国际能源署（IEA）曾估计，全球制造技术的进步可将工业能源使用量削减18–26%。这一转变将转化为同等规模的二氧化碳减排。对我来说，这强化了一个信念：增材制造（AM）应是该方程式的一部分。特别是在能源和海事行业，备件生产已成为利用AM的首选策略，一个关键问题依然存在：我们如何计算（并证明）3D打印零件能够减少碳足迹？这正是本报告旨在解决的“百万美元问题”。

关注能源和海事行业的原因很简单：当我们跨行业比较时，能源行业（石油、天然气、煤炭、发电）和海事行业确实是全球最大的排放源之一，尽管方式不同。根据IEA的数据，约73%的全球排放来自能源使用（电力、热力和运输燃料）。国际航运约占全球CO₂排放的2–3%（IMO数据）。虽然这远低于整个能源行业，但依然显著。

我们的报道显示，能源公司正越来越多地通过合作项目联合起来，测试可能有助于应对气候变化的技术和应用。与此同时，海事行业正成为AM增长最快的采用者之一。为了提高生产效率、降低成本并改善船舶性能，造船商正在转向使用满足严格的流体动力学和耐久性要求的3D打印零件。这样一来，他们浪费的材料更少，获得了更大的设计自由度，并绕过了供应链瓶颈。

在阐明这一点后，本报告旨在强调：由于WAAM（电弧增材制造）、粘结剂喷射和粉末床熔融通常是能源和海事行业应用中最常用的技术，人们可能很容易认为它们在这些行业中更有利于低碳零件生产。

“没有哪一种AM技术特别突出、更受青睐，因为其适用性在很大程度上取决于具体应用、材料、零件设计以及组件的整个生命周期。然而，每种技术都有其自身的优缺点。例如，WAAM的碳足迹可能低于BJT和PBF，但丝材原料生产、保护气体（通常是氩气）生产以及打印后铣削的需求等因素，都会对其整体环境影响产生影响。BJT通常被认为在碳足迹方面介于WAAM和PBF之间。它不涉及原料熔化，但后处理（脱脂和烧结）可能会消耗大量能源。PBF被认为是最耗能的，但可以通过生产轻量化零件来抵消，从而提高效率，”Adam Saxty（劳氏船级社增材制造首席技术专家）告诉3D ADEPT Media。

也就是说，在AM出现之前，大多数零件是为机加工、铸造或锻造而设计的；根据应用的不同，世界各地的能源和海事公司仍广泛使用这些传统方法。无论采用何种技术，关注优质生产过程的共同标识都是值得的，无论是在AM还是传统制造中。

正如瓦锡兰增材制造创新经理Juho Raukola所解释的那样：“工业化、低废品率、高质量和最小化猜测是良好工业化生产方法的一些标识。因此，L-PBF和WAAM是我们在金属AM方面的选择；用于铸造过程的砂芯打印是一个可行的选择，特别是用于快速替代单件或小批量的铸件。”

另外，由于备件生产通常被认为是能源和海事行业利用AM的首选策略，人们可能很容易认为，测量这些行业生产的3D打印零件的碳足迹仍然是一个有吸引力的用例。但事实证明，并非所有公司都这么认为——至少瓦锡兰不是。“对我们来说，备件目前并不是AM最具吸引力的用例。因此，我们没有将3D打印备件与传统备件的碳足迹进行比较。如果将增材制造作为替代制造方法使用，我们通常会以缩短交货时间作为驱动因素，”Raukola表示。

总体而言，衡量AM影响的最广泛使用的策略是基于 ISO 14040/44 标准的生命周期评估（LCA）。当与传统制造工艺进行比较时，Saxty认可这一策略：“计算AM与传统制造环境影响的有效策略是考虑组件的生命周期，从所用原材料，到制造和使用方式，再到最终处置或回收方式。我们不应比较每种方法制造一个零件的能耗，而应考虑它在整个寿命周期内的性能表现以及帮助节约资源的程度。这种方法能对哪种方法更合适提供一个公平且完整的图景。”

在AM中，这通常意味着评估：原料生产（粉末雾化、线材挤出、树脂合成），打印过程能耗（激光、加热、运动、冷却、辅助设备），后处理，运输与分销，报废选项（粉末再利用、可回收性、处置）。

在AM行业，制造商使用不同的计算模型来估计AM与传统生产技术对环境的影响。根据Raukola的说法，有免费和付费模型选项。然而，他们的观察显示，即使输入数据和范围相同，AM生命周期评估（LCA）结果也存在显著差异。这些差异源于每个模型中假设的构建方式。在Raukola看来，比较两种广泛使用的AM LCA模型显示差异高达100%，这对于任何试图提出可靠可持续性案例来对抗传统制造的人来说都是令人困扰的。“我的建议是尽可能多地使用供应商自己基于测量得出的真实数据，”他肯定地说。

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Onno Ponfoort（贝伦斯霍特3D打印实践领导者）强调了正在开展ProGRAM JIP（联合产业项目）第三阶段的25家公司联盟所带来的不同方法。对于那些不了解的人，该联盟成立于2018年，旨在制定一份指南，阐述将AM制造的组件引入石油、天然气和海事行业所需的要求。项目的每个阶段都旨在实现特定目标。由贝伦斯霍特和DNV领导的第三阶段关键部分，旨在理解AM在零件碳足迹方面的可行性。“在JIP的示例案例中，定向能量沉积将CO₂排放量大幅减少：与传统生产方法相比，观察到减少了40-80%。这主要是通过减少材料使用（近净成形生产减少浪费）以及生产过程中相关的较低能耗实现的，”Ponfoort指出。

有趣的是，该团队使用了AMPower框架来衡量和比较AM与传统生产的碳足迹。该框架包含了所有基本要素，不仅包括材料生产和零件生产足迹，还包括运输、所用电力以及使用阶段等方面的因素。当被问及AM在整个生命周期中是否真的减少了排放时，他表示既是也不是。他们的用例结果显示，“与传统制造相比，AM并不总能降低制造对环境的影响。” “用于制造的能源结构对生产排放有显著影响。AM通常允许在有当地可再生能源的地区进行本地化和按需生产零件。大多数传统技术需要大型且能源密集型的生产设施。因此，AM更容易支持在能源结构更清洁的国家生产，并且生产更接近使用点，从而限制运输并可能减少物流排放，”他补充道。

话虽如此，ProGRAM JIP强调了材料浪费与回收以及修复与制造作为降低3D打印零件碳足迹的关键考虑因素的重要性：“减少材料浪费的影响部分被材料回收所抵消。当传统生产零件的材料可以回收时，这一点应在材料生产足迹中予以考虑。因此，AM生产过程中材料使用的潜在减少并不一定100%转化为成比例的碳排放减少。[此外]，零件可以通过AM进行可接受质量的修复或再制造。除了经济效益，用于修复或再制造的AM还提供了显著的可持续性优势。我们观察到，与传统技术生产新零件相比，CO₂节省高达80%。混合生产设置（将传统制造产生的简单库存几何形状与AM制造的复杂特征相结合）也显示出可持续性优势。”

3D打印的精确复制零件与AM优化零件在环境性能上是否存在差异？

简短的回答是：是的。我们的专家在下面提供了不同案例，其中这些差异显而易见。根据劳氏船级社专家的说法：“3D打印的复制零件将具有与传统制造组件相同的几何形状和类似的重量。然而，优化零件可以通过利用AM提供的设计灵活性，针对其特定应用进行重新设计。通过拓扑优化（一种在给定设计空间内优化材料布局的数学方法），可以使用改进的材料布局，从而实现更轻的设计。因此，生产过程中使用的材料更少，导致能耗更低，并且在组件整个使用寿命期间对环境的影响更小。”

“基于与FAME（芬兰增材制造生态系统）进行的可持续性研究，我们可以清楚地看到：按原样打印一个2公斤的316L钢零件，排放量会增加2到3倍；同样的设计用AlSi10Mg打印，CO₂排放量会增加25%；而针对AM原生模型进行彻底重新设计，与CNC加工组件相比实现了90%的减排。智能设计、材料消耗最小化是LCA效率的关键，因为粉末生产和打印过程中的电力消耗占AM生产总CO₂的90%以上。重新设计的备件为传统组件提供了显著的升级机会。通过利用设计自由度，我们可以在保持与现有接口兼容的同时增强组件功能。现场实施证明了性能的显著提升，证明了这种方法为现有装置带来了可衡量的价值，”瓦锡兰的专家补充道。

“当使用粉末床熔融AM技术（PBF-LB和PBF-EB）对传统铸造零件进行‘一对一’制造时，观察到生产阶段的排放增加。然而，应考虑为优化AM生产或改善零件在使用阶段的功能而进行的额外重新设计工作。这通常会产生积极影响，从而在与传统制造相比时，使AM生产或整个寿命周期内的性能在可持续性方面获得净收益，”Ponfoort补充道。

迄今为止，没有针对3D打印零件环境评估的AM特定规则。该行业仍然严重依赖通用的环境评估框架，Saxty证实了这一点：“监管框架和AM标准的通常方法侧重于可靠性、安全性和最小化失效风险，特别是对于能源和海事应用。IACS建议186*的发布凸显了这一点，该建议促进了AM在海事领域的安全有效采用。然而，此类标准并未评估AM的环境影响。学术界越来越多的研究正在开发评估AM环境影响的框架，尽管这项工作尚未纳入大多数认证体系。”

从我们与专家的讨论中可以清楚地看出，评估AM在能源和海事行业减排潜力需要仔细考虑。地理位置（影响电力的碳强度）、使用数字仓储以减少生产和运输、以及选择回收材料还是原生材料等因素也会影响整体足迹。当通过深思熟虑的工艺选择、设计优化、本地化生产和高效鉴定进行战略性应用时，AM可以显著降低海事零件的碳足迹。然而，收益仍然高度依赖于具体案例。这凸显了需要仔细建模、规划和基于数据的决策来充分实现其潜力。

三家公司为本报告贡献了专业知识。劳氏船级社（LR）为海事和海上行业提供船级社、合规和咨询服务。我们通过提供值得信赖的技术和数字解决方案来支持安全可持续的海洋经济，这些解决方案使海事脱碳和数字化成为可能。该公司提供的AM服务包括对AM生产的零件进行船级社和认证，以确保与同传统生产的零件相同的完整性标准。在此主题方面，LR一直致力于理解轻量化组件设计的好处以及如何将其整合到造船中。

瓦锡兰是海事和能源市场创新技术和生命周期解决方案的全球领导者，正在塑造这两个行业的脱碳进程。AM通过实现未来燃料（包括氨、甲醇和氢气）所必需的独特组件性能能力，加速了这一转型。虽然最小化生产排放仍然重要，但AM技术解锁了大规模替代化石燃料所需的发展速度和技术解决方案。在瓦锡兰工业AM的技术、应用和商业案例开发前线工作八年后，Raukola解释了他们在WHAM（瓦锡兰增材制造中心）如何找到答案。他们的方法结合了开发众多3D打印短期解决方案，同时培育长期战略押注、持续实验以及高度开放的共创。今天，他们距离突破瓦锡兰产品的关键任务AM组件已近在咫尺。

过去15年来，贝伦斯霍特一直指导公司有针对性地使用3D打印。该公司开发了贝伦斯霍特商业影响模型（3D BIM）：一种帮助公司深入了解3D打印可以为其业务带来的竞争优势的解决方案。该工具甚至通过投资计划和投资回收期指支持战略选择。