™
减少、重复使用、回收： 详细了解3D打印的成功之处
减少、重复使用、回收： 详细了解3D打印的成功之处
如何实现增材制造（AM）的可持续性
ExOne技术院士
减少、重复使用、回收。绿色设计三R原则最早是在1970年代的某个时刻被创造的。我们都听说过这些术语，但总的来说，它们都提供了不同类型和级别的好处，尤其是在3D打印或AM方面。
在地球日这一天，我们认为现在是审查AM如何实现这些好处的好时机，以及来自标准发布机构和其他组织（例如增材制造商绿色贸易协会（AMGTA））澄清和量化这些好处的重要变化。
减少AM和粘结剂喷射的使用
当我们从一开始就使用较少的资源时，我们也减少了回收和重复使用的需要。对个人而言，这意味着关闭未使用房间的灯、缩短淋浴时间或将热水器设置为18.9摄氏度。
或使用更少的劳动力来完全执行零件或产品的制造过程。通过本地化或分散式制造策略缩短从供应商到生产商或生产商到客户的距离也很重要。 
使用现代工程工具和计算机辅助制造，在产品开发周期中可以比物理原型花费更少的时间和金钱。我们可以使用更多的数字孪生、数字分析和数字模拟。我们可以消耗更少的实际资源和更多的虚拟资源。
使用增材减重的最有意义的方法之一是将多个零件合并为一个，减少制造和装配步骤，或通过彻底优化的拓扑结构轻量化零件，从而实现新几何结构，以更轻的重量提供相同或改进的功能优势。例如，在为粘结剂喷射而重新设计的零件中，重量减轻30-50%是很常见的。更重要的是，您可以采用传统的不锈钢零件优化设计，并用铝等新材料打印，从而进一步放大优势。这就是ExOne最近获得福特汽车公司6061型铝的资格对未来如此重要的原因之一。
当谈到来自这个“减少”类别的可持续性的益处时，几乎所有形式的增材制造都能使您受益。但是一些特定的AM工艺提供了更大的益处。例如，粘结剂喷射可以轻松打印大批量零件，从而为生产更多零件带来更有意义的益处。
重复使用还是回收？
当谈到重复使用或回收时，我们不太擅长对两者进行区分。但在可持续性方面，这是两个截然不同的“R”。事实上，两个R的图标也非常相似，重复使用显示一个轻松的箭头圆圈，而回收显示一个三角形的箭头来展示一点额外的努力。
不管怎么说，回收也是一种安慰方法：如果我们不能停止浪费，至少我们可以回收。
但事实是，回收一开始就非常耗费资源，耗费大量精力和时间。这些时间和精力被用于分类、清洁、运输、精炼和改造各种回收物品。如果首先减少或重复使用，我们也可以大大减少这种消耗。
考虑在CNC制造车间产生的正常日常切屑。人们很容易认为所有这些切屑都被直接送回精炼厂并作为新的钢或铝返回进行切割。然而事情远没有那么简单。切屑被切削液和杂油污染，需要进行清洁和干燥。需要在取货器之间对不同金属的切屑进行分类和存放。虽然良好的工厂卫生可以缓解其中一些困难，但需要进行持续投资。这意味着进入垃圾填埋场的切屑比您预期的要多。这是一个复杂的主题，您可以在此处了解更多信息：废金属测定和处置 - NES （nesglobal.net）
重复使用的高效率
但是，如果我们可以在不回收的情况下重复使用更多材料呢？如果我们可以在制造过程中直接重复使用材料很多很多次，然后才回收呢？
2020年在《矿物、金属和材料协会》期刊发表的一篇名为“粘结剂喷射增材制造中的金属粉末可回收性”研究论文中得出结论，在粘结剂喷射过程中可回收粉末多达16次，使得材料消耗的整体效率提高到96%。如果您更深入研究这篇文章，您会发现它实际上更多是在过程中直接重复使用材料，而不是将其回收。
这让我想到了最近在SAE工作组编写金属AM标准时发生的有趣对话。有一个委员会正在编写标准AMS 7031——用于航空航天零件增材制造的金属粉末原料恢复和回收的工艺要求。
他们正在更改标题以将“回收”替换为“重复使用”。
确实，某些过程会产生无法重复使用的飞溅物，甚至在粘结剂喷射过程中，一些杂散的附属物会形成团聚物并被筛掉。但在许多基于粉末的增材制造工艺中，任何给定的粉末批次中的大部分都不会发生这种情况。对于几乎每种粉末，在每个过程中，粉末在必须回收之前都可以通过数次如上面引用的研究论文所示的系统循环。
这就是SAE谈话变得有趣的地方。委员会达成共识，我们需要改变编写这些标准的方式以向前推进。我们不回收粉末，而是重复使用，这将是向前推进的术语。虽然只是小小的一词之差，但会产生很大的差异。这是切换到AM的另一个令人信服的理由，而且真正的绿色效益可能比乍一看看到的更多。尤其是当您每次听到有关对粉末进行除粉和修复时都在想象“真正的回收”时。
粉末重复使用是一项在现场进行的活动，也是该技术的自然组成部分。在ExOne，我们设计的系统能够保持一致的湿度水平、混合原始粉末和回收粉末，并使一致且稳定的粉末材料流入您的打印机。在粘结剂喷射过程中发现这种混合物会导致更一致的过程。
但是我们真正需要在所有增材中做的是一个全面的价值流图，这就是AMGTA现在开始的学术工作类型。ExOne很荣幸成为该组织的创始成员，您可以在此处阅读他们的工作：资源——AMGTA，您可以在其中找到迄今为止最全面的研究内容以及金属增材制造对环境影响的知识状况。其中，他们解释了缺乏可用研究，以及比较现有数据的困难。您可以在此处从EPA了解有关价值流映射过程的更多信息：E3价值流映射操作指南|E3：经济-能源-环境|美国环保署
所有这些都说明粘结剂喷射的可持续性优势具有巨大潜力。该技术可以让您使用更少的材料开始，创新更可持续的产品，重复使用更多您拥有的材料，并尽可能避免资源密集型回收。