现代制造的核心：3D打印与绿色制造浅析

　　2、绿色化制造

　　“绿色制造”(green manufacturing)是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。它使产品从设计、制造、运输、使用到报废的整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，使资源利用率最高、能源消耗最低。由于电子制造业发展速度越来越快，规模越来越大，废弃电子产品越来越多，对环境影响面越来越大，因此在电子制造过程中强调绿色化越来越追切。以欧盟RoHS为起点，WEEE、EuP和REACH等法令相继推出，在全世界掀起绿色制造的浪潮。

　　绿色设计

　　传统的产品设计，通常主要考虑的是产品的基本属性，如功能、质量、寿命、成本等，很少考虑环境属性。按这种方式生产出来的产品，在其使用寿命结束后，回收利用率低，资源浪费严重，毒性物质严重污染生态环境，形成一个“从摇篮到坟墓”的过程。绿色设计的基本思想就是要在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响达到最小。从这一点来说，绿色设计是从可持续发展的高度审视产品的整个生命周期，强调在产品开发阶段按照全生命周期的观点进行系统性的分析与评价，消除潜在的、对环境的负面影响，力求形成“从摇篮到再现”的过程。绿色设计主要可以通过生命周期设计、并行设计、模块化设计等几种方法来实现。

　　绿色材料选择

　　绿色产品首先要求构成产品的材料具有绿色特性，即在产品的整个生命周期内，这类材料应有利于降低能耗，环境负荷最小。具体地说，在绿色设计时，材料选择应从以下几方面来考虑。(1)减少所用材料种类。使用较少的材料种类，不仅可以简化产品结构，便于零件的生产、管理和材料的标识、分类，而且在相同的产品数量下，可以得到更多的某种回收材料。(2)选用可回收或再生材料使用可回收材料不仅可以减少资源的消耗，还可以减少原材料。在提炼加工过程中对环境的污染。宝马(BMW)公司生产的Z1型汽车，其车身全部由塑料制成，可在20分钟内从金属底盘上拆除。车上的门、保险杠和前、后、侧面的操纵板都由通用公司生产的可回收利用的热塑性塑料制成。(3)选用能自然降解的材料。福州塑料科学技术研究所与福建省测试技术研究所已成功研制出由可控光塑料复合添加剂生产的一种新型塑料薄膜。这种薄膜在使用后的一定时间内即可降解成碎片，溶解在土壤中被微生物吃掉，从而起到净化环境的作用。(4)选用无毒材料。在汽车和电子工业中，最常用的是含铅和锡的焊料。但是铅的毒性极大，所以近年来，已经在油漆、汽油和其他诸多产品中限制或禁止使用它。

　　清洁生产

　　相对于真正的清洁生产技术而言，这里所提到的清洁生产仅仅指生产加工过程。在这一环节，要想为绿色制造做出贡献，需从绿色制造工艺技术、绿色制造工艺设备与装备等人手。在实质性的机械加工中，在铸造、锻造冲压、焊接、热处理、表面保护等过程中都可以实行绿色制造工艺。具体可以从以下几方面入手：改进工艺，提高产品合格率;采用合理工艺，简化产品加工流程，减少加工工序，谋求生产过程的废料最少化，避免不安全因素;减少产品生产过程中的污染物排放，如减少切削液的使用等。目前多通过干式切削技术来实现这一目标。

　　绿色包装和处理技术

　　绿色包装是指采用对环境和人体无污染，可回收重用或可再生的包装材料及其制品的包装。首先必须尽可能简化产品包装，避免过度包装;使包装可以多次重复使用或便于回收，且不会产生二次污染。如在摩托罗拉的标准包装盒项目方面，其做法是缩小包装盒尺寸，提高包装盒利用率，并采用再生纸浆内包装取代原木浆，进而提高经济效益。在传统的观念中，产品寿命结束后，就再也没有使用价值了。在绿色制造中，通过绿色处理技术，如果将废弃的产品中有用的部分再合理地利用起来，既能节约资源，又可有效的保护环境，这也正是有些文献中所提到的绿色产品的可回收性及可拆卸性设计问题。如此一来，整个制造过程也会形成一个闭环的系统，最能有效减轻对环境的危害，这也正是与传统制造过程开环特性最不同的一点。

　　绿色制造全球化

　　绿色制造的全球化特征体现在许多方面，例如：(1)制造业对环境的影响往往是超越空间的，人类需要团结起来，保护我们共同拥有的唯一的地球。(2)ISO14000系列标准的陆续出台为绿色制造的全球化研究和应用奠定了很好的基础，但一些标准尚需进一步完善，许多标准还有待于研究和制定。(3)随着近年来全球化市场的形成，绿色产品的市场竞争将是全球化的。(4)近年来许多国家要求进口产品要进行绿色性认定，要有“绿色标志”。特别是有些国家以保护本国环境为由，制定了极为苛刻的产品环境指标来限制国际产品进入本国市场，即设置“绿色贸易壁垒”。绿色制造将为我国企业提高产品绿色性提供技术手段，从而为我国企业消除国际贸易壁垒进入国际市场提供有力的支撑。这也从另外一个角度说明了全球化的特点。绿色制造的研究和实施需要全社会的共同努力和参与，以建立绿色制造所必需的社会支撑系统。无论是绿色制造涉及的立法和行政规定以及需要制定的经济政策，还是绿色制造所需要建立的企业、产品、用户三者之间新型的集成关系，均是十分复杂的问题，其中又包含大量的相关技术问题，均有待于深入研究，以形成绿色制造所需要的社会支撑系统。这些也是绿色制造今后研究内容的重要组成部分。

　　总之，AMT创新应关注下一代智能制造单元与设备; 适用于快速而有效地设计新产品、工艺、设备及企业集成化设计工具; 确保企业能广泛了解和应用先进制造技术而进行的基础设施建设。

　　在绿色制造方面，无铅化首当其冲，但迄今尚未找到理想的解决方案;“无卤”又掀起波澜。绿色化是人类文明进步的标志，也是人类科学发展之路的必然归宿。

　　二、超时代的3D打印制造技术

3D打印制造是制造模式的一次“革命”。3D打印作为一种新的加工工艺，将改变第二次工业革命产生的以装配生产线为代表的大规模生产方式，使产品生产向个性化、定制化转变，实现生产方式的根本变革。3D打印机的推广应用将减少产品推向市场的时间，产品用户只要简单下载设计图在数小时内通过3D打印将产品“打印”出来，从而不需要大规模生产线，不需要库存大量的零部件，不需要大量的工人。

　　1、3D打印技术

　　3D打印机诞生于20世纪80年代中期，是由美国科学家最早发明的。3D打印机是指利用3D打印技术生产出真实三维物体的一种设备，其基本原理是利用特殊的耗材(胶水、树脂或粉末等)按照由电脑预先设计好的三维立体模型，通过黏结剂的沉积将每层粉末黏结成型，最终打印出3D实体。3D打印过程可分为两步，首先在需要成型的区域喷洒特殊的胶水，然后均匀喷洒粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，没有胶水的区域仍保持松散状态，重复这一过程直到实体模型被“打印”成型。由于其分层加工的过程与喷墨打印机十分相似，所以被称为“打印技术”。3D打印技术是实现加式制造的一种方式。加式制造的主要特征就是利用逐层增加材料的方式生产各种产品，无须模具，因此也被称为无形制造技术(Freeform Fabrication，简称FF或FFF)。现代加式制造技术直接起步于1968年Swainson的专利、1972年Ciraud的专利和1979年Housholder的专利，分别开创了激光三维聚合成型、直接粉末沉积和粉末激光烧结等加式制造技术。一般认为，1972年德国人Ciraud提出的利用激光能量光束进行粉末沉积，实现分层叠加成型的技术，是世界上第一个成功的现代加式制造过程。从上世纪80年代起，各种各样的加式制造技术大量出现，并在许多领域里进行了创造性的应用，形成今天的加式制造，特别是3D打印技术的新局面。

　　2、3D打印技术的未来

　　未来5-10年，随着技术的不断进步及市场需求的扩大，3D打印机将呈现三个方面的发展趋势：一是3D打印速度和效率将不断提升。随着开拓并行、多材料制造工艺方法的采用，打印速度和效率有望获得更大提升;二是3D打印材料更加多样化。随着先进材料的不断发展，智能材料、纳米材料、新型聚合材料、合成生物材料等将成为3D打印材料;三是3D打印机价格大幅下降。一些较小规模的3D打印机制造商已经开始推出一万美元以下的3D打印机。随着技术进步及推广应用，3D打印机的价格有望大幅下降。四是3D打印机应用领域更加广泛。3D打印机诞生后，早期主要用于航空航天、机械、医疗、建筑等行业的模型制作。随着其进一步走向成熟，3D打印机已开始用来制造汽车、飞机等高科技含量零部件、皮肤、骨骼等活体组织。专家预计，在不久的将来，从鞋、眼镜到厨房用具、汽车等各种产品都可以用3D打印机生产出来。3D打印技术是一种新兴的高科技技术，综合应用了CAD/CAM技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识，3D打印技术的不断成熟将推动包括新材料技术、智能制造技术和堆积制造技术实现大的飞跃。

　　先进制造技术是面向全球竞争的，目前每一国家都处于全球化市场中。一个国家的先进制造技术是支持该国制造业在全球范围市场的竞争力。因此，先进制造技术的主体应具有世界水平。但是，每个国家的国情也将影响到从现有的制造技术水平向先进制造技术的过渡战略和措施。我国正在以前所未有的速度进入全球化的国际市场，开发和应用适合国情的先进制造技术和3D打印制造势在必行。