基于生命周期评估的涡轮叶片混合增材制造的环境可持续性评估(2)
时间:2024-01-03 09:33 来源:OAE开放科学 作者:admin 点击:次
能源消耗分析 在混合增材制造（HAM）和传统数控铣削（CNC）中，每个生命周期阶段都需要并消耗能源。从全生命周期的视角，通过方程（4）和（5）可以计算出HAM的总能源消耗（EHAM，MJ）和CNC的总能源消耗（ECNC，MJ）。 
Ematerial包括粉末和基板的能耗，Epre-process包括建造准备期间的能耗，EPost-processing是表面处理的能耗。EMaterial是散状材料的能耗，ECNC-roughing和ECNC-finishing代表数控铣削中粗加工和精加工过程的能耗。图11中ADP化石的结果表明，在电力生产中使用了大量的煤、原油和天然气。对于HAM，能量主要由无烟煤产生，其次是原油和天然气，因为在部件制造过程中消耗的能量较多，而在运输中消耗的能量较少。对于CNC，能量主要由无烟煤和原油产生，其次是天然气。这是因为在CNC中，在运输中消耗的能量相对更多。当通过DED制造单个零件时，总体上，由于重量较小，材料运输过程对资源消耗的影响可以忽略不计。然而，通过CNC批量生产的零件将具有相当大的与运输相关的环境影响。 
图 11. HAM 和 CNC 中的化石能源消耗
在实际的工业环境中，我们通常使用特定能耗（SEC）来评估能源消耗和效率，SEC是总能耗与过程有效产出之间的比率。在这项研究中，两种制造过程的SEC（MJ/kg）被表示为每单位堆积质量的能耗。根据图6，HAM和CNC的SEC分别为650
MJ/kg和967.5 MJ/kg。HAM的SEC略高于粉床熔化工艺中报告的范围（241 MJ/kg到339
MJ/kg）。这是因为DED需要更高功率的激光，并且后续的CNC过程中消耗了更多的能量。SEC有助于HAM用户对不同零件设计做出更好的决策。敏感性分析 敏感性分析用于衡量生命周期清单（LCI）结果和表征模型对影响指标产生的影响程度。在生命周期评估敏感性分析中，采用了逐一法这一方法，即通过改变输入过程的某一比例，来观察其对结果的影响。本研究中，我们采用了龙卷风图来阐释敏感性分析，假设每个LCI都呈正态分布，标准差等于均值的10%。敏感性分析的结果展示了HAM和传统CNC加工在每个生命周期过程中GWP的变化，即输出的变化程度，详见图12。 
图 12. 温室气体全球暖化潜势结果的敏感性分析 (A) HAM 和 (B) CNC
在图12中，条形的长度表示GWP相对于LCI的给定变化而变化的程度，全球变暖潜势（GWP）的变化程度。由于输入和输出的差异，每个生命周期过程对最终环境影响的贡献存在变化。对于HAM，GWP、AP、EP、ADP和POCP的环境影响主要由通过DED进行的部件制造和后处理所主导。这是因为在这两个过程中消耗了大部分能量，而能源生产过程产生了许多负面排放，如CO2、SO2、CH4、N2O等。所有这些负面排放将显著影响所选的影响类别。在HAM中，ODP更多地与粉末和基板材料的生产有关。对于CNC，环境影响主要由CNC加工、汽油生产和钢坯生产主导，这是因为与HAM相比，它具有更高的材料和能源消耗。 研究局限性 进行生命周期评估（LCA）分析需要大量资源和时间，特别是在LCI数据收集方面。数据的质量和准确性应该与目标和范围的定义相符，并满足决策者的期望。由于机器、成本和时间的限制，通过HAM和CNC进行的叶片制造是在实验室规模上进行的。因此，实验室和大规模生产之间的差异是无法避免的。在这个过程中，假设通过这两种工艺制造的零件具有相同的性能和性能。实际上，通过HAM制造的零件可能存在一些缺陷，并可能被拒绝使用。然而，这些被拒绝的产品也会产生环境影响。质量相关的问题和环境影响可能成为未来研究的有趣课题。 尽管上述结果可以阐明通过HAM制造涡轮叶片的环境效益，但值得注意的是，这是基于一个特定设计的零件计算的。涡轮叶片的高度可能比设计的零件更高。正如前面提到的，HAM中的能源消耗随着生产量和零件复杂度水平的增加而保持一致，而在CNC中，随着零件复杂度水平的增加而增加，在生产量增加时减少。如果考虑更大的叶片，HAM和CNC工艺之间的环境影响差异预计将变得更加明显，因为在铣削过程中将去除较少的材料。此外，这项LCA研究仅考虑了一个涡轮叶片。典型的空气压缩机叶片行包括100多个叶片。未来可以进行不确定性分析，考虑不同数量的涡轮叶片的能源消耗和环境影响。 结论 本研究运用生命周期评估（LCA）方法，对涡轮叶片生产中混合增材制造（HAM）和传统数控铣削的整体环境性能进行了详细研究。最终的环境影响显示，采用激光刀削加数控精加工的涡轮叶片制造路线，相较于传统的数控铣削制造过程，产生的环境影响更小。总体而言，从生命周期的角度看，HAM能够帮助减少53%的环境影响。具体来说，HAM在全球变暖潜势（GWP）、酸化势（AP）、富营养化势（EP）、臭氧层破坏势（ODP）、大气污染生成势（POCP）和化石资源消耗势（ADP）方面的结果仅为传统数控铣削的32.2%、34.6%、44.7%、27.2%、25.6%和24.7%。 在HAM和传统数控铣削中，环境影响主要由电力和材料消耗决定。由于DED过程中材料效率相对较低，在堆积过程中会有大量金属粉末丢失。因此，在叶片制造过程中，会消耗更多的粉末材料。另一方面，在CNC过程中需要去除大量原材料，而CNC的采购至飞行比高于DED叶片制造；因此，整个CNC过程需要比HAM过程更多的能量。 采用金属粉末的直接能量沉积增材制造已经在工业中非常流行，因为它具有设计自由度、高性能和创建复杂形状零件的能力等优势。本研究证明了即使在环境方面也提供了更好的性能。为促进其工业发展，必须采取一些措施来提高材料和能源效率。本研究的结果不仅可以为HAM过程提供全面的环境概况，还可以在未来的工作中用于从生命周期的角度设计产品时进行生态效益决策。 通讯作者介绍 
发表了70多篇学术著作，包括期刊文章、会议论文、书籍章节，被引用超过1000次。研究重点是先进材料和制造、定向能量沉积、增材制造和生命周期工程。 目前担任期刊Green Manufacturing Open编辑委员会的学术编辑，为期刊审过多篇稿件。他也是 ASME、ASEE 和 IISE 的成员。 通讯地址: 美国西弗吉尼亚大学 工业与管理系统工程系 引用信息：Liu Z, Islam F, Era IZ, Grandhi M. LCA-based environmental sustainability assessment of hybrid additive manufacturing of a turbine blade. Green Manuf Open 2023;1:7. http://dx.doi.org/10.20517/gmo.2022.08 全文链接：https://www.oaepublish.com/articles/gmo.2022.08 (责任编辑：admin) |