导读：在本文中，采用了从摇篮到大门的生命周期评估（LCA）方法，通过对涡轮叶片制造的案例研究，详细比较了混合增材制造（HAM）和传统的CNC铣削过程在整体能耗和环境影响方面的表现。我们对六种环境影响进行了评估，包括酸化潜势（AP）、富营养化潜势（EP）、全球变暖潜势（GWP）、光化学臭氧生成潜势（POCP）、臭氧消耗潜势（ODP）和无机非可再生资源消耗潜势（ADP）。研究结果显示，从生命周期的角度来看，HAM不仅能够降低能源消耗和材料浪费，还能够将环境影响降低53%。具体而言，HAM在GWP、AP、EP、ODP、POCP和ADP方面的结果仅为传统CNC加工的32.2%、34.6%、44.7%、27.2%、25.6%和24.7%。
增材制造（AM）正在引领着产品设计和制造的深刻变革。由于其众多优势，包括设计的自由度、材料的节约、生产成本的降低以及制造碳足迹的减小，AM已经成为制造业的主流。然而，由于一系列技术挑战，如缺乏制造公差、表面粗糙度问题以及需要后处理等，AM在工业中的应用仍处于初级阶段。最近，一种新兴的混合增材制造（HAM）技术使得整个行业能够充分发挥AM的潜力。HAM被定义为使用AM与一个或多个二次过程完全耦合并协同影响零件功能和工艺性能。这些二次过程包括减法和变形制造技术，例如加工、喷砂、喷丸、化学蚀刻和烧结等。HAM技术的实施将增强AM在创建高几何复杂性和高精度3D结构以及光滑表面的能力。
DED是一种基于激光的AM过程，通过层状增材方法可以直接从原材料中制造三维零件。由于其独特的能力可以制造完全致密的金属组件和卓越的原材料机械性能，DED正在发展成为结构涂层、自由形状制造和零部件修复的有前途的技术。将增材DED和减法CNC加工结合在一台机器中已经成为HAM市场的主要形式，它可以在单一设置中制造近净形状的零件，无需后处理。HAM为更可持续、一体化的制造提供了多种机会，被认为是AM的未来和行业的颠覆者。该制造技术的主要应用是修复现有零部件，例如喷气发动机的涡轮叶片。
HAM引起了精密行业的浓厚兴趣，因为它不仅可以降低制造成本，还能提高技术公司的经济竞争力。最近的案例显示HAM成功地应用于修复损坏的模具，并证明通过避免生产新模具时的资源消耗，HAM可以减少环境影响和生命周期成本。然而，就像任何其他新技术一样，HAM面临一系列挑战，包括过程规划、质量控制与保证以及可持续性等方面。目前，AM社区不仅关注质量保证，还关注由于自然资源枯竭和环境恶化导致的能源和环境影响。因此，AM行业现在有三个主要目标：可持续性、质量保证和成本效益。实现可持续的AM具有挑战性，因为需要综合考虑和优化各种因素，包括材料供应与使用、能源消耗、环境排放等。在进行可持续性评估时，所有这些因素都需要进行综合考虑。
尽管HAM有着降低成本和减少材料浪费的巨大潜力，但与传统制造相比，其可持续性表现仍不够清晰。在本研究中，我们对基于DED的HAM和传统CNC铣削制造涡轮叶片进行了可持续性评估。我们的目标是识别引发这两种制造过程环境影响的关键因素，并通过减少这些环境影响来提升这些过程的可持续性。我们采用了从摇篮到大门生命周期评估（LCA）方法构建生命周期模型，并计算了这两种制造过程的能耗和环境影响。本研究的结果将有助于评估HAM相对于CNC铣削的环境效益，并为决策者提供指导和可信的信息。此外，它还将全面了解HAM，从而帮助决策者选择更加可持续的解决方案。文章的后续部分将按如下顺序展开：在第2节中，我们将讨论金属AM过程可持续性评估的相关工作。在第3节中，我们将描述LCA程序。第4节将描述实验设置和数据收集。在第5节中，我们将评估这两种制造过程的可持续性性能，同时考察生命周期活动对可持续性性能的影响。最后，第6节将总结结论并展望未来工作。
相关工作
许多研究已对各种金属增材制造（AM）工艺的可持续性进行了调查。从生命周期的角度来看，Simon
Ford等人从四个方面，包括工艺重新设计、材料投入、定制零部件和产品制造，研究了AM相对于传统制造的可持续性益处。Liu等人比较了HAM工艺和CNC加工工艺在轴承支架制造中的能源需求。他们发现HAM工艺中的制造阶段消耗了大部分能源，而CNC加工工艺中的材料生产占据了最大比例的能源消耗。从广义的角度来看，AM被认为比传统制造更具可持续性，因为它具有更高的能源效率和更少的材料使用。金属AM的环境性能因情况而异。已经证明金属AM的环境性能与零件尺寸和后处理中材料去除的体积直接相关。生命周期评估（LCA）和特定能耗（SEC）是常用于确定金属AM可持续性评估的方法，如表1所总结。
表1. 金属增材制造与传统制造的可持续性评估摘要
由于逐层制造的特性，增材制造（AM）更适用于小批量生产。随着生产量和零件复杂度水平的增加，每个零件的生产成本和能耗保持一致。对于传统制造，如铸造、锻造和数控铣削，需要工具和模具，成本和能耗随着零件复杂度水平的增加而增加，但随着生产量的增加而降低。在DED
AM工艺的可持续性评估中，采用了定量和定性方法，包括生命周期评估（LCA）、环境影响/风险评估、多准则决策分析、风险管理等。HAM是一种复杂的制造系统，结合了增材DED和减材数控铣削。其材料、能源和废物流与传统制造显然有所不同，这给其环境可持续性评估带来了挑战。主要挑战包括：（1）绘制评估的完整边界；（2）数据收集和评估；以及（3）对环境排放进行科学评估。此外，具有不同材料、尺寸、设计和复杂性的零件将影响整体的可持续性性能。
结果和讨论
生命周期环境影响分析
表4中的生命周期影响评估（LCIA）结果表明，在设计涡轮叶片制造过程中，HAM的环境负荷单位低于CNC。假设两种制造过程的零件质量相当，HAM从生命周期的角度可以帮助减少53%的环境影响。图9展示了HAM和CNC的归一化环境影响，显示ADP和AP是两个最重要的影响类别，其次是GWP和POCP。EP和ODP的量相对较小。
表4. HAM和CNC的LCIA结果
图 9. HAM 和 CNC 的环境影响归一化
图10展示了每种环境影响对总体影响的百分比。HAM在GWP、AP、EP、ODP、POCP和ADP方面的结果仅为传统CNC加工的32.2%、34.6%、44.7%、27.2%、25.6%和24.7%。这是因为CNC加工过程中消耗了更多的能量。另一方面，由于采购至飞行比更高（5.53:1
vs. 1.34:1），CNC的原材料消耗超过了HAM，这意味着在CNC过程中需要去除更多的材料。
图 10. 每种环境影响占总体的百分比
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