AMPOWER發(fā)布金屬增材制造的可持續(xù)性報告，分析增材制造工藝鏈中的碳足跡

導(dǎo)讀：在過去的5年里，全球大氣中二氧化碳水平的持續(xù)上升和由此產(chǎn)生的氣候異常逐漸改變了社會各界對化石燃料排放的“躺平”心態(tài)，有關(guān)環(huán)境保護類的話題也頻繁出現(xiàn)在議桌之上。如今，政治、工業(yè)界的多數(shù)人都在致力于減少碳排放，以實現(xiàn)更可持續(xù)的生活方式。

在這種需求環(huán)境下，增材制造（AM）被作為一種新興生產(chǎn)技術(shù)被推廣開來，以減少排放，從而減少零件生產(chǎn)和整個產(chǎn)品生命周期的碳足跡。然而，各界對完整生產(chǎn)路線中的碳排放的詳細計算以及與傳統(tǒng)制造方法的客觀比較還很少。

2022年10月12日，南極熊獲悉，為解決上述挑戰(zhàn)，工業(yè)增材制造領(lǐng)域領(lǐng)先的戰(zhàn)略咨詢專家AMPOWER公司專門開發(fā)了一個二氧化碳足跡的可持續(xù)性計算程序。這個計算工具可以用于評估各種合金和技術(shù)組合中的碳排放是否達標(biāo)，并為其定制可持續(xù)的工藝路線。

此外，AMPOWER公司還發(fā)布了一份關(guān)于金屬增材制造工藝鏈中可持續(xù)性的分析報告，感興趣的熊友可以在此處下載：www.ampower.eu/insights。

總體而言，該分析報告主要聚焦于以下三個問題，并圍繞它們逐點展開了討論：

• 增材制造何時比傳統(tǒng)制造更具可持續(xù)性？
• 低碳足跡的重要影響因素是什么？
• 用戶如何利用增材制造來實現(xiàn)他們的碳減排目標(biāo)？
  

完整制造工藝鏈中的碳排放

事實上，關(guān)于哪種制造技術(shù)的碳足跡最低，業(yè)內(nèi)并沒有普適的答案。工業(yè)零件生產(chǎn)中總體碳足跡在很大程度上受到合金組和零件幾何形狀的影響，至于選擇何種制造技術(shù)也需要根據(jù)應(yīng)用場景進行針對性地討論。具有高成本-飛行比率的復(fù)雜幾何形狀更適合采用凈成形技術(shù)，如增材制造和鑄造，而簡單的零件如果采用銑削，可能是最可持續(xù)的。

AMPOWER所開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展計算程序允許計算各種合金和技術(shù)組合中的碳足跡，以及定制工藝路線。為了創(chuàng)建一個全面的工具，從材料提取和原料生產(chǎn)一直到精加工操作的完整工藝鏈都被考慮和實施。

每個制造過程都被詳細地分解到其工藝步驟的細微層面。對不同生產(chǎn)和制造過程的描述包括所有強制性和選擇性的工藝步驟，如熱處理，以實現(xiàn)工藝路線的個性化。此外，材料的回收也被考慮在所有合理的階段。回收率可以單獨適應(yīng)原料生產(chǎn)和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生多余材料的步驟（如支撐材料或研磨碎片）。

對于每個工藝步驟，都會建立一個詳細的工藝模型，包括所有的輸入和輸出參數(shù)。基于這個模型，可持續(xù)發(fā)展計算程序計算出能源和消耗品的消耗，并將其轉(zhuǎn)換為二氧化碳排放。

△增材制造在產(chǎn)品生命周期中的潛力

通用的輸入?yún)��?shù)和簡單的過程比較

在開發(fā)和設(shè)計階段的早期，廣泛的生命周期評估（LCA）所需的許多細節(jié)還不知道。然而，對替代設(shè)計和制造技術(shù)的二氧化碳足跡的估計和比較可能是一個有價值的決策參數(shù)。

AMPOWER的可持續(xù)發(fā)展計算程序可以進行快速和簡單的評估和比較�；�于一種通用的方法，該工具需要最小的輸入?yún)��?shù)來計算眾多不同制造技術(shù)的二氧化碳足跡。

此外，如果替代或優(yōu)化的零件設(shè)計是已知的，該工具允許直接比較傳統(tǒng)和優(yōu)化的零件設(shè)計。這產(chǎn)生了最高的結(jié)果準(zhǔn)確性和不同制造技術(shù)之間的 "公平 "比較。

除了有關(guān)零件設(shè)計和合金組的必要輸入變量外，該工具還提供各種選項和重寫。如果工藝參數(shù)設(shè)置或制造作業(yè)配置是已知的，那么補充信息將用于提高計算模型的準(zhǔn)確性。此外，還可以定義耗材、工藝路線或零件設(shè)計的變化。選項和重寫將不斷擴展和更新，以進一步提高可持續(xù)性計算程序的能力和準(zhǔn)確性。

△AMPOWER可持續(xù)性計算模型

能源消耗和CO2排放細顆粒的分解

AMPOWER可持續(xù)發(fā)展計算程序的模型是基于每公斤和每件的能源消耗，以允許通用零件評估。在程序頁面中，計算結(jié)果以每個零件的能源消耗來說明每個單一的工藝步驟。主要圖表分別顯示電能和一次能源。能源的細化分解和區(qū)分允許根據(jù)生產(chǎn)過程所在的當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，單獨分配每千瓦時的二氧化碳排放量。這使用戶能夠為其全球分布的工藝鏈建立多種方案。

為了生產(chǎn)金屬合金，需要大量的能源將開采的礦石加工成最終的金屬錠。在生命周期評估中，挖掘、加工和生產(chǎn)金屬錠所需的能源通常被稱為每公斤金屬合金的內(nèi)含或體現(xiàn)的能源。根據(jù)合金類型，需要電化學(xué)過程（電能）和工藝熱能（一次能源）來將自然形成的化學(xué)成分分離成單一的金屬元素。通常情況下，這些過程是非常密集的能源。另一方面，回收廢舊金屬來制造新的金屬錠，比從礦石到金屬錠的原始工藝路線使用的能量要少得多。

因此，在計算中要考慮到回收信用，這取決于原始鋼錠生產(chǎn)中的廢金屬量，以及考慮在零件的完整制造路線上的廢品回收（如銑削碎片）。AMPOWER可持續(xù)發(fā)展計算程序允許對鋼錠生產(chǎn)和所有工藝廢料進行從0到100%的單獨回收率。為了說明材料回收的效果，該工具顯示了最初所需的嵌入式能源（0%的回收），根據(jù)所選擇的回收率的回收信用，以及由此產(chǎn)生的實際認可于被評估零件的能源。

△能源消耗（千瓦時/部件）

金屬生產(chǎn)過程中二氧化碳排放的比較

通過比較由不同合金制造的相同部件的二氧化碳排放量可以發(fā)現(xiàn)，材料生產(chǎn)需要巨大的能源，像鈦合金的這種材料的生產(chǎn)所需要消耗的能源就尤其高。因此，針對于鈦合金材料，與銑削相比，粉末床熔融（PBF）、線弧增材和高度利用的粘結(jié)劑噴射（BJT）技術(shù)的增材技術(shù)可以大大減少碳足跡。由于它們技術(shù)本身的近凈成形優(yōu)勢，能夠制造出重量優(yōu)化的設(shè)計，材料的投入和因此而產(chǎn)生的內(nèi)含能源明顯較小，彌補了零件制造過程中較高的能源消耗。鋁合金和不銹鋼的內(nèi)含消耗能源則不那么突出。對于高生產(chǎn)率的粘結(jié)劑噴射技術(shù)，可以看到一個令人驚訝的積極前景。在從3D打印機到排膠和燒結(jié)爐的整個工藝鏈中實現(xiàn)高利用率，可以為未來的應(yīng)用帶來低碳足跡。

展望未來，原材料公司最好提高回收率，在鈦錠生產(chǎn)中使用廢料，并敦促材料供應(yīng)商在其生產(chǎn)過程中使用可再生能源，以減少原材料的二氧化碳足跡。

△按來源劃分的全球電力生產(chǎn)份額

優(yōu)化的增材制造組件在使用過程中的節(jié)約產(chǎn)生了很大影響

AMPOWER可持續(xù)發(fā)展計算程序只評估了產(chǎn)品生命周期內(nèi)的排放，直至成品部件�？紤]到產(chǎn)品在使用過程中的二氧化碳排放，需要額外的和個別的、特定的應(yīng)用數(shù)據(jù)。就飛機部件而言，重量通常與燃料消耗直接相關(guān)，因此也與二氧化碳排放相關(guān)。一個部件的潛在減重可以直接轉(zhuǎn)化為燃料的節(jié)省。在航空領(lǐng)域，這一優(yōu)勢體現(xiàn)在每年每公斤重量的減少可以節(jié)省2500升煤油的典型數(shù)值。假設(shè)飛機的使用壽命為20年，那么每架飛機的重量每減少1公斤，就可以節(jié)省高達50,000升煤油或126,000公斤二氧化碳。

將這一計算轉(zhuǎn)換到AMPOWER的示范性航空支架上，在飛機的使用壽命內(nèi)，二氧化碳的節(jié)省量累計達到43噸，這比生產(chǎn)中潛在的節(jié)省量要大得多。類似的節(jié)約可以在許多其他應(yīng)用中實現(xiàn)，如發(fā)動機、泵或渦輪機，其中重量減少或性能提高對使用中的排放有很大影響。

關(guān)于AMPOWER公司

AMPOWER是工業(yè)增材制造領(lǐng)域領(lǐng)先的戰(zhàn)略咨詢和思想領(lǐng)航者。該公司為投資者、初創(chuàng)企業(yè)以及3D打印技術(shù)的供應(yīng)商和用戶提供戰(zhàn)略決策、盡職調(diào)查方面的建議，并提供獨特的市場情報渠道。

在操作層面上，AMPOWER通過有針對性的培訓(xùn)計劃，支持內(nèi)部和外部機器能力的鑒定和技術(shù)基準(zhǔn)研究來支持增材制造的引入。該公司成立于2017年，總部設(shè)在德國漢堡，業(yè)務(wù)遍及全球。

報告下載

AMPOWER-Insights-Sustainability-of-metal-Additive-Manufacturingweb .pdf (2.7 MB, 下載次數(shù): 381)

2022-10-13 16:06 上傳

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