現(xiàn)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(xiàn)代制造模式。它使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、使用到報(bào)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(hù)要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，使資源利用率最高、能源消耗最低。由于電子制造業(yè)發(fā)展速度越來越快，規(guī)模越來越大，廢棄電子產(chǎn)品越來越多，對(duì)環(huán)境影響面越來越大，因此在電子制造過程中強(qiáng)調(diào)綠色化越來越追切。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(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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)出來的產(chǎn)品，在其使用壽命結(jié)束后，回收利用率低，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，毒性物質(zhì)嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，形成一個(gè)“從搖籃到墳?zāi)埂钡倪^程。綠色設(shè)計(jì)的基本思想就是要在設(shè)計(jì)階段就將環(huán)境因素和預(yù)防污染的措施納入產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)，力求使產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響達(dá)到最小。從這一點(diǎn)來說，綠色設(shè)計(jì)是從可持續(xù)發(fā)展的高度審視產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品開發(fā)階段按照全生命周期的觀點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)性的分析與評(píng)價(jià)，消除潛在的、對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，力求形成“從搖籃到再現(xiàn)”的過程。綠色設(shè)計(jì)主要可以通過生命周期設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)等幾種方法來實(shí)現(xiàn)。

　　綠色材料選擇

　　綠色產(chǎn)品首先要求構(gòu)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(nèi)，這類材料應(yīng)有利于降低能耗，環(huán)境負(fù)荷最小。具體地說，在綠色設(shè)計(jì)時(shí)，材料選擇應(yīng)從以下幾方面來考慮。(1)減少所用材料種類。使用較少的材料種類，不僅可以簡化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，便于零件的生產(chǎn)、管理和材料的標(biāo)識(shí)、分類，而且在相同的產(chǎn)品數(shù)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。在提煉加工過程中對(duì)環(huán)境的污染。寶馬(BMW)公司生產(chǎn)的Z1型汽車，其車身全部由塑料制成，可在20分鐘內(nèi)從金屬底盤上拆除。車上的門、保險(xiǎn)杠和前、后、側(cè)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(cè)試技術(shù)研究所已成功研制出由可控光塑料復(fù)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(nèi)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)選用無毒材料。在汽車和電子工業(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，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(duì)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)加工過程。在這一環(huán)節(jié)，要想為綠色制造做出貢獻(xiàn)，需從綠色制造工藝技術(shù)、綠色制造工藝設(shè)備與裝備等人手。在實(shí)質(zhì)性的機(jī)械加工中，在鑄造、鍛造沖壓、焊接、熱處理、表面保護(hù)等過程中都可以實(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，簡化產(chǎn)品加工流程，減少加工工序，謀求生產(chǎn)過程的廢料最少化，避免不安全因素;減少產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的污染物排放，如減少切削液的使用等。目前多通過干式切削技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

　　綠色包裝和處理技術(shù)

　　綠色包裝是指采用對(duì)環(huán)境和人體無污染，可回收重用或可再生的包裝材料及其制品的包裝。首先必須盡可能簡化產(chǎn)品包裝，避免過度包裝;使包裝可以多次重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)包裝盒項(xiàng)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(nèi)包裝取代原木漿，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。在傳統(tǒng)的觀念中，產(chǎn)品壽命結(jié)束后，就再也沒有使用價(jià)值了。在綠色制造中，通過綠色處理技術(shù)，如果將廢棄的產(chǎn)品中有用的部分再合理地利用起來，既能節(jié)約資源，又可有效的保護(hù)環(huán)境，這也正是有些文獻(xiàn)中所提到的綠色產(chǎn)品的可回收性及可拆卸性設(shè)計(jì)問題。如此一來，整個(gè)制造過程也會(huì)形成一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)，最能有效減輕對(duì)環(huán)境的危害，這也正是與傳統(tǒng)制造過程開環(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(xiàn)在許多方面，例如：(1)制造業(yè)對(duì)環(huán)境的影響往往是超越空間的，人類需要團(tuán)結(jié)起來，保護(hù)我們共同擁有的唯一的地球。(2)ISO14000系列標(biāo)準(zhǔn)的陸續(xù)出臺(tái)為綠色制造的全球化研究和應(yīng)用奠定了很好的基礎(chǔ)，但一些標(biāo)準(zhǔn)尚需進(jìn)一步完善，許多標(biāo)準(zhǔn)還有待于研究和制定。(3)隨著近年來全球化市場(chǎng)的形成，綠色產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭將是全球化的。(4)近年來許多國家要求進(jìn)口產(chǎn)品要進(jìn)行綠色性認(rèn)定，要有“綠色標(biāo)志”。特別是有些國家以保護(hù)本國環(huán)境為由，制定了極為苛刻的產(chǎn)品環(huán)境指標(biāo)來限制國際產(chǎn)品進(jìn)入本國市場(chǎng)，即設(shè)置“綠色貿(mào)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(mào)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(tǒng)。無論是綠色制造涉及的立法和行政規(guī)定以及需要制定的經(jīng)濟(jì)政策，還是綠色制造所需要建立的企業(yè)、產(chǎn)品、用戶三者之間新型的集成關(guān)系，均是十分復(fù)雜的問題，其中又包含大量的相關(guān)技術(shù)問題，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(tǒng)。這些也是綠色制造今后研究內(nèi)容的重要組成部分。

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

　　在綠色制造方面，無鉛化首當(dāng)其沖，但迄今尚未找到理想的解決方案;“無鹵”又掀起波瀾。綠色化是人類文明進(jìn)步的標(biāo)志，也是人類科學(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)線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品生產(chǎn)向個(gè)性化、定制化轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的根本變革。3D打印機(jī)的推廣應(yīng)用將減少產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間，產(chǎn)品用戶只要簡單下載設(shè)計(jì)圖在數(shù)小時(shí)內(nèi)通過3D打印將產(chǎn)品“打印”出來，從而不需要大規(guī)模生產(chǎn)線，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(jī)誕生于20世紀(jì)80年代中期，是由美國科學(xué)家最早發(fā)明的。3D打印機(jī)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(shè)備，其基本原理是利用特殊的耗材(膠水、樹脂或粉末等)按照由電腦預(yù)先設(shè)計(jì)好的三維立體模型，通過黏結(jié)劑的沉積將每層粉末黏結(jié)成型，最終打印出3D實(shí)體。3D打印過程可分為兩步，首先在需要成型的區(qū)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(jié)，沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)，重復(fù)這一過程直到實(shí)體模型被“打印”成型。由于其分層加工的過程與噴墨打印機(jī)十分相似，所以被稱為“打印技術(shù)”。3D打印技術(shù)是實(shí)現(xiàn)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，無須模具，因此也被稱為無形制造技術(shù)(Freeform Fabrication，簡稱FF或FFF)?，F(xiàn)代加式制造技術(shù)直接起步于1968年Swainson的專利、1972年Ciraud的專利和1979年Housholder的專利，分別開創(chuàng)了激光三維聚合成型、直接粉末沉積和粉末激光燒結(jié)等加式制造技術(shù)。一般認(rèn)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(xiàn)分層疊加成型的技術(shù)，是世界上第一個(gè)成功的現(xiàn)代加式制造過程。從上世紀(jì)80年代起，各種各樣的加式制造技術(shù)大量出現(xiàn)，并在許多領(lǐng)域里進(jìn)行了創(chuàng)造性的應(yīng)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

　　未來5-10年，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步及市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，3D打印機(jī)將呈現(xiàn)三個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)：一是3D打印速度和效率將不斷提升。隨著開拓并行、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(jī)價(jià)格大幅下降。一些較小規(guī)模的3D打印機(jī)制造商已經(jīng)開始推出一萬美元以下的3D打印機(jī)。隨著技術(shù)進(jìn)步及推廣應(yīng)用，3D打印機(jī)的價(jià)格有望大幅下降。四是3D打印機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。3D打印機(jī)誕生后，早期主要用于航空航天、機(jī)械、醫(yī)療、建筑等行業(yè)的模型制作。隨著其進(jìn)一步走向成熟，3D打印機(jī)已開始用來制造汽車、飛機(jī)等高科技含量零部件、皮膚、骨骼等活體組織。專家預(yù)計(jì)，在不久的將來，從鞋、眼鏡到廚房用具、汽車等各種產(chǎn)品都可以用3D打印機(jī)生產(chǎn)出來。3D打印技術(shù)是一種新興的高科技技術(shù)，綜合應(yīng)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(shí)，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(xiàn)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(yīng)具有世界水平。但是，每個(gè)國家的國情也將影響到從現(xiàn)有的制造技術(shù)水平向先進(jìn)制造技術(shù)的過渡戰(zhàn)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)，開發(fā)和應(yīng)用適合國情的先進(jìn)制造技術(shù)和3D打印制造勢(shì)在必行。