Har additiv tillverkning potential att förändra hur vi hanterar material och produkter och möjliggöra cirkularitet? Även om metoden är på god väg att utvecklas och tillämpas inom olika områden finns flera utmaningar som måste lösas innan den kan bidra till ett hållbart samhälle, sett ur ett systemperspektiv. Det skriver en internationell forskargrupp från bland annat Chalmers i tidskriften Nature Sustainability.
Omställningen till en cirkulär ekonomi är en strategi som antagits av bland annat EU-länderna för att uppnå de globala målen för hållbar utveckling. En cirkulär ekonomi kännetecknas av att nyttjandet av nya material och produkter begränsas, genom till exempel återanvändning och återvinning. På så sätt används resurserna cirkulärt i stället för att sluta som avfall.
För att klara av omställningen till en cirkulär ekonomi krävs förändringar inom tillverkningsindustrin då en hållbar produktion och konsumtion är avgörande. En produktionsmetod som ofta lyfts fram som ett hållbart alternativ till konventionell tillverkning (såsom gjutning och smide) är additiv tillverkning, även kallat 3D-printing.
– Det finns många hållbarhetsfördelar med additiv tillverkning. Det är exempelvis lättare att designa olika former, vilket bland annat gör att man på kort tid kan producera specialdelar. Detta bidrar till att det blir lättare att reparera och underhålla produkter så att de kan användas längre, säger Sophie I. Hallstedt som är professor i produktutveckling vid institutionen för industri- och materialvetenskap.
Inom additiv tillverkning skapar man objekt av råmaterial, i form av exempelvis pulver, genom att bygga lager för lager. Det är motsatsen till subtraktiv tillverkning där material i stället bearbetas bort för att forma objekt.
– Eftersom man bygger en produkt genom att addera material ger additiv tillverkning även möjligheten att optimera materialanvändningen och minska materialsvinn. Man kan också uppnå designlösningar med lägre vikt och till exempel få ner tyngden på flygmotorer och komponenter inom bilbranschen, säger Sophie I. Hallstedt.
Ursprungligen användes additiv tillverkning främst för att tillverka prototyper för produktutveckling. Idag används metoden dock i stor utsträckning för att tillverka användningsklara produkter, bland annat komponenter till flyg- och rymdfarkoster och metallimplantat såsom ledproteser.
Hållbarhetsutmaningar hindrar en cirkulär process
Trots fördelarna med additiv tillverkning kan metoden inte anses vara helt hållbar i dagsläget. I en artikel som publicerats i tidskriften Nature Sustainability presenterar en internationell forskargrupp en vision för hur additiv tillverkning skulle kunna bidra i omställningen till ett hållbart och cirkulärt samhälle, men poängterar att flera utmaningar måste lösas för att förverkliga den.
– En hållbarhetsutmaning inom additiv tillverkning är att metoden ofta kräver mycket energi. Dessutom uppstår restprodukter i tillverkningen som inte alltid kan återanvändas, vilket betyder att det trots allt blir en del materialsvinn, säger Sophie I. Hallstedt, som är en av de sju författarna till artikeln.
En ytterligare utmaning med additiv tillverkning är att man förvänta sig en snabb utveckling av metoden för att den ska kunna fungera i stor skala och användas för massproduktion. Denna förändring beräknas ske inom en snar framtid.
– För närvarande står additiv tillverkning för cirka 2 procent av all global tillverkningsverksamhet, men den beräknas stå för över 9 procent år 2032 och användas inom flera olika sektorer, som exempelvis mat- och byggindustrin, säger Sophie I. Hallstedt.
Helhetsperspektivet avgörande för hållbarheten
Utöver de enskilda utmaningarna menar författarna att det krävs åtgärder på systemnivå för att uppnå hållbarhetsvisionen. De betonar att man behöver ha ett helhetsperspektiv för att förstå vilka förändringar som krävs och lyfter fram förslag på hur de kan genomföras på en övergripande nivå.
– Vi menar att systemtänkande möjliggör för hållbar additiv tillverkning. Vi kan inte bara fokusera på energibesparingar och minskad materialanvändning utan måste anta ett helhetsperspektiv för att få med alla hållbarhetsaspekter, säger Sophie I. Hallstedt.
– Vi måste exempelvis väga in vilka aktörer som behöver samverka för cirkularitet och på vilket sätt; hur vi kan skapa förlängda livscykler för produkter; och hur den sociala påverkan ser ut genom hela livscykeln.
Produktutvecklare behöver se till hela livscykeln för en produkt.
En central del av visionen är att produkter redan tidigt i innovationsprocessen måste utvecklas med hänsyn till hållbarhet för att additiv tillverkning ska kunna stödja både mer hållbara och cirkulära lösningar. Många av utmaningarna som hindrar additiv tillverkning från att vara en cirkulär metod kan enligt författarna lösas med hållbar produktutveckling.
– Om man exempelvis utvecklar produkter så att de enkelt går att demontera och återmontera kan man ge dem ett längre liv genom att underlätta för reparationer, underhåll, uppgradering och återanvändning. En annan väsentlig del i produktutvecklingsprocessen är att välja rätt material. Det är viktigt att råmaterialet är biobaserat eller återvunnet och att det inte förknippas med någon negativ social påverkan, säger Sophie I. Hallstedt.
– Produktutvecklare behöver alltså se till hela livscykeln för en produkt, från inköp av material till användningsscenario och slutanvändning.
Gemensamma insatser krävs
Eftersom additiv tillverkning är en metod som fortfarande utvecklas och växer menar författarna att möjligheterna för att uppnå en hållbar process bör utforskas nu, innan kortsiktiga och resurskrävande tillvägagångssätt förankras. För att visionen om en hållbar additiv tillverkning ska bli verklighet krävs dock att alla inblandade jobbar mot samma mål.
– Visionen kan bara förverkligas om alla aktörer och intressenter som är involverade i produktionskedjan delar avsikter och har ett gemensamt engagemang för hållbarhetsmålen. Vi hoppas att industrin ska anta ett långsiktigt ekologiskt, socialt och ekonomiskt systemperspektiv och investera i hållbara lösningar för additiv tillverkning, säger Sophie I. Hallstedt.
– Vi hoppas också att fler forskare, tillsammans med industripartner, intresserar sig för att lösa de utmaningar som hindrar additiv tillverkning från att möjliggöra ett hållbart och cirkulärt samhälle. Med vår artikel identifierar vi de viktigaste forskningsgapen som man bör fokusera på.
Läs mer
Artikeln “A vision for sustainable additive manufacturing” är resultatet av ett samarbete mellan forskare från Chalmers, Politecnico di Milano, Delfts tekniska universitet, ETH Zurich, Free University of Bozen-Bolzano, Pennsylvania State University och Agency for Science, Technology and Research (A*STAR).
Forskarna arbetar inom områdena hållbar produktutveckling och design för additiv tillverkning.
- Professor, Produktutveckling, Industri- och materialvetenskap