基于生命周期評估的渦輪葉片混合增材制造的環(huán)境可持續(xù)性評估

作者: Zhichao Liu*, Faujia Islam, Israt Zarin Era, Manikanta Grandhi
來源： OAE開放科學(xué)

導(dǎo)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(xì)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(jìn)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(xué)臭氧生成潛勢（POCP）、臭氧消耗潛勢（ODP）和無機(jī)非可再生資源消耗潛勢（ADP）。研究結(jié)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(fèi)，還能夠?qū)�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(jié)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(lǐng)著產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的深刻變革。由于其眾多優(yōu)勢，包括設(shè)計(jì)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(shù)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(yīng)用仍處于初級階段。最近，一種新興的混合增材制造（HAM）技術(shù)使得整個(gè)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(gè)或多個(gè)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(shù)，例如加工、噴砂、噴丸、化學(xué)蝕刻和燒結(jié)等。HAM技術(shù)的實(shí)施將增強(qiáng)AM在創(chuàng)建高幾何復(fù)雜性和高精度3D結(jié)構(gòu)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(dú)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(jī)械性能，DED正在發(fā)展成為結(jié)構(gòu)涂層、自由形狀制造和零部件修復(fù)的有前途的技術(shù)。將增材DED和減法CNC加工結(jié)合在一臺機(jī)器中已經(jīng)成為HAM市場的主要形式，它可以在單一設(shè)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(jī)會，被認(rèn)為是AM的未來和行業(yè)的顛覆者。該制造技術(shù)的主要應(yīng)用是修復(fù)現(xiàn)有零部件，例如噴氣發(fā)動機(jī)的渦輪葉片。

HAM引起了精密行業(yè)的濃厚興趣，因?yàn)樗�不僅可以降低制造成本，還能提高技術(shù)公司的經(jīng)濟(jì)競爭力。最近的案例顯示HAM成功地應(yīng)用于修復(fù)損壞的模具，并證明通過避免生產(chǎn)新模具時(shí)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(shù)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(guān)注質(zhì)量保證，還關(guān)注由于自然資源枯竭和環(huán)境惡化導(dǎo)致的能源和環(huán)境影響。因此，AM行業(yè)現(xiàn)在有三個(gè)主要目標(biāo)：可持續(xù)性、質(zhì)量保證和成本效益。實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的AM具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樾枰�綜合考慮和優(yōu)化各種因素，包括材料供應(yīng)與使用、能源消耗、環(huán)境排放等。在進(jìn)行可持續(xù)性評估時(shí)，所有這些因素都需要進(jìn)行綜合考慮。

盡管HAM有著降低成本和減少材料浪費(fèi)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(jìn)行了可持續(xù)性評估。我們的目標(biāo)是識別引發(fā)這兩種制造過程環(huán)境影響的關(guān)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(gòu)建生命周期模型，并計(jì)算了這兩種制造過程的能耗和環(huán)境影響。本研究的結(jié)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(dǎo)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(guān)工作。在第3節(jié)中，我們將描述LCA程序。第4節(jié)將描述實(shí)驗(yàn)設(shè)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(shí)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(jié)結(jié)論并展望未來工作。

相關(guān)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(jìn)行了調(diào)查。從生命周期的角度來看，Simon Ford等人從四個(gè)方面，包括工藝重新設(shè)計(jì)、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(rèn)為比傳統(tǒng)制造更具可持續(xù)性，因?yàn)樗�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(guān)。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(jié)。

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(fù)雜度水平的增加，每個(gè)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(fù)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(fēng)險(xiǎn)評估、多準(zhǔn)則決策分析、風(fēng)險(xiǎn)管理等。HAM是一種復(fù)雜的制造系統(tǒng)，結(jié)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(jìn)行科學(xué)評估。此外，具有不同材料、尺寸、設(shè)計(jì)和復(fù)雜性的零件將影響整體的可持續(xù)性性能。

結(jié)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(jié)果表明，在設(shè)計(jì)渦輪葉片制造過程中，HAM的環(huán)境負(fù)荷單位低于CNC。假設(shè)兩種制造過程的零件質(zhì)量相當(dāng)，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(gè)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(jié)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(jié)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?yàn)镃NC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

能源消耗分析
在混合增材制造（HAM）和傳統(tǒng)數(shù)控銑削（CNC）中，每個(gè)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(jì)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(zhǔn)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(shù)控銑削中粗加工和精加工過程的能耗。圖11中ADP化石的結(jié)果表明，在電力生產(chǎn)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(chǎn)生，其次是原油和天然氣，因?yàn)樵诓考�制造過程中消耗的能量較多，而在運(yùn)輸中消耗的能量較少。對于CNC，能量主要由無煙煤和原油產(chǎn)生，其次是天然氣。這是因?yàn)樵贑NC中，在運(yùn)輸中消耗的能量相對更多。當(dāng)通過DED制造單個(gè)零件時(shí)，總體上，由于重量較小，材料運(yùn)輸過程對資源消耗的影響可以忽略不計(jì)。然而，通過CNC批量生產(chǎn)的零件將具有相當(dāng)大的與運(yùn)輸相關(guān)的環(huán)境影響。

圖 11. HAM 和 CNC 中的化石能源消耗

在實(shí)際的工業(yè)環(huán)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(chǎn)出之間的比率。在這項(xiàng)研究中，兩種制造過程的SEC（MJ/kg）被表示為每單位堆積質(zhì)量的能耗。根據(jù)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(bào)告的范圍（241 MJ/kg到339 MJ/kg）。這是因?yàn)镈ED需要更高功率的激光，并且后續(xù)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(shè)計(jì)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(jié)果和表征模型對影響指標(biāo)產(chǎn)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(jié)果的影響。本研究中，我們采用了龍卷風(fēng)圖來闡釋敏感性分析，假設(shè)每個(gè)LCI都呈正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差等于均值的10%。敏感性分析的結(jié)果展示了HAM和傳統(tǒng)CNC加工在每個(gè)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(jié)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(gè)生命周期過程對最終環(huán)境影響的貢獻(xiàn)存在變化。對于HAM，GWP、AP、EP、ADP和POCP的環(huán)境影響主要由通過DED進(jìn)行的部件制造和后處理所主導(dǎo)。這是因?yàn)樵谶@兩個(gè)過程中消耗了大部分能量，而能源生產(chǎn)過程產(chǎn)生了許多負(fù)面排放，如CO2、SO2、CH4、N2O等。所有這些負(fù)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(chǎn)有關(guān)。對于CNC，環(huán)境影響主要由CNC加工、汽油生產(chǎn)和鋼坯生產(chǎn)主導(dǎo)，這是因?yàn)榕cHAM相比，它具有更高的材料和能源消耗。

研究局限性
進(jìn)行生命周期評估（LCA）分析需要大量資源和時(shí)間，特別是在LCI數(shù)據(jù)收集方面。數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性應(yīng)該與目標(biāo)和范圍的定義相符，并滿足決策者的期望。由于機(jī)器、成本和時(shí)間的限制，通過HAM和CNC進(jìn)行的葉片制造是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上進(jìn)行的。因此，實(shí)驗(yàn)室和大規(guī)模生產(chǎn)之間的差異是無法避免的。在這個(gè)過程中，假設(shè)通過這兩種工藝制造的零件具有相同的性能和性能。實(shí)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(chǎn)品也會產(chǎn)生環(huán)境影響。質(zhì)量相關(guān)的問題和環(huán)境影響可能成為未來研究的有趣課題。

盡管上述結(jié)果可以闡明通過HAM制造渦輪葉片的環(huán)境效益，但值得注意的是，這是基于一個(gè)特定設(shè)計(jì)的零件計(jì)算的。渦輪葉片的高度可能比設(shè)計(jì)的零件更高。正如前面提到的，HAM中的能源消耗隨著生產(chǎn)量和零件復(fù)雜度水平的增加而保持一致，而在CNC中，隨著零件復(fù)雜度水平的增加而增加，在生產(chǎn)量增加時(shí)減少。如果考慮更大的葉片，HAM和CNC工藝之間的環(huán)境影響差異預(yù)計(jì)將變得更加明顯，因?yàn)樵阢娤鬟^程中將去除較少的材料。此外，這項(xiàng)LCA研究僅考慮了一個(gè)渦輪葉片。典型的空氣壓縮機(jī)葉片行包括100多個(gè)葉片。未來可以進(jìn)行不確定性分析，考慮不同數(shù)量的渦輪葉片的能源消耗和環(huán)境影響。

結(jié)論
本研究運(yùn)用生命周期評估（LCA）方法，對渦輪葉片生產(chǎn)中混合增材制造（HAM）和傳統(tǒng)數(shù)控銑削的整體環(huán)境性能進(jìn)行了詳細(xì)研究。最終的環(huán)境影響顯示，采用激光刀削加數(shù)控精加工的渦輪葉片制造路線，相較于傳統(tǒng)的數(shù)控銑削制造過程，產(chǎn)生的環(huán)境影響更小�？傮w而言，從生命周期的角度看，HAM能夠幫助減少53%的環(huán)境影響。具體來說，HAM在全球變暖潛勢（GWP）、酸化勢（AP）、富營養(yǎng)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(jié)果僅為傳統(tǒng)數(shù)控銑削的32.2%、34.6%、44.7%、27.2%、25.6%和24.7%。

在HAM和傳統(tǒng)數(shù)控銑削中，環(huán)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(gè)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(jīng)在工業(yè)中非常流行，因?yàn)樗�具有設(shè)計(jì)自由度、高性能和創(chuàng)建復(fù)雜形狀零件的能力等優(yōu)勢。本研究證明了即使在環(huán)境方面也提供了更好的性能。為促進(jìn)其工業(yè)發(fā)展，必須采取一些措施來提高材料和能源效率。本研究的結(jié)果不僅可以為HAM過程提供全面的環(huán)境概況，還可以在未來的工作中用于從生命周期的角度設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)進(jìn)行生態(tài)效益決策。

通訊作者介紹

劉志超，美國西弗吉尼亞州西弗吉尼亞大學(xué)工業(yè)與管理系統(tǒng)工程系，助理教授。
發(fā)表了70多篇學(xué)術(shù)著作，包括期刊文章、會議論文、書籍章節(jié)，被引用超過1000次。研究重點(diǎn)是先進(jìn)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(dān)任期刊Green Manufacturing Open編輯委員會的學(xué)術(shù)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(xué) 工業(yè)與管理系統(tǒng)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

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