綠色製造趨勢，3D列印產業成長機會

摘要：3D列印為加法製程，相較於減法製造，僅在需要的位置給予需要的材料，按需製造技術，總是被直觀地認定為綠色製造技術，具有環境可持續 (sustainable)優勢。然而3D列印技術需要更嚴謹地評定與分析，考慮整個生命週期、端到端的可持續性，完整評估3D列印產業在材料、設備能耗、供應鏈、回收之整個生命週期，相較於傳統製造之真正環境永續效益，將可加速應用產業之技術採用，雖然尚有更多挑戰，但也是另一成長機會。
Abstract：3D printing is an additive process. Compared with subtractive manufacturing, only the materials needed are given where needed. On-demand manufacturing technology is always intuitively recognized as a green manufacturing technology and has environmentally sustainable advantages. However, 3D printing technology needs to be evaluated and analyzed more rigorously, considering the entire life cycle and end-to-end sustainability, and fully evaluating the entire life cycle of the 3D printing industry in terms of materials, equipment energy consumption, supply chain, and recycling. The true environmental sustainability benefits of 3D printing manufacturing compared with traditional manufacturing will accelerate technology adoption in application industries. Although there are still more challenges, it is also another opportunity for growth.

關鍵詞：3D列印、可持續性、生命週期評估
Keywords：3D printing, Sustainability, Life cycle assessment

前言
3D列印又稱為積層製造(Additive Manufact-uring)，為加法製程技術，直觀地認為可減少材料的使用，降低多餘的消耗，按需(on demand)生產，不需堆置大量庫存，造成產品閒置浪費之環境負擔。因而被吹捧為可減少工業社會對環境影響的關鍵技術。然而真是如此嗎?
3D列印技術是否真的可被視為綠色製造之關鍵技術，且能更廣泛地被產業所應用，需要更全面性地解析，而非僅從生產製造觀點來判定。從產品完整生命週期來進行分析評估，了解此技術之關鍵效益及具優勢應用之產業。
3D列印產業積極驗證並提升綠色製造之產業優勢
積層製造商綠色貿易協會(Additive Manufac-turer Green Trade Association, AMGTA)於2019年成立。這是一個積層製造(3D列印)生態系統之廠商所組成的全球組織，目前會員數已達到40家。此組織主要宗旨為推廣積層製造之環保效益，目的在促進和提升積層製造生產技術、材料及供應鏈相關之環保策略、廢物流、能源消耗、技術改善以及總體環境和社會影響等問題，進一步推廣積層製造技術之產業應用，期能帶動積層製造市場之成長。
AMGTA會員包括積層製造解決方案領導廠商3D Systems、Stratasys、Desktop Metal、EOS、SLM Solutions、HP、TRUMPF等；航太國防相關的積層製造領導廠商Sintavia、GE Additive；3D列印材料廠商BASF、Arkema、Höganäs；專注於積層製造組件的先進非破壞檢測實驗室QC Laboratories；工業氣體的供應商Taiyo Nippon Sanso Corporation；軟體廠商SIEMENS以及德國弗勞恩霍夫雷射技術研究所(ILT)、英國製造技術中心(MTC)的英國國家積層製造中心(NCAM)等研究單位，幾乎涵括了完整的積層製造生態系之重要廠商。
AMGTA透過一系列研究項目，分析積層製造和傳統製造於各方面之比對研究，了解積層製造之可持續性(Sustainability)效益以及更一步提升效益之要點。除了生產製程端之分析，更擴展到完整產品生命週期之評估。
AMGTA於2023年4月發布第一個針對航空零組件設計和製造之生命週期評估(Life cycle assessment, LCA)的研究結果[1]，此項研究委託羅切斯特理工學院的Golisano永續發展研究所進行研究，主題為「低壓渦輪 (LPT)支架兩種製造方法的生命週期評估比較研究」。採用生命週期評估分析方法，分析商用飛機之低壓渦輪支架使用雷射粉床融合成型(Laser powder bed fusion, LPBF)積層製造方法和傳統製造方式之比較，並強調此研究符合生命週期評估國際標準ISO 14040。此研究對低壓渦輪支架之LPBF積層製造方法和傳統製造方式從始至終的環境影響進行比較，再經由三名LCA專家組成的小組進行審查，以確保方法、數據、假設、結果和結論的準確性。
低壓渦輪支架的設計和積層製造由佛羅里達州的Sintavia, LLC進行，並使用Höganäs AB的材料在EOS GmbH M290 3D列印設備上進行鉻鎳鐵合金718 粉末之列印製作。傳統零件則由田納西州的機械製造廠商採用CNC加工機進行製造。Sintavia對支架之結構進行優化設計，優化後的積層製造支架較原來傳統加工方式之支架結構，重量減輕50%以上(即0.063公斤)。此項研究包括多達18項不同的環境指標，量化低壓渦輪支架在其整個生命週期（材料製備、生產製造、運輸、使用到最終報廢）對環境的影響。以量化方式驗證雷射粉床融合成型積層製造技術在哪些方面確實可以降低對環境的影響。
此項研究結論綜整為以下幾點：
•嚴格地就製造項目來看，以LPBF積層製造方法製作支架所需的能源較多，主要是雷射設備相較傳統生產方法，耗費的能源更多。
•所使用能源來源至為重要，決定生產具可持續性的最大因素是生產設備在發電地點的能源組合，以及該電網是否使用永續的方式生產。
•積層製造技術最大的優勢為產品結構形狀之製作不受限，因而在符合結構強度要求下，進行產品輕量化之優化設計。該研究顯示，透過積層製造設計減輕飛機部件的重量可顯著減少飛機使用壽命期間的碳排放量，每減重1公斤，碳排放量就可減少13,376公斤。此研究所製作的支架，主要是將燃油歧管固定在發動機低壓渦輪模組的外殼上，在每具GE Aviation CF6-80C2B6F渦輪發動機上共有12個。每架波音767飛機有2具GE Aviation CF6-80C2B6F渦輪發動機，使用積層製造技術所製作之支架可減輕1.512公斤，亦即減少碳排量約20,225公斤。這是非常重大之影響。在整個飛機服役期間，都能持續受惠於輕量化，所獲得的碳排量減少效益。
•經由LCA方法分析，總體而言，積層製造生產的零件更具永續性。輕量化的影響是最重要因素，積層製造技術具有產品結構輕量優化之優勢，因而判定積層製造生產零組件較以傳統方式設計和製造的零組件更具永續性。
AMGTA 另一項委託研究，則是由耶魯大學環境學院(Yale School of the Environment, YSE)與Desktop Metal、Trane Technologies合作展開[2]。Trane Technologies為提供住宅、商業和工業應用溫度控制解決方案之公司，其品牌宗旨強調高效、永續性。此項研究主要分析Trane Technologies之HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning)系統中鋼製渦旋式冷水機組之製造，比較黏著劑噴射3D列印(binder jet 3D printing)與傳統金屬鑄造對於單個鋼製渦旋冷水機組生產製造的影響。初步結果顯示，使用黏著劑噴射3D列印技術製作鋼製渦旋式冷水機組將較傳統製造方法，減少38%之溫室氣體排放量。