導讀：在本文中，采用了從搖籃到大門的生命周期評估（LCA）方法，通過對渦輪葉片制造的案例研究，詳細比較了混合增材制造（HAM）和傳統(tǒng)的CNC銑削過程在整體能耗和環(huán)境影響方面的表現(xiàn)。我們對六種環(huán)境影響進行了評估，包括酸化潛勢（AP）、富營養(yǎng)化潛勢（EP）、全球變暖潛勢（GWP）、光化學臭氧生成潛勢（POCP）、臭氧消耗潛勢（ODP）和無機非可再生資源消耗潛勢（ADP）。研究結果顯示，從生命周期的角度來看，HAM不僅能夠降低能源消耗和材料浪費，還能夠將環(huán)境影響降低53%。具體而言，HAM在GWP、AP、EP、ODP、POCP和ADP方面的結果僅為傳統(tǒng)CNC加工的32.2%、34.6%、44.7%、27.2%、25.6%和24.7%。
       增材制造（AM）正在引領著產(chǎn)品設計和制造的深刻變革。由于其眾多優(yōu)勢，包括設計的自由度、材料的節(jié)約、生產(chǎn)成本的降低以及制造碳足跡的減小，AM已經(jīng)成為制造業(yè)的主流。然而，由于一系列技術挑戰(zhàn)，如缺乏制造公差、表面粗糙度問題以及需要后處理等，AM在工業(yè)中的應用仍處于初級階段。最近，一種新興的混合增材制造（HAM）技術使得整個行業(yè)能夠充分發(fā)揮AM的潛力。HAM被定義為使用AM與一個或多個二次過程完全耦合并協(xié)同影響零件功能和工藝性能。這些二次過程包括減法和變形制造技術，例如加工、噴砂、噴丸、化學蝕刻和燒結等。HAM技術的實施將增強AM在創(chuàng)建高幾何復雜性和高精度3D結構以及光滑表面的能力。
       DED是一種基于激光的AM過程，通過層狀增材方法可以直接從原材料中制造三維零件。由于其獨特的能力可以制造完全致密的金屬組件和卓越的原材料機械性能，DED正在發(fā)展成為結構涂層、自由形狀制造和零部件修復的有前途的技術。將增材DED和減法CNC加工結合在一臺機器中已經(jīng)成為HAM市場的主要形式，它可以在單一設置中制造近凈形狀的零件，無需后處理。HAM為更可持續(xù)、一體化的制造提供了多種機會，被認為是AM的未來和行業(yè)的顛覆者。該制造技術的主要應用是修復現(xiàn)有零部件，例如噴氣發(fā)動機的渦輪葉片。
       HAM引起了精密行業(yè)的濃厚興趣，因為它不僅可以降低制造成本，還能提高技術公司的經(jīng)濟競爭力。最近的案例顯示HAM成功地應用于修復損壞的模具，并證明通過避免生產(chǎn)新模具時的資源消耗，HAM可以減少環(huán)境影響和生命周期成本。然而，就像任何其他新技術一樣，HAM面臨一系列挑戰(zhàn)，包括過程規(guī)劃、質(zhì)量控制與保證以及可持續(xù)性等方面。目前，AM社區(qū)不僅關注質(zhì)量保證，還關注由于自然資源枯竭和環(huán)境惡化導致的能源和環(huán)境影響。因此，AM行業(yè)現(xiàn)在有三個主要目標：可持續(xù)性、質(zhì)量保證和成本效益。實現(xiàn)可持續(xù)的AM具有挑戰(zhàn)性，因為需要綜合考慮和優(yōu)化各種因素，包括材料供應與使用、能源消耗、環(huán)境排放等。在進行可持續(xù)性評估時，所有這些因素都需要進行綜合考慮。

盡管HAM有著降低成本和減少材料浪費的巨大潛力，但與傳統(tǒng)制造相比，其可持續(xù)性表現(xiàn)仍不夠清晰。在本研究中，我們對基于DED的HAM和傳統(tǒng)CNC銑削制造渦輪葉片進行了可持續(xù)性評估。我們的目標是識別引發(fā)這兩種制造過程環(huán)境影響的關鍵因素，并通過減少這些環(huán)境影響來提升這些過程的可持續(xù)性。我們采用了從搖籃到大門生命周期評估（LCA）方法構建生命周期模型，并計算了這兩種制造過程的能耗和環(huán)境影響。本研究的結果將有助于評估HAM相對于CNC銑削的環(huán)境效益，并為決策者提供指導和可信的信息。此外，它還將全面了解HAM，從而幫助決策者選擇更加可持續(xù)的解決方案。文章的后續(xù)部分將按如下順序展開：在第2節(jié)中，我們將討論金屬AM過程可持續(xù)性評估的相關工作。在第3節(jié)中，我們將描述LCA程序。第4節(jié)將描述實驗設置和數(shù)據(jù)收集。在第5節(jié)中，我們將評估這兩種制造過程的可持續(xù)性性能，同時考察生命周期活動對可持續(xù)性性能的影響。最后，第6節(jié)將總結結論并展望未來工作。

相關工作
許多研究已對各種金屬增材制造（AM）工藝的可持續(xù)性進行了調(diào)查。從生命周期的角度來看，Simon Ford等人從四個方面，包括工藝重新設計、材料投入、定制零部件和產(chǎn)品制造，研究了AM相對于傳統(tǒng)制造的可持續(xù)性益處。Liu等人比較了HAM工藝和CNC加工工藝在軸承支架制造中的能源需求。他們發(fā)現(xiàn)HAM工藝中的制造階段消耗了大部分能源，而CNC加工工藝中的材料生產(chǎn)占據(jù)了最大比例的能源消耗。從廣義的角度來看，AM被認為比傳統(tǒng)制造更具可持續(xù)性，因為它具有更高的能源效率和更少的材料使用。金屬AM的環(huán)境性能因情況而異。已經(jīng)證明金屬AM的環(huán)境性能與零件尺寸和后處理中材料去除的體積直接相關。生命周期評估（LCA）和特定能耗（SEC）是常用于確定金屬AM可持續(xù)性評估的方法，如表1所總結。

表1. 金屬增材制造與傳統(tǒng)制造的可持續(xù)性評估摘要

由于逐層制造的特性，增材制造（AM）更適用于小批量生產(chǎn)。隨著生產(chǎn)量和零件復雜度水平的增加，每個零件的生產(chǎn)成本和能耗保持一致。對于傳統(tǒng)制造，如鑄造、鍛造和數(shù)控銑削，需要工具和模具，成本和能耗隨著零件復雜度水平的增加而增加，但隨著生產(chǎn)量的增加而降低。在DED AM工藝的可持續(xù)性評估中，采用了定量和定性方法，包括生命周期評估（LCA）、環(huán)境影響/風險評估、多準則決策分析、風險管理等。HAM是一種復雜的制造系統(tǒng)，結合了增材DED和減材數(shù)控銑削。其材料、能源和廢物流與傳統(tǒng)制造顯然有所不同，這給其環(huán)境可持續(xù)性評估帶來了挑戰(zhàn)。主要挑戰(zhàn)包括：（1）繪制評估的完整邊界；（2）數(shù)據(jù)收集和評估；以及（3）對環(huán)境排放進行科學評估。此外，具有不同材料、尺寸、設計和復雜性的零件將影響整體的可持續(xù)性性能。

結果和討論

生命周期環(huán)境影響分析
表4中的生命周期影響評估（LCIA）結果表明，在設計渦輪葉片制造過程中，HAM的環(huán)境負荷單位低于CNC。假設兩種制造過程的零件質(zhì)量相當，HAM從生命周期的角度可以幫助減少53%的環(huán)境影響。圖9展示了HAM和CNC的歸一化環(huán)境影響，顯示ADP和AP是兩個最重要的影響類別，其次是GWP和POCP。EP和ODP的量相對較小。

表4. HAM和CNC的LCIA結果

圖 9. HAM 和 CNC 的環(huán)境影響歸一化

圖10展示了每種環(huán)境影響對總體影響的百分比。HAM在GWP、AP、EP、ODP、POCP和ADP方面的結果僅為傳統(tǒng)CNC加工的32.2%、34.6%、44.7%、27.2%、25.6%和24.7%。這是因為CNC加工過程中消耗了更多的能量。另一方面，由于采購至飛行比更高（5.53:1 vs. 1.34:1），CNC的原材料消耗超過了HAM，這意味著在CNC過程中需要去除更多的材料。

圖 10. 每種環(huán)境影響占總體的百分比

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