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两个塑料玩具的故事
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如果有人递给你两个同样大小的塑料玩具，一个是大规模生产的，一个是3D打印的，你能否猜出哪个玩具的制作过程对环境造成的污染更小？很多人都会直接得出结论：3D打印的塑料玩具比大规模生产的塑料玩具更环保。你同意吗？
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答案取决于每个玩具的产品生命周期，或者说由生产、销售渠道以及将产品送到最终目的地（即销售点）的储运所形成的产业链。每个产品生命周期的末端都是废弃处理，人们玩够了就会将其扔掉。
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想象一下，假设这两个塑料玩具会说话，你问它们是在哪里制造的、怎么组装的，最后怎么到达购买者手里的？
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假设大规模生产的玩具首先回答你的问题。它会告诉你，他的生命雏形是一大堆鱼卵大小的塑料球，称为“原料球”。有时会有调皮的原料球逃出包装袋，被冲进海洋和河流。这些原料球随着水流曲折前行到营养丰富的浮游动物聚集基地，使那里的海洋动物和海鸟们窒息并慢慢受到毒害。形成这个玩具的原料球则被倒进了一台注塑机里，从而成为一只玩具的外形，被扔在了流水线上。
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流水线很可能就位于中国南方的一家近海工厂，全世界大概80%的玩具都产自那里。这个大规模生产的塑料玩具就是这家公司生产的成千上万个相同塑料玩具中的一个，它第一眼看见的人类面孔可能就是将它全身塑料零部件啪啪组合在一起的工厂工人。
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大规模生产的玩具也许看起来都很普通，大多数都是四海为家的“全球旅行者”。这个玩具和它一模一样的同伴们被装在一个运输箱里，离开了生产它们的工厂，并开始了几千英里的旅程，轮船、火车、汽车，一路的碳排放。旅途的终点是一家商场的库房，工作人员开始拆箱。几周后，这个玩具就上了商场的存货清单，放置在货架上等待出售，并抵达它的最终目的地：一个孩子愉快地把它带回家。
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假设这一场景继续演下去，下面该轮到3D打印的玩具回答问题了。这个玩具会解释它是独一无二的，它的设计并不是由玩具公司的市场营销部门或者设计部门构思出来的，相反，它的设计是基于一个视频游戏—《阿凡达》。
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这个3D打印的玩具色彩鲜亮，就像它的设计灵感来源—视频游戏《阿凡达》一样，它也拥有褶皱精致的斗篷，披在它的肩膀和后背上。打印玩具的生命雏形不是一堆塑料球，而是一堆塑料粉末。一位客户在公司网站上下了订单，上传他的游戏人物，并输入了信用卡密码后，3D打印玩具最终获得生命。
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当玩具公司收到订单后，公司的工程师就开始将上传的数字化文件调整为可打印的设计图纸。大部分转化过程是自动进行的，因为游戏人物的数字化形式已经存在了。设计图纸最终获得客户的认可后，被送到附近的一家小打印店里打印出来。
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故事讲到这里，3D打印玩具会这样描述第一眼看见它的那个人：一位把它从打印台上拉起来的打印店员工。这位技术熟练的“接生婆”掸去玩具身上多余的粉末，用软布擦亮，抛光。最后，另一位打印店员工将成品放进一个小纸盒里，用联邦快递把它送到了客户手中。
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哪个塑料玩具的生产过程更环保？从第一眼看，似乎3D打印的塑料玩具对环境的污染更少，它是在发达国家的一家干净整洁、符合规定的打印店里制作出来的，那里的工作条件优越，安全标准达标，人们遵循各种劳动法规。运输一个小小的联邦快递包裹留下的碳足迹远远小于运输几百个大纸箱。3D打印玩具与工厂注塑机毫不相关，也没有在集装箱、卡车或者飞机里沿着碳排放的轨迹环游世界。它的店面就是一个简单的网站，不需要加热，也不需要点火。
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这样看来，3D打印过程仿佛是环境保护的救世主，但考虑到两个玩具都是用非生物降解塑料制成的，每制造一磅产品，一台3D打印机的耗电量至少是一台注塑机的10倍。尽管名声不好，注塑机实际上非常清洁节能，当推动塑料球成形时，注塑机几乎不产生任何废物副产品。最后，大批量运往各地的小规模货运流通网络也并不环保。综上所述，我们得出的结论是：如果3D打印成品运输扩大至全球，那么就没有任何环保意义了。
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更绿色环保的制造
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能否实现更绿色环保的制造取决于能否全面开发3D打印独有的制造能力。3D打印技术具有如下取代大规模生产制造的潜力：首先，3D打印机制造出的产品外形能够根据应用或环境进行优化；其次，对堆满货物的仓库进行维护会加重环境负担，相比之下，储存随时可以打印的设计图纸或者数字化的产品清单更经济环保；再次，总有一天，分布式的3D打印制造可以使各公司就近进行本地生产；最后，3D打印技术还可以进一步开发其潜力，使用可回收利用的或环保的打印材料进行生产。
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低碳制造：3D打印能做到
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低碳曾经意味着仅限于面包、意大利面和土豆的饮食。在制造业里，低碳意味着“低碳排放”，一种更有效节能的设计生产方法。对于在诺丁汉大学（之前在拉夫堡大学）的研究人员来说，低碳制造意味着降低整个产品生命周期内的碳足迹，包括从产品设计到产品生产、部件组装、运输分配以及最终的报废处理。
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“现在的产品从设计制造到最终分销给消费者，各个环节通常都很浪费。”诺丁汉大学教授理查德·黑格解释道，“这主要是由于传统制造过程限制了我们目前的设计、制造和供应链。”理查德和几位同事对3D打印和传统制造所留下的碳足迹进行了深入的对比研究，他们将研究成果称为“阿特金斯可行性研究”（向著名的阿特金斯低碳水化合物饮食法致敬）。
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阿特金斯可行性研究的目的在于评估3D打印机能否减少制造业的碳足迹。研究人员测量了制造过程的每个方面对环境的影响：能源消耗，制造过程产生的废料，运输网络。为了完成整体性评估，研究人员进行了计算，试图得知优越的设计和优化的产品外形（仅指3D打印生产的优势）能否在接下来的整个产品生命周期里给环境带来益处。例如，优化的3D打印产品能否在重量上更轻便、在性能上更优越、在耐久性上更出色。
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结果很复杂，总体而言，与传统的制造机器相比，在制造相同重量的零部件过程中，使用聚合物材料的3D打印机的耗电量至少是传统制造机器耗电量的10倍。工业规模3D打印机使用激光器（或者高温）凝固粉状聚合物，与注塑机的注压成型过程相比，多产生约65%的废弃塑料材料。研究人员分析的一些3D打印机需要使用热固性聚合物，这种材料不能回收，因为如果加热就会改变它的材料属性。这些结果表明，尽管3D打印过程精度很高，但不是所有的3D打印制造过程都是无废料可循环的。
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研究人员发现，打印有很多较大空隙的塑料产品的制作过程特别浪费。中空的物体需要更多的支撑材料，这些材料会产生额外的废弃塑料粉末。尽管一些多余的支撑材料可以回收，但是研究人员发现，平均只有40%的多余原塑料粉末在接下来的打印过程中可以回收利用，而其余60%则通常被倒入垃圾处理站了。好消息是水溶性的支撑材料利用率越来越高。
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研究人员发现，与注塑机的冷却过程相比，打印塑料对环境确实有一些好处。由于打印塑料的生产过程缓慢，大部分3D打印的部件制作出来后都不是特别热。而在注塑过程中，当塑料球被用力挤压进模具里时，它们就变得非常热，这时就需要冷却剂。通常来说，工厂需要使用一种叫作“脱模剂”的有毒化学物质将塑料从注塑模具中弄出来。
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对比3D打印塑料，3D打印金属相对传统的金属制造技术具有更多的优点。研究人员发现，几乎所有3D打印剩下的金属粉末都能回收利用。相比之下，传统的金属制造过程（研磨、机械加工或铸型）更浪费，在使用某些金属制造方法时，废弃副产品中竟剩下90%的原材料。例如，制造一个1千克的飞机零件就需要消耗多达15千克的金属原材料。
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由于阿特金斯可行性研究的目的在于研究整个产品生命周期过程中产生的碳足迹，研究人员对3D打印在全球供应链中对下游的影响进行了分析。如果公司使用适合3D打印的制造模式，如数字化库存、当地即时生产以及分散式的制造模式，那么生产制造的过程就可能实现绿色环保。阿特金斯可行性研究的结论就是，应用阿特金斯制造方法生产适合的零件和组件，特别是体积小但价值高的零部件，可以有效地降低库存成本和库存水平。
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