尽管3D打印可以在一定程度上减少材料浪费，但相较传统制造工艺，它可能存在较低的材料效率和高能耗的问题。然而，通过全面的生命周期分析，可以识别和解决这些问题，进而推动新型可持续材料和工艺的发展。 △该研究的题目为“可持续增材制造的愿景” 原文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01313-x 奇遇科技官网：http://www.adventuretech.cn/ 如无法打开，请拷贝网址到浏览器查阅。   研究内容 近日，一组研究人员在《自然·可持续性》杂志上发表了题为《可持续增材制造的愿景》的文章，概述了他们对可持续和循环增材制造生态系统的愿景。他们提出，通过系统级方法开发，3D打印可以支持更环保的制造过程。这意味着需要在增材制造流程链的各个阶段整合可持续性，包括设计3D打印机、开发原材料工艺、选择供应链以及报废后的回收和再利用。 研究人员建议将可持续性优化设计融入现有的增材制造设计（DfAM）原则中，同时行业必须遵循全球可持续性倡议，如联合国可持续发展目标和欧洲绿色协议。 展望未来，他们提出了基于环境可持续实践的 "增材制造新角色 "的重要性。虽然增材制造 "本质上不是循环或可持续的"，但他们认为，增材制造在创建循环经济方面可以发挥关键作用。   △研究人员对可持续增材制造的愿景   3D打印可持续吗 这些研究人员来自意大利、荷兰、新加坡、瑞士、瑞典和美国的大学。他们概述了全球气候变化、生物多样性丧失以及政治动荡对原材料供应的威胁。 支持3D打印的一个常见论点是，它可以减少材料浪费。然而，研究人员指出，现实并非非黑即白，“大量减少废料的情况很少发生”。 研究表明，虽然增材制造有时可以减少材料浪费，但这在很大程度上取决于具体的3D打印技术和应用场景。 与传统制造工艺如注塑、铸造和挤压相比，3D打印工艺的材料效率较低。例如，聚合物粉末床熔融（PBF）可以产生高达44%的塑料粉末废料。此外，基于光固化树脂的打印会产生液态树脂废料，而3D打印的支撑结构经常被丢弃。 论文还概述了3D打印机能源使用对环境的负面影响。研究显示，大多数聚合物3D打印机的能耗超过了注塑ABS塑料的总能耗。同样，增材制造在加工每公斤金属材料时的能耗也高于铸造、模塑、锻造或挤压等传统工艺。 研究人员还质疑了增材制造能消除运输排放的说法。他们解释说，3D打印所需的原材料仍然需要全球运输，增材制造仅减少了“运输不同部件所用材料”的需求。 如何克服这些关于3D打印的误解？作者认为，答案在于进行更全面、基于背景的生命周期分析（LCA）。未来的分析应明确3D打印在何种方面存在可持续性问题。如果不考虑材料生产和生命周期末期的影响，可能会错失开发新型可持续3D打印材料和工艺的机会。 △研究人员对可持续增材制造的愿景   如何使3D打印更具可持续性 接下来，作者概述了如何使增材制造更具可持续性，并认为需要对3D打印工艺、机器和材料进行重新设计。其中一项建议是采用生物复合浆料替代直接墨水写入（DIW）3D打印中的塑料熔化。这种部件使用的材料和壁厚分别是直接墨水写入部件的五倍，对环境的影响却只有直接墨水写入部件的一半。然而，研究人员指出，要实现这一愿景，需要进一步改进这些浆料的机械性能。 此外，他们还强调了提高3D打印材料回收率的重要性。目前，多材料3D打印机导致可回收聚合物难以回收，因为它们无法相互分离并积累杂质。因此，作者认为这些材料应设计成可堆肥的成分，以实现环保的处理方式。 为提升增材制造的可持续性，下一步建议是利用可持续设计工具。作者建议将可持续发展功能纳入现有的DfAM工作流程中。例如，可以将生命周期评估集成到优化软件中，以指导材料选择、工艺参数和几何形状。 △一种偏远地区3D打印可持续风力发电机叶片的方案   3D打印的可持续发展潜力 作者进一步阐述了如何利用增材制造技术使现有的设计实践更具可持续性。他们认为，所有产品的设计都应便于维修和维护。在备件的大规模生产和长期储存不再成本效益时，快速成型制造技术可以按需生产备件。 此外，作者建议进行可升级性设计。制造商应关注更新现有产品，通过增加新特性和功能来满足客户不断变化的需求，从而延长产品寿命并减少浪费。然而，他们也承认，要确保这种商业模式的盈利能力，需要进一步的探索。 另一个设计考虑因素是零部件在生命周期结束后的可再利用性。这种方法旨在使零件易于拆卸并重新组装成新产品，赋予零件第二次生命。作者认为增材制造非常适合这种应用，但强调实现这一目标需要新的指导方针、决策支持和智能系统。 最后，研究人员指出，产品的设计应考虑到可回收利用。这通常导致原材料在质量上的降级循环利用。虽然增材制造已用于加工含不同比例回收成分的材料，但由于杂质可能导致打印失败，因此需要更多研究来确定如何最佳处理回收原料。 △一种可持续和可回收的3D打印粉末材料   可持续增材制造的未来 为了实现这一目标，该报告指出，需要最大限度地提高3D打印机的利用率，即减少全天候工作的3D打印机数量。这是因为这些技术可以减少生产每个部件所需的资源消耗和能源消耗，相比传统制造方法，可以达到10倍或者甚至100倍的减少。此外，还需要利用新一代技术和材料，以及考虑到增材制造可持续发展优势的设计流程。   研究人员最终认为，只有当主要利益相关者在实现可持续发展目标方面具有相同的意图和承诺时，才能实现他们对可持续增材制造的愿景。

行业新知 近日，斯洛伐克科技大学化学与食品技术学院Marian Janek带领的团队在《Journal of the European Ceramic Society》发表了题为Characteristics of sintered calcium deficient hydroxyapatite scaffolds produced by 3D printing的研究，验证了3D打印策略、烧结温度范围和钙缺乏羟基磷灰石支架的制备。 原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221924000621 奇遇科技官网：http://www.adventuretech.cn/ 如无法打开，请拷贝网址到浏览器查阅。   研究内容 羟基磷灰石（HA）是人体骨骼的重要组成部分，具有优越的机械强度和生物活性。合成材料如HA和β-磷酸三钙（β-TCP）相比自体骨移植，提供了个性化且成本有效的解决方案。 增材制造3D打印，在制作个性化植入物和支架中起着关键作用。本研究旨在优化并验证复合丝材的生产工艺、FDC技术的可打印性、脱脂优化和商业钙缺乏羟基磷灰石（CDHA）的烧结温度。 本研究中使用的商业钙缺乏羟基磷灰石粉末显示出宽XRD峰（图1A），表明其纳米级晶粒尺寸，并通过SEM分析（图3B,C）确认。初级晶粒大小在50至200纳米之间（图3C），聚集成数十微米大小的颗粒。 图1A-G显示了CDHA在不同温度下加热前后的XRPD图谱。 △图1，x射线衍射模式为CDHA A)和CDHA，温度为：1000B)、1100 C)、1200 D)、1200 D)、1300 E)，1400 F)和1500◦CG)。   Fowler在1974年对使用结构同位素取代的中FTIR中羟基磷灰石（HA）进行了详细的振动带分配和鉴定，振动带属性总结如表2所示。 △图2，红外光谱接收CDHA A)和CDHA烧结温度下：1000◦CB)，1100◦CC)，1200◦CD)，1300◦CE)，1400◦CF)和1500◦CG)。   图3显示出明显强烈的结构拉伸（3572cm-1）和振动OH振动（632cm-1），即使在1100◦C下烧结的CDHA样品仍然可见。 △图3，在不同放大倍数下接收CDHA粉末的扫描电镜图像和在不同放大条件下首次拉伸断裂后的纤维D-F)。   CDHA的热重行为，以及在50-1100◦C的加热范围内观察到的质量损失的一阶导数，如图4所示。 △图4，热重分析（TG）和差分热重分析（DTG）的A)接收CDHA和B)复合材料与~50%的CDHA粉末分散在热塑性粘合剂。   图5显示了在180、300和500◦C温度下用于生产保留相支架的热剥离状态，这些温度在TG/DTG测量中被确定为临界温度。 △图5，用于脱除和烧结的加热坡道。   图6直观地显示了在1100、1200、1300、1400和1500◦C温度下，100 %填充烧结的3D打印支架的变化。 △图6，由FDC A打印的脚手架)-在1100、1200、1300、1400和1500◦C烧结后打印的复合绿色体GB。B)-水平和垂直的脚手架收缩随烧结温度的变化。C)-支架质量和体积密度随烧结温度的变化。   图7采用光学显微镜图像和ImageJ软件对填充密度分别为42 %、48 %和52 %，并在1300◦C下烧结的多孔支架的收缩率进行了评价。 △图7，由42%（上）、48%（中）和52%（下）填充图案制备的直线支架在1300◦C温度下烧结，收缩率分别为37 %、35 %和34 %。   不同温度下CDHA烧结的SEM显微结构图如图8所示。 △图8，CDHA在A) 1000◦C，B)1100◦C，C)1200◦C) 1200◦C，D)1300◦C，E)1400◦C和F) 1500◦C)1500◦C处烧结的SEM图像。   在新的条件下，在1300、1400和1500◦C下烧结的NC、NCg和支架的细胞呈良好的指数生长。 △图9，100 %填充支架的3T3 NIH细胞数量-作为其处理条件的函数A)及其各自的生长曲线B)。   图10A的结果证实了培养表面和支架表面细胞增殖的良好条件。图10B阴性检查观察到轻微的滞后期。 △图10，48 %填充支架的3T3 NIH和HDF细胞数量-作为其处理条件的功能A)和HDF各自的生长曲线B)。   研究结论 本研究成功制备了含约50%羟基磷灰石和热塑性聚合物的复合丝材。研究发现，钙缺乏羟基磷灰石（CDHA, Ca/P ~1.54）在脱脂和烧结后形成不同晶相，影响支架的生物反应性，并收缩至37%。评估了丝材和3D打印支架的质量和可靠性，FDC工艺能生成适合血管化的孔径（约380 µm）。最佳烧结温度为1300℃，促进细胞增殖和生长，但实际应用需进一步优化材料特性。