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技術被推廣開來，以減少排放，從而減少零件生產和整個產品生命周期的碳足跡。然而，各界對完整生產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)增材制造領域領先的戰(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組合中的碳排放是否達標，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？
  

完整制造工藝鏈中的碳排放

事實上，關于哪種制造技術的碳足跡最低，業(yè)內并沒有普適的答案。工業(yè)零件生產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也需要根據(jù)應用場景進行針對性地討論。具有高成本-飛行比率的復雜幾何形狀更適合采用凈成形技術，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原料生產和生產過程中產生多余材料的步驟（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)�；�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，并將其轉換為二氧化碳排放。

△增材制造在產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，對替代設計和制造技術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的二氧化碳足跡。

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

除了有關零件設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確性。此外，還可以定義耗材、工藝路線或零件設計的變化。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)生產過程所在的當?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、加工和生產金屬錠所需的能源通常被稱為每公斤金屬合金的內含或體現(xiàn)的能源。根據(jù)合金類型，需要電化學過程（電能）和工藝熱能（一次能源）來將自然形成的化學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)，材料生產需要巨大的能源，像鈦合金的這種材料的生產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劑噴射（BJT）技術的增材技術可以大大減少碳足跡。由于它們技術本身的近凈成形優(yōu)勢，能夠制造出重量優(yōu)化的設計，材料的投入和因此而產生的內含能源明顯較小，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含消耗能源則不那么突出。對于高生產率的粘結劑噴射技術，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爐的整個工藝鏈中實現(xiàn)高利用率，可以為未來的應用帶來低碳足跡。

展望未來，原材料公司最好提高回收率，在鈦錠生產中使用廢料，并敦促材料供應商在其生產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份額

優(yōu)化的增材制造組件在使用過程中的節(jié)約產生了很大影響

AMPOWER可持續(xù)發(fā)展計算程序只評估了產品生命周期內的排放，直至成品部件�？紤]到產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，因此也與二氧化碳排放相關。一個部件的潛在減重可以直接轉化為燃料的節(jié)省。在航空領域，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。

將這一計算轉換到AMPOWER的示范性航空支架上，在飛機的使用壽命內，二氧化碳的節(jié)省量累計達到43噸，這比生產中潛在的節(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。

關于AMPOWER公司

AMPOWER是工業(yè)增材制造領域領先的戰(zhàn)略咨詢和思想領航者。該公司為投資者、初創(chuàng)企業(yè)以及3D打印技術的供應商和用戶提供戰(zhàn)略決策、盡職調查方面的建議，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計劃，支持內部和外部機器能力的鑒定和技術基準研究來支持增材制造的引入。該公司成立于2017年，總部設在德國漢堡，業(yè)務遍及全球。

報告下載

AMPOWER-Insights-Sustainability-of-metal-Additive-Manufacturingweb .pdf (2.7 MB, 下載次數(shù): 396)

2022-10-13 16:06 上傳

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