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

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、生產成本的降低以及制造碳足跡的減小，AM已經成為制造業(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。隨著生產量和零件復雜度水平的增加，每個零件的生產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

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(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(huán)境影響。

圖 11. HAM 和 CNC 中的化石能源消耗

在實際的工業(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(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(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(tài)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(tǒng)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(huán)境影響的貢獻存在變化。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(huán)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(shù)據(jù)收集方面。數(shù)據(jù)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(guī)模上進行的。因此，實驗室和大規(guī)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(huán)境影響。質量相關的問題和環(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(huán)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(shù)量的渦輪葉片的能源消耗和環(huán)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(tǒng)數(shù)控銑削的整體環(huán)境性能進行了詳細研究。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(yè)中非常流行，因為它具有設計自由度、高性能和創(chuàng)建復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計產品時進行生態(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工業(yè)與管理系統(tǒng)工程系，助理教授。
發(fā)表了70多篇學術著作，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(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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