的地方。

• 最大限度地减少废料：在铣削实心钛或铝块时（例如在航空领域），所生产的 80% 至 90% 的昂贵能源密集型材料通常最终会在工厂车间中成为切屑（买飞比为 10:1 或更糟）。 AM 将这一比例降低至几乎 1:1。
• 粉末回收：建筑空间中多余的未熔化金属粉末（采用PBF工艺）不会丢失。它被抽真空、筛选（以去除焊接飞溅）并重新用于下一次打印作业。超过 95% 的回收率是这里的行业标准。

3。能源消耗：致命弱点？

金属 3D 打印是一种高度能源密集型的工艺。

• 粉末生产：为了生产细小的球形金属粉末（气雾化），金属必须在巨大的压力下熔化和雾化。这会消耗大量能源（并产生二氧化碳）。
• 打印过程：功率为数千瓦的激光器、将构建平台加热至数百摄氏度以及持续流动的保护气体（氩气或氮气，其生产非常耗能）使PBF打印成为能源消耗大户。 从数学上讲，打印一个简单的立方体比铣削相同的立方体需要更多千瓦时的电力。

解决方案： 3D 打印绝不能用于生产简单的标准几何形状（“砖块”）。其生态（和经济）收支平衡只能通过智能设计来实现。

4。使用阶段：3D 打印拯救世界

生产过程中能源消耗的明显劣势几乎总是被组件的使用阶段大大过度补偿。

• 运输领域的轻质结构：用于飞机的增材打印钛铰链可能比铣削的原始铰链轻 30%。生产过程中的二氧化碳排放量可能更高。但这个铰链却在世界各地飞行了30年。减轻的重量极大地减少了煤油消耗，使得组件的整个二氧化碳平衡在很短的时间内变得非常积极。
• 系统效率：由于内部网格结构（陀螺仪），用于工业冷却系统的 3D 打印热交换器可大幅增加表面积。它的冷却效率更高，并且需要更少的泵功率。该系统多年来节省了兆瓦时的能源。

5。分散的供应链减少了运输

在全球范围内运输货物会造成大量排放。

• 本地打印而不是全球运输：机器制造商只发送数字数据集 (CAD)，而不是在亚洲铸造备件，用集装箱运往欧洲并囤积在那里的仓库中（直到它们最终因不需要而报废）。
• 替换零件是在损坏的地方精确地增材制造的——在客户附近的印刷厂。 “比特比原子传播得更快（也更干净）。”

6。循环经济与修复（DED）

最可持续的组件是不需要重建的组件。

• 激光沉积焊接 (DED) 等工艺可以修复昂贵的工业部件（涡轮叶片、锻模）。不是熔化有缺陷的钢铁巨人，而是仅以毫米精度重新焊接磨损的边缘。这就是循环经济的缩影。

7。结论：通过智能工程打造绿色资产负债表

金属 3D 打印不会自动成为气候的救世主。如果使用不当，甚至会浪费能源。然而，如果增材制造始终遵循增材制造设计 (DfAM) 的原则，以减少材料、通过维修延长生命周期并最大限度地提高使用阶段的系统效率，那么它是行业脱碳最有效的技术之一。