综述：增材制造中可持续减废策略的创新与最佳实践

这篇综述系统探讨了增材制造(AM)领域的可持续减废策略，重点分析了设计优化、材料选择、工艺改进、循环经济和技术创新五大核心方向。文章通过案例研究展示了人工智能(AI)、机器学习(ML)和数字孪生等技术在减少粉末浪费、优化支撑结构方面的应用，为平衡AM产业发展与环境保护提供了系统性解决方案。

　　

增材制造(AM)的可持续减废革命

1. 增材制造中的废弃物挑战
   AM技术虽比传统减材制造更环保，但粉末残留、支撑结构、失败打印等仍造成显著浪费。选择性激光烧结(SLS)工艺中，20kg构建体积会产生25%的粉末浪费；金属AM过程中，能源浪费导致的碳足迹问题尤为突出。这些废弃物不仅增加CO₂排放，未回收的塑料支撑结构还会加剧微塑料污染。

2. 可持续减废策略
   3.1 设计优化与材料创新
   拓扑优化技术可减少高达90%的材料消耗，福特汽车通过该技术将原型制作成本降低70%。生物基材料如聚乳酸(PLA)的应用，配合自支撑角度设计，能显著减少支撑结构需求。Materialise公司通过智能粉末混合监控，将SLS粉末回用率从50%提升至80%。

3.2 智能生产与循环经济
数字孪生技术可实现实时工艺模拟，西门子借此将产品开发时间缩短50%。Authentise开发的粉末追踪系统，使钛合金等贵金属粉末回用节省30-50%成本。闭环回收体系特别适用于医疗领域，个性化假体生产可减少20%原材料浪费。

1. 技术创新实践案例
   4.1 工业级解决方案
   波音公司采用生成式设计制造的飞机部件，重量减轻64%同时保持结构强度。Procter & Gamble通过零废物计划，年回收2300万瓶塑料，减少27%单位水耗。

4.2 跨学科技术融合
AI驱动的视觉检测系统将打印失败率降低90%，机器学习算法优化支撑结构设计可节约40%材料。混合制造技术结合AM与切削加工，使近净成形零件的后处理废料减少60%。

1. 挑战与未来方向
   当前主要障碍包括：聚合物回收后的性能衰减（3-5次循环后强度下降15%）、金属粉末回收设备的高成本（单台超50万美元）、以及缺乏国际标准认证体系。未来研究应聚焦：

• 开发耐降解的生物复合材料
• 建立AM废物生命周期数据库
• 制定粉末回用的行业标准

1. 结论
   AM技术通过层积制造本质上的材料节约优势，结合智能优化与循环设计，正在重塑可持续制造范式。随着AI赋能的粉末管理系统和数字化闭环生产模式的成熟，AM有望在2030年前实现"零废工厂"的产业转型，为《巴黎协定》的碳排放目标提供关键技术支撑。