現代制造的核心：3D打印與綠色制造淺析

　　2、綠色化制造

　　“綠色制造”(green manufacturing)是指在保證產(chǎn)品的功能、質(zhì)量、成本的前提下，綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現代制造模式。它使產(chǎn)品從設計、制造、運輸、使用到報廢的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中不產(chǎn)生環(huán)境污染或環(huán)境污染最小化，符合環(huán)境保護要求，對生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少，使資源利用率最高、能源消耗最低。由于電子制造業(yè)發(fā)展速度越來(lái)越快，規模越來(lái)越大，廢棄電子產(chǎn)品越來(lái)越多，對環(huán)境影響面越來(lái)越大，因此在電子制造過(guò)程中強調綠色化越來(lái)越追切。以歐盟RoHS為起點(diǎn)，WEEE、EuP和REACH等法令相繼推出，在全世界掀起綠色制造的浪潮。

　　綠色設計

　　傳統的產(chǎn)品設計，通常主要考慮的是產(chǎn)品的基本屬性，如功能、質(zhì)量、壽命、成本等，很少考慮環(huán)境屬性。按這種方式生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品，在其使用壽命結束后，回收利用率低，資源浪費嚴重，毒性物質(zhì)嚴重污染生態(tài)環(huán)境，形成一個(gè)“從搖籃到墳墓”的過(guò)程。綠色設計的基本思想就是要在設計階段就將環(huán)境因素和預防污染的措施納入產(chǎn)品設計之中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設計目標和出發(fā)點(diǎn)，力求使產(chǎn)品對環(huán)境的影響達到最小。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，綠色設計是從可持續發(fā)展的高度審視產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，強調在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段按照全生命周期的觀(guān)點(diǎn)進(jìn)行系統性的分析與評價(jià)，消除潛在的、對環(huán)境的負面影響，力求形成“從搖籃到再現”的過(guò)程。綠色設計主要可以通過(guò)生命周期設計、并行設計、模塊化設計等幾種方法來(lái)實(shí)現。

　　綠色材料選擇

　　綠色產(chǎn)品首先要求構成產(chǎn)品的材料具有綠色特性，即在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內，這類(lèi)材料應有利于降低能耗，環(huán)境負荷最小。具體地說(shuō)，在綠色設計時(shí)，材料選擇應從以下幾方面來(lái)考慮。(1)減少所用材料種類(lèi)。使用較少的材料種類(lèi)，不僅可以簡(jiǎn)化產(chǎn)品結構，便于零件的生產(chǎn)、管理和材料的標識、分類(lèi)，而且在相同的產(chǎn)品數量下，可以得到更多的某種回收材料。(2)選用可回收或再生材料使用可回收材料不僅可以減少資源的消耗，還可以減少原材料。在提煉加工過(guò)程中對環(huán)境的污染。寶馬(BMW)公司生產(chǎn)的Z1型汽車(chē)，其車(chē)身全部由塑料制成，可在20分鐘內從金屬底盤(pán)上拆除。車(chē)上的門(mén)、保險杠和前、后、側面的操縱板都由通用公司生產(chǎn)的可回收利用的熱塑性塑料制成。(3)選用能自然降解的材料。福州塑料科學(xué)技術(shù)研究所與福建省測試技術(shù)研究所已成功研制出由可控光塑料復合添加劑生產(chǎn)的一種新型塑料薄膜。這種薄膜在使用后的一定時(shí)間內即可降解成碎片，溶解在土壤中被微生物吃掉，從而起到凈化環(huán)境的作用。(4)選用無(wú)毒材料。在汽車(chē)和電子工業(yè)中，最常用的是含鉛和錫的焊料。但是鉛的毒性極大，所以近年來(lái)，已經(jīng)在油漆、汽油和其他諸多產(chǎn)品中限制或禁止使用它。

　　清潔生產(chǎn)

　　相對于真正的清潔生產(chǎn)技術(shù)而言，這里所提到的清潔生產(chǎn)僅僅指生產(chǎn)加工過(guò)程。在這一環(huán)節，要想為綠色制造做出貢獻，需從綠色制造工藝技術(shù)、綠色制造工藝設備與裝備等人手。在實(shí)質(zhì)性的機械加工中，在鑄造、鍛造沖壓、焊接、熱處理、表面保護等過(guò)程中都可以實(shí)行綠色制造工藝。具體可以從以下幾方面入手：改進(jìn)工藝，提高產(chǎn)品合格率;采用合理工藝，簡(jiǎn)化產(chǎn)品加工流程，減少加工工序，謀求生產(chǎn)過(guò)程的廢料最少化，避免不安全因素;減少產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的污染物排放，如減少切削液的使用等。目前多通過(guò)干式切削技術(shù)來(lái)實(shí)現這一目標。

　　綠色包裝和處理技術(shù)

　　綠色包裝是指采用對環(huán)境和人體無(wú)污染，可回收重用或可再生的包裝材料及其制品的包裝。首先必須盡可能簡(jiǎn)化產(chǎn)品包裝，避免過(guò)度包裝;使包裝可以多次重復使用或便于回收，且不會(huì )產(chǎn)生二次污染。如在摩托羅拉的標準包裝盒項目方面，其做法是縮小包裝盒尺寸，提高包裝盒利用率，并采用再生紙漿內包裝取代原木漿，進(jìn)而提高經(jīng)濟效益。在傳統的觀(guān)念中，產(chǎn)品壽命結束后，就再也沒(méi)有使用價(jià)值了。在綠色制造中，通過(guò)綠色處理技術(shù)，如果將廢棄的產(chǎn)品中有用的部分再合理地利用起來(lái)，既能節約資源，又可有效的保護環(huán)境，這也正是有些文獻中所提到的綠色產(chǎn)品的可回收性及可拆卸性設計問(wèn)題。如此一來(lái)，整個(gè)制造過(guò)程也會(huì )形成一個(gè)閉環(huán)的系統，最能有效減輕對環(huán)境的危害，這也正是與傳統制造過(guò)程開(kāi)環(huán)特性最不同的一點(diǎn)。

　　綠色制造全球化

　　綠色制造的全球化特征體現在許多方面，例如：(1)制造業(yè)對環(huán)境的影響往往是超越空間的，人類(lèi)需要團結起來(lái)，保護我們共同擁有的唯一的地球。(2)ISO14000系列標準的陸續出臺為綠色制造的全球化研究和應用奠定了很好的基礎，但一些標準尚需進(jìn)一步完善，許多標準還有待于研究和制定。(3)隨著(zhù)近年來(lái)全球化市場(chǎng)的形成，綠色產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭將是全球化的。(4)近年來(lái)許多國家要求進(jìn)口產(chǎn)品要進(jìn)行綠色性認定，要有“綠色標志”。特別是有些國家以保護本國環(huán)境為由，制定了極為苛刻的產(chǎn)品環(huán)境指標來(lái)限制國際產(chǎn)品進(jìn)入本國市場(chǎng)，即設置“綠色貿易壁壘”。綠色制造將為我國企業(yè)提高產(chǎn)品綠色性提供技術(shù)手段，從而為我國企業(yè)消除國際貿易壁壘進(jìn)入國際市場(chǎng)提供有力的支撐。這也從另外一個(gè)角度說(shuō)明了全球化的特點(diǎn)。綠色制造的研究和實(shí)施需要全社會(huì )的共同努力和參與，以建立綠色制造所必需的社會(huì )支撐系統。無(wú)論是綠色制造涉及的立法和行政規定以及需要制定的經(jīng)濟政策，還是綠色制造所需要建立的企業(yè)、產(chǎn)品、用戶(hù)三者之間新型的集成關(guān)系，均是十分復雜的問(wèn)題，其中又包含大量的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題，均有待于深入研究，以形成綠色制造所需要的社會(huì )支撐系統。這些也是綠色制造今后研究?jì)热莸闹匾M成部分。

　　總之，AMT創(chuàng )新應關(guān)注下一代智能制造單元與設備; 適用于快速而有效地設計新產(chǎn)品、工藝、設備及企業(yè)集成化設計工具; 確保企業(yè)能廣泛了解和應用先進(jìn)制造技術(shù)而進(jìn)行的基礎設施建設。

　　在綠色制造方面，無(wú)鉛化首當其沖，但迄今尚未找到理想的解決方案;“無(wú)鹵”又掀起波瀾。綠色化是人類(lèi)文明進(jìn)步的標志，也是人類(lèi)科學(xué)發(fā)展之路的必然歸宿。

　　二、超時(shí)代的3D打印制造技術(shù)

　　3D打印制造是制造模式的一次“革命”。3D打印作為一種新的加工工藝，將改變第二次工業(yè)革命產(chǎn)生的以裝配生產(chǎn)線(xiàn)為代表的大規模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個(gè)性化、定制化轉變，實(shí)現生產(chǎn)方式的根本變革。3D打印機的推廣應用將減少產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間，產(chǎn)品用戶(hù)只要簡(jiǎn)單下載設計圖在數小時(shí)內通過(guò)3D打印將產(chǎn)品“打印”出來(lái)，從而不需要大規模生產(chǎn)線(xiàn)，不需要庫存大量的零部件，不需要大量的工人。

　　1、3D打印技術(shù)

　　3D打印機誕生于20世紀80年代中期，是由美國科學(xué)家最早發(fā)明的。3D打印機是指利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出真實(shí)三維物體的一種設備，其基本原理是利用特殊的耗材(膠水、樹(shù)脂或粉末等)按照由電腦預先設計好的三維立體模型，通過(guò)黏結劑的沉積將每層粉末黏結成型，最終打印出3D實(shí)體。3D打印過(guò)程可分為兩步，首先在需要成型的區域噴灑特殊的膠水，然后均勻噴灑粉末，粉末遇到膠水會(huì )迅速固化黏結，沒(méi)有膠水的區域仍保持松散狀態(tài)，重復這一過(guò)程直到實(shí)體模型被“打印”成型。由于其分層加工的過(guò)程與噴墨打印機十分相似，所以被稱(chēng)為“打印技術(shù)”。3D打印技術(shù)是實(shí)現加式制造的一種方式。加式制造的主要特征就是利用逐層增加材料的方式生產(chǎn)各種產(chǎn)品，無(wú)須模具，因此也被稱(chēng)為無(wú)形制造技術(shù)(Freeform Fabrication，簡(jiǎn)稱(chēng)FF或FFF)?，F代加式制造技術(shù)直接起步于1968年Swainson的專(zhuān)利、1972年Ciraud的專(zhuān)利和1979年Housholder的專(zhuān)利，分別開(kāi)創(chuàng )了激光三維聚合成型、直接粉末沉積和粉末激光燒結等加式制造技術(shù)。一般認為，1972年德國人Ciraud提出的利用激光能量光束進(jìn)行粉末沉積，實(shí)現分層疊加成型的技術(shù)，是世界上第一個(gè)成功的現代加式制造過(guò)程。從上世紀80年代起，各種各樣的加式制造技術(shù)大量出現，并在許多領(lǐng)域里進(jìn)行了創(chuàng )造性的應用，形成今天的加式制造，特別是3D打印技術(shù)的新局面。

　　2、3D打印技術(shù)的未來(lái)

　　未來(lái)5-10年，隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步及市場(chǎng)需求的擴大，3D打印機將呈現三個(gè)方面的發(fā)展趨勢：一是3D打印速度和效率將不斷提升。隨著(zhù)開(kāi)拓并行、多材料制造工藝方法的采用，打印速度和效率有望獲得更大提升;二是3D打印材料更加多樣化。隨著(zhù)先進(jìn)材料的不斷發(fā)展，智能材料、納米材料、新型聚合材料、合成生物材料等將成為3D打印材料;三是3D打印機價(jià)格大幅下降。一些較小規模的3D打印機制造商已經(jīng)開(kāi)始推出一萬(wàn)美元以下的3D打印機。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步及推廣應用，3D打印機的價(jià)格有望大幅下降。四是3D打印機應用領(lǐng)域更加廣泛。3D打印機誕生后，早期主要用于航空航天、機械、醫療、建筑等行業(yè)的模型制作。隨著(zhù)其進(jìn)一步走向成熟，3D打印機已開(kāi)始用來(lái)制造汽車(chē)、飛機等高科技含量零部件、皮膚、骨骼等活體組織。專(zhuān)家預計，在不久的將來(lái)，從鞋、眼鏡到廚房用具、汽車(chē)等各種產(chǎn)品都可以用3D打印機生產(chǎn)出來(lái)。3D打印技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù)，綜合應用了CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、光化學(xué)以及材料科學(xué)等諸多方面的技術(shù)和知識，3D打印技術(shù)的不斷成熟將推動(dòng)包括新材料技術(shù)、智能制造技術(shù)和堆積制造技術(shù)實(shí)現大的飛躍。

　　先進(jìn)制造技術(shù)是面向全球競爭的，目前每一國家都處于全球化市場(chǎng)中。一個(gè)國家的先進(jìn)制造技術(shù)是支持該國制造業(yè)在全球范圍市場(chǎng)的競爭力。因此，先進(jìn)制造技術(shù)的主體應具有世界水平。但是，每個(gè)國家的國情也將影響到從現有的制造技術(shù)水平向先進(jìn)制造技術(shù)的過(guò)渡戰略和措施。我國正在以前所未有的速度進(jìn)入全球化的國際市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)和應用適合國情的先進(jìn)制造技術(shù)和3D打印制造勢在必行。