基于生命周期评估的涡轮叶片混合增材制造的环境可持续性评估

作者: Zhichao Liu*, Faujia Islam, Israt Zarin Era, Manikanta Grandhi
来源： OAE开放科学

导读：在本文中，采用了从摇篮到大门的生命周期评估（LCA）方法，通过对涡轮叶片制造的案例研究，详细比较了混合增材制造（HAM）和传统的CNC铣削过程在整体能耗和环境影响方面的表现。我们对六种环境影响进行了评估，包括酸化潜势（AP）、富营养化潜势（EP）、全球变暖潜势（GWP）、光化学臭氧生成潜势（POCP）、臭氧消耗潜势（ODP）和无机非可再生资源消耗潜势（ADP）。研究结果显示，从生命周期的角度来看，HAM不仅能够降低能源消耗和材料浪费，还能够将环境影响降低53%。具体而言，HAM在GWP、AP、EP、ODP、POCP和ADP方面的结果仅为传统CNC加工的32.2%、34.6%、44.7%、27.2%、25.6%和24.7%。


增材制造（AM）正在引领着产品设计和制造的深刻变革。由于其众多优势，包括设计的自由度、材料的节约、生产成本的降低以及制造碳足迹的减小，AM已经成为制造业的主流。然而，由于一系列技术挑战，如缺乏制造公差、表面粗糙度问题以及需要后处理等，AM在工业中的应用仍处于初级阶段。最近，一种新兴的混合增材制造（HAM）技术使得整个行业能够充分发挥AM的潜力。HAM被定义为使用AM与一个或多个二次过程完全耦合并协同影响零件功能和工艺性能。这些二次过程包括减法和变形制造技术，例如加工、喷砂、喷丸、化学蚀刻和烧结等。HAM技术的实施将增强AM在创建高几何复杂性和高精度3D结构以及光滑表面的能力。

DED是一种基于激光的AM过程，通过层状增材方法可以直接从原材料中制造三维零件。由于其独特的能力可以制造完全致密的金属组件和卓越的原材料机械性能，DED正在发展成为结构涂层、自由形状制造和零部件修复的有前途的技术。将增材DED和减法CNC加工结合在一台机器中已经成为HAM市场的主要形式，它可以在单一设置中制造近净形状的零件，无需后处理。HAM为更可持续、一体化的制造提供了多种机会，被认为是AM的未来和行业的颠覆者。该制造技术的主要应用是修复现有零部件，例如喷气发动机的涡轮叶片。

HAM引起了精密行业的浓厚兴趣，因为它不仅可以降低制造成本，还能提高技术公司的经济竞争力。最近的案例显示HAM成功地应用于修复损坏的模具，并证明通过避免生产新模具时的资源消耗，HAM可以减少环境影响和生命周期成本。然而，就像任何其他新技术一样，HAM面临一系列挑战，包括过程规划、质量控制与保证以及可持续性等方面。目前，AM社区不仅关注质量保证，还关注由于自然资源枯竭和环境恶化导致的能源和环境影响。因此，AM行业现在有三个主要目标：可持续性、质量保证和成本效益。实现可持续的AM具有挑战性，因为需要综合考虑和优化各种因素，包括材料供应与使用、能源消耗、环境排放等。在进行可持续性评估时，所有这些因素都需要进行综合考虑。

尽管HAM有着降低成本和减少材料浪费的巨大潜力，但与传统制造相比，其可持续性表现仍不够清晰。在本研究中，我们对基于DED的HAM和传统CNC铣削制造涡轮叶片进行了可持续性评估。我们的目标是识别引发这两种制造过程环境影响的关键因素，并通过减少这些环境影响来提升这些过程的可持续性。我们采用了从摇篮到大门生命周期评估（LCA）方法构建生命周期模型，并计算了这两种制造过程的能耗和环境影响。本研究的结果将有助于评估HAM相对于CNC铣削的环境效益，并为决策者提供指导和可信的信息。此外，它还将全面了解HAM，从而帮助决策者选择更加可持续的解决方案。文章的后续部分将按如下顺序展开：在第2节中，我们将讨论金属AM过程可持续性评估的相关工作。在第3节中，我们将描述LCA程序。第4节将描述实验设置和数据收集。在第5节中，我们将评估这两种制造过程的可持续性性能，同时考察生命周期活动对可持续性性能的影响。最后，第6节将总结结论并展望未来工作。

相关工作
许多研究已对各种金属增材制造（AM）工艺的可持续性进行了调查。从生命周期的角度来看，Simon Ford等人从四个方面，包括工艺重新设计、材料投入、定制零部件和产品制造，研究了AM相对于传统制造的可持续性益处。Liu等人比较了HAM工艺和CNC加工工艺在轴承支架制造中的能源需求。他们发现HAM工艺中的制造阶段消耗了大部分能源，而CNC加工工艺中的材料生产占据了最大比例的能源消耗。从广义的角度来看，AM被认为比传统制造更具可持续性，因为它具有更高的能源效率和更少的材料使用。金属AM的环境性能因情况而异。已经证明金属AM的环境性能与零件尺寸和后处理中材料去除的体积直接相关。生命周期评估（LCA）和特定能耗（SEC）是常用于确定金属AM可持续性评估的方法，如表1所总结。

表1. 金属增材制造与传统制造的可持续性评估摘要

由于逐层制造的特性，增材制造（AM）更适用于小批量生产。随着生产量和零件复杂度水平的增加，每个零件的生产成本和能耗保持一致。对于传统制造，如铸造、锻造和数控铣削，需要工具和模具，成本和能耗随着零件复杂度水平的增加而增加，但随着生产量的增加而降低。在DED AM工艺的可持续性评估中，采用了定量和定性方法，包括生命周期评估（LCA）、环境影响/风险评估、多准则决策分析、风险管理等。HAM是一种复杂的制造系统，结合了增材DED和减材数控铣削。其材料、能源和废物流与传统制造显然有所不同，这给其环境可持续性评估带来了挑战。主要挑战包括：（1）绘制评估的完整边界；（2）数据收集和评估；以及（3）对环境排放进行科学评估。此外，具有不同材料、尺寸、设计和复杂性的零件将影响整体的可持续性性能。

结果和讨论

生命周期环境影响分析
表4中的生命周期影响评估（LCIA）结果表明，在设计涡轮叶片制造过程中，HAM的环境负荷单位低于CNC。假设两种制造过程的零件质量相当，HAM从生命周期的角度可以帮助减少53%的环境影响。图9展示了HAM和CNC的归一化环境影响，显示ADP和AP是两个最重要的影响类别，其次是GWP和POCP。EP和ODP的量相对较小。

表4. HAM和CNC的LCIA结果

图 9. HAM 和 CNC 的环境影响归一化

图10展示了每种环境影响对总体影响的百分比。HAM在GWP、AP、EP、ODP、POCP和ADP方面的结果仅为传统CNC加工的32.2%、34.6%、44.7%、27.2%、25.6%和24.7%。这是因为CNC加工过程中消耗了更多的能量。另一方面，由于采购至飞行比更高（5.53:1 vs. 1.34:1），CNC的原材料消耗超过了HAM，这意味着在CNC过程中需要去除更多的材料。

图 10. 每种环境影响占总体的百分比

能源消耗分析
在混合增材制造（HAM）和传统数控铣削（CNC）中，每个生命周期阶段都需要并消耗能源。从全生命周期的视角，通过方程（4）和（5）可以计算出HAM的总能源消耗（EHAM，MJ）和CNC的总能源消耗（ECNC，MJ）。

Ematerial包括粉末和基板的能耗，Epre-process包括建造准备期间的能耗，EPost-processing是表面处理的能耗。EMaterial是散状材料的能耗，ECNC-roughing和ECNC-finishing代表数控铣削中粗加工和精加工过程的能耗。图11中ADP化石的结果表明，在电力生产中使用了大量的煤、原油和天然气。对于HAM，能量主要由无烟煤产生，其次是原油和天然气，因为在部件制造过程中消耗的能量较多，而在运输中消耗的能量较少。对于CNC，能量主要由无烟煤和原油产生，其次是天然气。这是因为在CNC中，在运输中消耗的能量相对更多。当通过DED制造单个零件时，总体上，由于重量较小，材料运输过程对资源消耗的影响可以忽略不计。然而，通过CNC批量生产的零件将具有相当大的与运输相关的环境影响。

图 11. HAM 和 CNC 中的化石能源消耗

在实际的工业环境中，我们通常使用特定能耗（SEC）来评估能源消耗和效率，SEC是总能耗与过程有效产出之间的比率。在这项研究中，两种制造过程的SEC（MJ/kg）被表示为每单位堆积质量的能耗。根据图6，HAM和CNC的SEC分别为650 MJ/kg和967.5 MJ/kg。HAM的SEC略高于粉床熔化工艺中报告的范围（241 MJ/kg到339 MJ/kg）。这是因为DED需要更高功率的激光，并且后续的CNC过程中消耗了更多的能量。SEC有助于HAM用户对不同零件设计做出更好的决策。

敏感性分析
敏感性分析用于衡量生命周期清单（LCI）结果和表征模型对影响指标产生的影响程度。在生命周期评估敏感性分析中，采用了逐一法这一方法，即通过改变输入过程的某一比例，来观察其对结果的影响。本研究中，我们采用了龙卷风图来阐释敏感性分析，假设每个LCI都呈正态分布，标准差等于均值的10%。敏感性分析的结果展示了HAM和传统CNC加工在每个生命周期过程中GWP的变化，即输出的变化程度，详见图12。

图 12. 温室气体全球暖化潜势结果的敏感性分析 (A) HAM 和 (B) CNC

在图12中，条形的长度表示GWP相对于LCI的给定变化而变化的程度，全球变暖潜势（GWP）的变化程度。由于输入和输出的差异，每个生命周期过程对最终环境影响的贡献存在变化。对于HAM，GWP、AP、EP、ADP和POCP的环境影响主要由通过DED进行的部件制造和后处理所主导。这是因为在这两个过程中消耗了大部分能量，而能源生产过程产生了许多负面排放，如CO2、SO2、CH4、N2O等。所有这些负面排放将显著影响所选的影响类别。在HAM中，ODP更多地与粉末和基板材料的生产有关。对于CNC，环境影响主要由CNC加工、汽油生产和钢坯生产主导，这是因为与HAM相比，它具有更高的材料和能源消耗。

研究局限性
进行生命周期评估（LCA）分析需要大量资源和时间，特别是在LCI数据收集方面。数据的质量和准确性应该与目标和范围的定义相符，并满足决策者的期望。由于机器、成本和时间的限制，通过HAM和CNC进行的叶片制造是在实验室规模上进行的。因此，实验室和大规模生产之间的差异是无法避免的。在这个过程中，假设通过这两种工艺制造的零件具有相同的性能和性能。实际上，通过HAM制造的零件可能存在一些缺陷，并可能被拒绝使用。然而，这些被拒绝的产品也会产生环境影响。质量相关的问题和环境影响可能成为未来研究的有趣课题。

尽管上述结果可以阐明通过HAM制造涡轮叶片的环境效益，但值得注意的是，这是基于一个特定设计的零件计算的。涡轮叶片的高度可能比设计的零件更高。正如前面提到的，HAM中的能源消耗随着生产量和零件复杂度水平的增加而保持一致，而在CNC中，随着零件复杂度水平的增加而增加，在生产量增加时减少。如果考虑更大的叶片，HAM和CNC工艺之间的环境影响差异预计将变得更加明显，因为在铣削过程中将去除较少的材料。此外，这项LCA研究仅考虑了一个涡轮叶片。典型的空气压缩机叶片行包括100多个叶片。未来可以进行不确定性分析，考虑不同数量的涡轮叶片的能源消耗和环境影响。

结论
本研究运用生命周期评估（LCA）方法，对涡轮叶片生产中混合增材制造（HAM）和传统数控铣削的整体环境性能进行了详细研究。最终的环境影响显示，采用激光刀削加数控精加工的涡轮叶片制造路线，相较于传统的数控铣削制造过程，产生的环境影响更小。总体而言，从生命周期的角度看，HAM能够帮助减少53%的环境影响。具体来说，HAM在全球变暖潜势（GWP）、酸化势（AP）、富营养化势（EP）、臭氧层破坏势（ODP）、大气污染生成势（POCP）和化石资源消耗势（ADP）方面的结果仅为传统数控铣削的32.2%、34.6%、44.7%、27.2%、25.6%和24.7%。

在HAM和传统数控铣削中，环境影响主要由电力和材料消耗决定。由于DED过程中材料效率相对较低，在堆积过程中会有大量金属粉末丢失。因此，在叶片制造过程中，会消耗更多的粉末材料。另一方面，在CNC过程中需要去除大量原材料，而CNC的采购至飞行比高于DED叶片制造；因此，整个CNC过程需要比HAM过程更多的能量。

采用金属粉末的直接能量沉积增材制造已经在工业中非常流行，因为它具有设计自由度、高性能和创建复杂形状零件的能力等优势。本研究证明了即使在环境方面也提供了更好的性能。为促进其工业发展，必须采取一些措施来提高材料和能源效率。本研究的结果不仅可以为HAM过程提供全面的环境概况，还可以在未来的工作中用于从生命周期的角度设计产品时进行生态效益决策。

通讯作者介绍

刘志超，美国西弗吉尼亚州西弗吉尼亚大学工业与管理系统工程系，助理教授。
发表了70多篇学术著作，包括期刊文章、会议论文、书籍章节，被引用超过1000次。研究重点是先进材料和制造、定向能量沉积、增材制造和生命周期工程。
目前担任期刊Green Manufacturing Open编辑委员会的学术编辑，为期刊审过多篇稿件。他也是 ASME、ASEE 和 IISE 的成员。

通讯地址: 美国西弗吉尼亚大学 工业与管理系统工程系
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

全文链接：https://www.oaepublish.com/articles/gmo.2022.08