促进循环经济,ACAM亚琛增材制造中心从三个角度看3D打印如何赋能工业生产实现可持续发展

循环经济专注于通过尽可能长时间地解决生产和使用周期中的材料使用问题,引领真正的可持续发展之路。ACAM亚琛增材制造中心指出3D打印-增材制造技术为可重复使用、有效利用资源、按需生产和增加材料价值提供了巨大的机会。

Frauhofer_H2Fraunhofer IPT研究所3D打印新型设计的氢气燃烧室
© Frauhofer IPT弗劳恩霍夫生产制造研究所

block 把经济活动对自然环境的影响降低到最小

根据百度百科,循环经济,完整的表达是资源循环型经济。以资源节约和循环利用为特征、与环境和谐的经济发展模式。强调把经济活动组织成一个“资源一产品_再生资源”的反馈式流程。其特征是低开采、高利用、低排放。所有的物质和能源能在这个不断进行的经济循环中得到合理和持久的利用,以把经济活动对自然环境的影响降低到尽可能小的程度。

循环经济要求在经济与生态协调发展的思想指导下,按照物质能量层级利用的原理,把自然、经济、社会和环境作为一个系统工程统筹考虑,立足于生态,着眼于经济,强调经济建设必须重视生态资本的投入效益,认识到生态环境不仅是经济活动的载体,还是重要的生产要素。要实现经济发展、资源节约、环境保护、人与自然和谐四者的相互协调和有机统一。

循环经济的根本目的是要求在经济流程中尽可能减少资源投入,并且系统地避免和减少废物,废弃物再生利用只是减少废物最终处理量。循环经济“减量化、再利用、再循环”——“3R”原则的重要性不是并列的,它们排列是有科学顺序的。减量化——属于输入端,旨在减少进入生产和消费流程的物质量;再利用——属于过程,旨在延长产品和服务的时间;再循环——属于输出端,旨在把废弃物再次资源化以减少最终处理量。处理废物的优先顺序是:避免产生——循环利用——最终处置。

根据ACAM亚琛增材制造中心,3D打印促进循环经济体现在几个方面:材料的可重复利用,材料健康,可再生能源及碳排放管理,水资源管理,社会公平。

Frauhofer_Economy循环经济的关键因素
© ACAM亚琛增材制造中心

那么看3D打印如何赋能工业生产实现可持续发展?ACAM亚琛增材制造中心从三个角度剖析为什么 AM 可以推动循环经济:

block AM增材制造可以加强减排

避免模具、避免大余量的切削,AM增材制造的积极影响取决于市场增长和技术发展。就在2022年,在汉莎航空增材制造中心开发的用于 IAE-V2500 发动机防冰系统的 3D 打印金属部件已通过欧盟航空认证协会 (EASA) 的认证。据报道,这是为增材制造的承重备件颁发的第一个此类证书。

汉莎和Premium AEROTEC 表示,他们在 LPBF(激光粉末床熔融)3D打印机上制造的 3D 打印 A-Links 消除了锻造零件所需的夹具和模具,并且通过增材制造工艺降低了材料成本。

不仅仅是LPBF(激光粉末床熔融)3D打印技术带了材料的节约,早在2015年,Premium Aerotec就通过Norsk Titanium的快速等离子沉积™技术进行A350 XWB飞机上的钛合金零件的生产,Premium Aerotec在纽约州投资1.25亿美元,通过十几台Norsk Titanium生产航空航天零件。

对于完成后期加工任务的机床来说,更少的材料去除需求也意味着更少的刀具、更少的冷却液消耗,更快的加工时间,以及更快的设备投资回收周期。根据Norsk Titanium,当生产达到22公吨的航空航天级部件的时候,平均下来可节省75%的锻压时间和成本。

如果说3D打印为航空航天行业带来的减少材料浪费并不容易直观的被感知到,那么消费品行业的鞋类制造或许更加形象。

工业制鞋大批量制造、快速回转、快速实现利润是商业的基础逻辑。根据3D科学谷的市场观察,基于光聚合工艺的SLA 3D打印技术正在替代传统机械加工木质母模。该应用的显著优势是简化了铸造鞋模的制造流程。3D打印母模不仅具有应有的外形,还具有鞋底模具所需的咬花,以数字化咬花,取代了传统工艺中化学腐蚀咬花工艺。

而3D打印鞋中底,更是带来了数字化鞋制造的新想象空间。这其中,作为阿迪达斯最先进的数字打印跑步鞋中底,ADIDAS 4DFWD展示了将物理和生物力学研究转化为以提升运动鞋性能为导向的设计与制造解决方案的增材制造潜力。

由鞋中底的3D打印到整双鞋的3D打印,想象一下,如果你将来穿的鞋子是可回收材料3D打印,而当鞋子被穿旧了,只需要将材料回收,通过3D打印再现同样的一双鞋,这样的方式对地球资源带来的节约将是多么可观。

不过尽管3D打印在节能减排方面具备天然的优势,根据ACAM亚琛增材制造中心,当前3D打印在实现循环经济方面还存在着一些挑战和制约因素。这些因素包括:

- 化学材料的回收需要很丰富的经验和投资。

- 材料回收系统企业的成长还需要时间成长。

- 增材制造技术本身还需要在生产效率和质量一致性方面的进一步发展。

- 那些高温环境下实现加工的3D打印过程本身是高能耗的。

此外,ACAM亚琛增材制造中心指出AM增材制造工艺是一种节水工艺,可以支持开发无障碍水净化系统。考虑到在欧洲,当前23%的水资源消耗来自于工业生产,包括冷却用,制造用,清洁用等等。

ACAM亚琛增材制造中心还指出AM-增材制造工艺在产品设计和职业支持方面促进性别平等。

block 成就更清洁高效的能源

而从更宽的范围来看,AM-增材制造工艺还可以成就更清洁的能源。在一个联合研究项目中,FH Aachen – 亚琛应用科学大学和亚琛的Fraunhofer IPT 弗劳恩霍夫生产技术研究所与不来梅的 Präwest Präzisionswerkstätten GmbH & Co KG 一起使用增材制造生产了一个采用新设计的氢气燃烧室,可以显着减少氮氧化物的排放。

Valley_Nozzle3D打印喷油嘴的应用与技术逻辑
© 3D科学谷白皮书

基于仿真模拟,亚琛研究人员预测使用 LPBF选区激光熔融金属3D打印可以显着减少组装所需的时间,并将这种燃烧室的成本降低多达90%。除了新的设计带来的燃烧对生态的保护和经济优势外,LPBF选区激光熔化金属3D打印还使制造过程更具可持续性,与传统生产方式相比使用了更少的资源。

AM-增材制造工艺不仅有助于降排放,还可以提升燃油经济性,进一步的创造清洁的蓝天。

Valley_Supper3D打印超音速发动机技术逻辑
© 3D科学谷白皮书

根据3D科学谷,3D打印在动力装备的技术发展逻辑概括为两点:爆发力强、安全性高。提升爆发力方面,3D打印释放了设计与制造的自由度,例如通过优化燃料与空气的混合比,提升动力装备的动能;提升安全性方面,例如通过3D打印冷却通道或者是铜金属,提升了动力装备的快速散热性能,获得更高的安全性。

不仅仅是航空领域,而随着增材制造工艺的发展,在航天领域的火箭的可重复发射方面,3D打印正在发挥着四两拨千斤的关键作用。

valley_Rocket3D打印可重复发射火箭的关键发动机部件
© 3D科学谷白皮书

根据Relativity Space,3D打印可以将他们的火箭零件数从十万减少到一千个,并大大减少了数量级的劳动时间。这将对火箭的交付时间、产品迭代速度和成本产生影响。

与循环经济的发展目标一致,3D打印开启了下一代经济性的火箭发动机制造之路。3D打印对于火箭的制造是颠覆性的,这体现在从设计到供应链和库存管理,再到质量控制等各个环节。

3D打印已经成为航空和航空航天领域的一项关键技术,因为它的优势与该行业的关键需求保持一致,包括减轻重量、节省燃料、提高运营效率、部件整合、加速上市时间和减少对零部件的存储要求。

知之既深,行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络,3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析,请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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