基于生命周期評估的渦輪葉片混合增材制造的環境可持續性評估(2)
時間：2024-01-03 09:33 來源：OAE開放科學 作者：admin 閱讀：次
能源消耗分析
在混合增材制造（HAM）和傳統數控銑削（CNC）中，每個生命周期階段都需要并消耗能源。從全生命周期的視角，通過方程（4）和（5）可以計算出HAM的總能源消耗（EHAM，MJ）和CNC的總能源消耗（ECNC，MJ）。
Ematerial包括粉末和基板的能耗，Epre-process包括建造準備期間的能耗，EPost-processing是表面處理的能耗。EMaterial是散狀材料的能耗，ECNC-roughing和ECNC-finishing代表數控銑削中粗加工和精加工過程的能耗。圖11中ADP化石的結果表明，在電力生產中使用了大量的煤、原油和天然氣。對于HAM，能量主要由無煙煤產生，其次是原油和天然氣，因為在部件制造過程中消耗的能量較多，而在運輸中消耗的能量較少。對于CNC，能量主要由無煙煤和原油產生，其次是天然氣。這是因為在CNC中，在運輸中消耗的能量相對更多。當通過DED制造單個零件時，總體上，由于重量較小，材料運輸過程對資源消耗的影響可以忽略不計。然而，通過CNC批量生產的零件將具有相當大的與運輸相關的環境影響。
圖 11. HAM 和 CNC 中的化石能源消耗
在實際的工業環境中，我們通常使用特定能耗（SEC）來評估能源消耗和效率，SEC是總能耗與過程有效產出之間的比率。在這項研究中，兩種制造過程的SEC（MJ/kg）被表示為每單位堆積質量的能耗。根據圖6，HAM和CNC的SEC分別為650
MJ/kg和967.5 MJ/kg。HAM的SEC略高于粉床熔化工藝中報告的范圍（241 MJ/kg到339
MJ/kg）。這是因為DED需要更高功率的激光，并且后續的CNC過程中消耗了更多的能量。SEC有助于HAM用戶對不同零件設計做出更好的決策。敏感性分析
敏感性分析用于衡量生命周期清單（LCI）結果和表征模型對影響指標產生的影響程度。在生命周期評估敏感性分析中，采用了逐一法這一方法，即通過改變輸入過程的某一比例，來觀察其對結果的影響。本研究中，我們采用了龍卷風圖來闡釋敏感性分析，假設每個LCI都呈正態分布，標準差等于均值的10%。敏感性分析的結果展示了HAM和傳統CNC加工在每個生命周期過程中GWP的變化，即輸出的變化程度，詳見圖12。
圖 12. 溫室氣體全球暖化潛勢結果的敏感性分析 (A) HAM 和 (B) CNC
在圖12中，條形的長度表示GWP相對于LCI的給定變化而變化的程度，全球變暖潛勢（GWP）的變化程度。由于輸入和輸出的差異，每個生命周期過程對最終環境影響的貢獻存在變化。對于HAM，GWP、AP、EP、ADP和POCP的環境影響主要由通過DED進行的部件制造和后處理所主導。這是因為在這兩個過程中消耗了大部分能量，而能源生產過程產生了許多負面排放，如CO2、SO2、CH4、N2O等。所有這些負面排放將顯著影響所選的影響類別。在HAM中，ODP更多地與粉末和基板材料的生產有關。對于CNC，環境影響主要由CNC加工、汽油生產和鋼坯生產主導，這是因為與HAM相比，它具有更高的材料和能源消耗。
研究局限性
進行生命周期評估（LCA）分析需要大量資源和時間，特別是在LCI數據收集方面。數據的質量和準確性應該與目標和范圍的定義相符，并滿足決策者的期望。由于機器、成本和時間的限制，通過HAM和CNC進行的葉片制造是在實驗室規模上進行的。因此，實驗室和大規模生產之間的差異是無法避免的。在這個過程中，假設通過這兩種工藝制造的零件具有相同的性能和性能。實際上，通過HAM制造的零件可能存在一些缺陷，并可能被拒絕使用。然而，這些被拒絕的產品也會產生環境影響。質量相關的問題和環境影響可能成為未來研究的有趣課題。
盡管上述結果可以闡明通過HAM制造渦輪葉片的環境效益，但值得注意的是，這是基于一個特定設計的零件計算的。渦輪葉片的高度可能比設計的零件更高。正如前面提到的，HAM中的能源消耗隨著生產量和零件復雜度水平的增加而保持一致，而在CNC中，隨著零件復雜度水平的增加而增加，在生產量增加時減少。如果考慮更大的葉片，HAM和CNC工藝之間的環境影響差異預計將變得更加明顯，因為在銑削過程中將去除較少的材料。此外，這項LCA研究僅考慮了一個渦輪葉片。典型的空氣壓縮機葉片行包括100多個葉片。未來可以進行不確定性分析，考慮不同數量的渦輪葉片的能源消耗和環境影響。
結論
本研究運用生命周期評估（LCA）方法，對渦輪葉片生產中混合增材制造（HAM）和傳統數控銑削的整體環境性能進行了詳細研究。最終的環境影響顯示，采用激光刀削加數控精加工的渦輪葉片制造路線，相較于傳統的數控銑削制造過程，產生的環境影響更小。總體而言，從生命周期的角度看，HAM能夠幫助減少53%的環境影響。具體來說，HAM在全球變暖潛勢（GWP）、酸化勢（AP）、富營養化勢（EP）、臭氧層破壞勢（ODP）、大氣污染生成勢（POCP）和化石資源消耗勢（ADP）方面的結果僅為傳統數控銑削的32.2%、34.6%、44.7%、27.2%、25.6%和24.7%。
在HAM和傳統數控銑削中，環境影響主要由電力和材料消耗決定。由于DED過程中材料效率相對較低，在堆積過程中會有大量金屬粉末丟失。因此，在葉片制造過程中，會消耗更多的粉末材料。另一方面，在CNC過程中需要去除大量原材料，而CNC的采購至飛行比高于DED葉片制造；因此，整個CNC過程需要比HAM過程更多的能量。
采用金屬粉末的直接能量沉積增材制造已經在工業中非常流行，因為它具有設計自由度、高性能和創建復雜形狀零件的能力等優勢。本研究證明了即使在環境方面也提供了更好的性能。為促進其工業發展，必須采取一些措施來提高材料和能源效率。本研究的結果不僅可以為HAM過程提供全面的環境概況，還可以在未來的工作中用于從生命周期的角度設計產品時進行生態效益決策。
通訊作者介紹
發表了70多篇學術著作，包括期刊文章、會議論文、書籍章節，被引用超過1000次。研究重點是先進材料和制造、定向能量沉積、增材制造和生命周期工程。
目前擔任期刊Green Manufacturing Open編輯委員會的學術編輯，為期刊審過多篇稿件。他也是 ASME、ASEE 和 IISE 的成員。
通訊地址: 美國西弗吉尼亞大學 工業與管理系統工程系
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
全文鏈接：https://www.oaepublish.com/articles/gmo.2022.08
(責任編輯：admin)
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