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CIE|把3D打印假肢做成闭环供应链：成本、排放与社会收益怎样一起优化

一篇CIE论文用MOPSO模型，把定制假肢的生产、检测、配送、回收和再利用放进同一个三目标决策框架

论文信息

论文题名：A closed-loop supply chain model for additive manufacturing: Balancing economic, environmental, and social objectives

作者：Tanu Tyagi，Abhinav Goel，Anand Chauhan

期刊/年份：CIE，2026

这篇论文把患者定制假肢的增材制造、智能自主检测、配送、回收和废弃处理放进闭环供应链模型，用MOPSO同时处理成本、环境影响和社会收益。

  • 01：研究对象是AM驱动的定制假肢闭环供应链，覆盖原料供应、生产厂、配送中心、需求区、回收中心和回收再利用环节。
  • 02：模型目标包括最小化经济成本、最小化环境影响、最大化社会收益，并用Pareto解集呈现三类目标之间的可选方案。
  • 03：数值实验显示，提出的CLSSC-CPro相较开环基准降低系统经济成本，并把废弃物回收量提高到7977.80吨。

研究背景

定制假肢对患者个体差异非常敏感，传统制造链条面对小批量、个性化和质量保障时容易出现交付慢、材料浪费和回收弱的问题。论文把增材制造引入这一场景，是因为AM可以从数字模型直接成形复杂结构，减少模具依赖，并支撑更接近需求端的生产组织。

患者数据采集、CAD建模、材料选择、增材制造和后处理构成的定制假肢制造流程

Fig. 1：面向患者定制假肢的增材制造流程。来源：Fig. 1

论文关注的背景并不限于制造工艺本身，还包括假肢生命周期末端的回收和再利用。作者指出，现有供应链模型较少同时处理产品定制、生产中的质量检测、生命周期环境影响和系统化回收，因此难以支撑医疗制造中的三重底线决策。

既有研究在增材制造、LCA、回收、自主检测、社会目标、经济目标和优化方法上的比较

Table 1：既有研究在关键维度上的比较。来源：Table 1

核心问题

论文提出四个研究问题：怎样为定制假肢设计同时包含正向物流和逆向物流的闭环框架；经济、环境和社会目标之间会出现哪些权衡；需求变化怎样影响系统绩效；优化闭环方案相较开环或未优化基准表现如何。

这篇论文的核心落点是把定制假肢从“生产完成即结束”的链条，扩展为“生产、检测、配送、回收、再利用、废弃处理”共同决策的系统。

原料供应、增材制造、自主检测、配送、市场、回收中心、再制造和废弃处理组成的闭环供应链框架

Fig. 2：定制假肢闭环供应链框架。来源：Fig. 2

  • 经济目标覆盖安装、采购、库存、生产、后处理、检测、返工、回收、运输、废弃处理和宣传成本。
  • 环境目标基于LCA和ReCiPe2016方法，汇总人类健康、生态系统质量和资源消耗影响。
  • 社会目标关注欠发达地区设施投资带来的经济发展效应，以及运输和设施运营带来的就业指标。

方法框架

模型将供应链表示为多级网络：两个原材料供应点、两个生产厂、两个配送中心、两个需求区和两个回收中心。正向流负责原料采购、AM生产和配送，逆向流负责从市场回收废弃假肢，再送回生产端进行回收处理。

1建立CLSSC-CPro网络：供应点、生产厂、配送中心、需求区、回收中心共同构成闭环。

2写入三类目标函数：经济成本最小、环境影响最小、社会收益最大。

3加入产能、库存、运输、回收、需求满足和上下界约束。

4用MOPSO生成非支配解集，并与NSGA-II基准算法进行对照。

质量保障由智能自主检测承担，论文假设使用X-ray CT技术进行缺陷检测，缺陷假肢进入返工流程。检测成本和返工成本被纳入经济目标，相关质量控制并未被单独放在生产端之外，而是作为供应链决策的一部分处理。

MOPSO求解CLSSC-CPro模型得到的三目标Pareto前沿

Fig. 4：CLSSC-CPro的MOPSO Pareto前沿。来源：Fig. 4

MOPSO与NSGA-II在经济、环境和社会目标上的目标函数值对比

Table 5：MOPSO与NSGA-II的目标函数值对比。来源：Table 5

案例或实验设置

数值案例使用文献中的制造、回收、废弃处理和运输参数，需求被设定为完全满足。论文给出的网络年需求为5767吨，规划期内生产约7563吨定制假肢，车辆运行假设包括每辆货车2名人员、每周42小时、每年48个工作周、平均速度65公里每小时。

案例中的距离、环境影响、就业、失业率、区域发展水平和设施容量参数

Table 3 continued：数值案例的环境、社会与容量参数。来源：Table 3 continued

年需求

5767吨

数值案例中定制假肢需求被完全满足

规划期生产量

约7563吨

用于支撑供应链网络运行和回收流分析

环境影响按生命周期框架处理，采用ReCiPe2016层级视角，端点类别包括人类健康、生态系统质量和资源消耗，权重分别为40%、40%和20%。社会收益则由区域经济发展与就业指标组成，两个指标在归一化后赋予相同权重。

结果分析

结果显示，系统总成本中生产厂安装成本占比约62%，原材料采购约占25%，这说明关键成本压力主要来自设施建设和原料投入。摘要还指出，废弃假肢回收占比最高可达80%，这一结果受研究中设定的回收和检测政策驱动。

生产厂、配送中心、需求区、市场和回收中心之间的最优运输量网络

Fig. 3：提出方案中的最优运输量网络。来源：Fig. 3

开环基准供应链与CLSSC-CPro在经济成本和废弃物回收上的对比

Table 6：开环供应链与CLSSC-CPro的经济成本和废弃物回收对比。来源：Table 6

与开环基准相比，提出的CLSSC-CPro经济成本从1.20586×10^9美元降至1.085808437×10^9美元，废弃物回收量从5016吨提高到7977.80吨。环境和社会指标在基准研究中未报告，因此论文没有给出这两类目标的直接数值对比。

生产厂安装成本、原材料采购成本等关键参数对经济目标的敏感性分析

Fig. 6：关键参数敏感性分析。来源：Fig. 6

管理启示

敏感性分析给管理者的第一条线索是生产厂安装成本和原材料采购成本最值得优先控制。论文指出，生产厂安装成本下降50%时总成本下降约15%；原材料采购成本上升50%时总成本上升约25%，这两个参数直接牵动系统成本结构。

需求变化和宣传有效性变化对经济、环境和社会目标的影响

Fig. 7：需求和宣传有效性变化对三类目标的影响。来源：Fig. 7

需求上升会推动供应链运营活动增加，使经济目标和环境目标的数值同步上行，同时也提升社会绩效，因为更多假肢需求被满足，并带动制造、运输和相关服务岗位。宣传有效性被纳入需求函数，说明市场触达也会影响供应链设计结果。

五组Pareto最优方案在经济、环境和社会目标上的排序表现

Table 9：不同Pareto最优方案在三类目标上的比较。来源：Table 9

这篇论文的可用价值在于把定制假肢的闭环网络设计转化为可选方案集：管理者可以按成本、环境或社会目标的优先级选择Pareto方案，并把生产设施投资、原材料采购、回收政策和需求管理放在同一张决策表里评估。

论文：A closed-loop supply chain model for additive manufacturing: Balancing economic, environmental, and social objectives

作者：Tanu Tyagi，Abhinav Goel，Anand Chauhan

期刊：CIE

链上镖师、先卜交通、先卜运筹通用论文ID

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