環(huán)保，從3D打印開始

整理｜離咲

2021年東京奧運會領獎臺，由24.5噸再生塑料制成，并使用工業(yè)FFF3D打印機打印而成。在9個月的時間里，日本公眾通過安裝在日本各地百貨公司和學校的兩千多個收集箱捐贈了相當于40萬瓶洗衣粉的家用塑料。它們被回收并制成細絲，作為3D打印的原料制作了在奧運會期間使用的所有共98個領獎臺。

近年來，隨著全球氣候持續(xù)變暖，人們的環(huán)境保護的意識也逐漸增強。從能源汽車的普及到再生能源的利用，節(jié)能減排的行動對環(huán)境的保護逐漸取得成效。在過去的十年里，3D打印這個名詞從陌生到熟悉，逐漸走向人們的生活和工作，成功捕獲了公眾、工程師和環(huán)境夢想家的想象力。它被譽為制造業(yè)的一場革命，也是大幅度改善環(huán)境的機會。

3D打印（又稱“增材制造工藝”）出現(xiàn)在20世紀80年代末至90年代初，是以數(shù)字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術，實現(xiàn)了制造方式從等材、減材到增材的重大轉變，改變了傳統(tǒng)制造的理念和模式。小到兒童玩具、工藝品，大到飛機、火箭中使用的高度復雜零部件，3D打印機已廣泛應用于諸多領域。

形象來講，普通的打印機是將2D圖像或圖形數(shù)字文件通過墨水輸出到紙張上；3D打印機則是將實實在在的原材料（比如金屬、陶瓷、塑料、砂等）輸出為一薄層（物理上具有一定的厚度），然后不斷重復一層層疊加起來，最終變成空間實物。因此，3D打印在輸出某一分層時，過程與噴墨打印是相似的。就像蓋房子，是通過一塊一塊磚所累積而成，而3D打印的物品是通過原材料的一粒一粒所累積而成。

隨著社會經(jīng)濟的日益進步和科技水平的不斷提高，說到對廢物的回收利用，就不得不提起對環(huán)境保護扮演著重要角色的3D打印機。生活中，我們隨手扔下的一個塑料瓶、牛奶盒等都會對環(huán)境造成不可估量的傷害。世界銀行在《垃圾何其多2.0》報告中指出，隨著全球城市化的不斷發(fā)展，全世界產(chǎn)生的廢棄物有40%不能妥善管理而被傾倒或公開焚燒，其中只有13.5%被回收利用。而3D打印因其設計的精準、個性化定制、小批量生產(chǎn)、環(huán)保等特點，給創(chuàng)意設計、工業(yè)設計、創(chuàng)客教育、醫(yī)學等領域帶來了巨大的貢獻。

3D打印為何能在環(huán)保問題上扮演重要角色？其原因主要有以下幾點。

3D打印技術近年來發(fā)展很快，可以預見，3D打印在智能制造、工業(yè)4.0、云制造等領域會發(fā)揮非常重要的作用。未來在各個行業(yè)都有著廣闊的應用。

首先，3D打印機采用的PLA（簡稱“聚乳酸”）耗材為一種新型的可再生生物降解材料，使用可再生的植物（如玉米、木薯等）所提出的淀粉原料制成。其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中的微生物在特定條件下完全降解，最終生成二氧化碳和水，不污染環(huán)境。

這對保護環(huán)境非常有利，是公認的環(huán)境友好材料。普通塑料的處理方法依然是焚燒火化，造成大量溫室氣體排入空氣中，而聚乳酸塑料則是掩埋在土壤里降解，產(chǎn)生的二氧化碳直接進入土壤有機質(zhì)或被植物吸收，不會排入空氣中，不會造成溫室效 應。

其次，傳統(tǒng)制造技術資源浪費嚴重，對較大且復雜的細節(jié)往往需要采取切削拼裝處理，原料的大部分都會被當作廢料切掉丟棄。而3D打印采用一次性成型原理，無論物體的復雜程度，均可一次成型，資源浪費為零。

傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)采用的切割、煅燒、焊接、打磨等工序所產(chǎn)生的廢渣、廢水、廢氣等有害物質(zhì)對環(huán)境污染極為嚴重。而3D打印主要以可再生生物降解材料為原料，通過電源產(chǎn)生的高溫熔化噴出熔融物并逐層堆積而成。原材料的利用效率高且沒有毒氣、噪聲和化學物質(zhì)等污染。

“巧婦難為無米之炊”，材料是3D打印的物質(zhì)基礎，材料的成熟度和擴展方向一直以來是3D打印的最大問題。在3D打印中所使用的材料主要包括工程塑料、橡膠、光敏樹脂、石膏、金屬和陶瓷等，在生物應用領域還有人造骨粉、細胞生物原料等。這些材料都是針對3D打印設備和工藝來研發(fā)的，有不同的形態(tài)，如粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。比如，粉末狀3D打印材料的顆粒呈現(xiàn)球形，半徑在100微米以下。

近兩年的材料發(fā)展超越了之前的5—10年的水平。綠色環(huán)保和循環(huán)經(jīng)濟已然成為3D打印材料發(fā)展關鍵詞。新冠肺炎疫情常態(tài)化的全球大背景下，個人防護用品的批量生產(chǎn)也在另一方面加速了3D 打印塑料材料的發(fā)展進程，護目鏡、防護面罩、口罩帶以及核酸檢測鼻咽拭子等用品正在逐漸使用3D打印耗材和設備進行批量生產(chǎn)，隨著應用領域不斷擴大，塑料材料性能也將不斷提高。

3D打印技術近年來發(fā)展很快，可以預見，3D打印在智能制造、工業(yè)4.0、云制造等領域會發(fā)揮非常重要的作用。未來在各個行業(yè)都有著廣闊的應用。

我國高度重視增材制造產(chǎn)業(yè)。早在2015年，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財政部聯(lián)合發(fā)布《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015—2016年）》。2017年，工業(yè)和信息化部又聯(lián)合發(fā)展改革委等11部門印發(fā)《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017—2020 年）》。

近年來，行業(yè)企業(yè)發(fā)展增材制造產(chǎn)業(yè)的積極性得到極大鼓勵，研發(fā)生產(chǎn)投入大幅增長，一批關鍵技術得到突破，裝備性能顯著提升，應用領域日益拓展，生態(tài)體系初步形成，涌現(xiàn)出一批具有一定競爭力的骨干企業(yè)，形成了若干產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，推動我國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展進入新階段，加快培育制造業(yè)發(fā)展新動能，助推制造強國建設。