金属3D打印的可持续性如何?

2020-11-28 1

在委托进行有关金属3D打印的环境可持续性的第一个研究项目两个月后,为促进和促进增材制造(AM)的环境效益而成立的全球贸易组织增材制造商绿色贸易协会(AMGTA)发表了以下文献:基于系统的审查。该论文的标题为“关于金属增材制造的环境影响的知识状况”,综合了现有的学术文献,比较了金属增材制造与传统制造方法的环境影响。


该研究的共同作者,荷兰代尔夫特理工大学(TU Delft)可持续性设计助理教授Jeremy Faludi和TU Delft的制造业可持续性研究工程师Corrie Van Sice表示,金属增材制造将不再是更多根据现有文献,为许多工业应用提供环境可持续的选择。但是,在某些应用中,增材制造是一种更可持续的选择,这些应用似乎是目前使用最广泛的行业,即航空航天。


3D打印机

塞斯纳德纳利飞机上使用的GE Catalyst发动机的3D打印组件从855个减少到了12个。图片由Nick Hurm / GE Additive提供


在典型的30年商用飞机寿命期内,每千克飞机质量的节省又可以节省134至200千兆焦耳的燃料能量。根据研究文献,该研究认为,用铝,镍,钛和钢合金制成的轻质AM零件代替机队范围内9%至17%的飞机重量,可节省的累积排放量估计为92%至90%。到2050年,由于减少了6.4%的燃料,二氧化碳排放量为2.15亿吨。


该论文指出:“当大大减少资源密集型材料(例如钛)或AM启用的轻型设计在使用阶段节省大量能源时,这是对环境的好处。但是,由于目前尚不清楚这些好处在何处足以克服增加的处理能力,因此需要进行更多的研究以使建模和预测能够支持决策。”


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Tangible Solutions通过SLM和CellCoreGmbh镍铬合金火箭发动机推力室通过SLM提供了23级钛合金脊柱,臀部和膝盖样品植入物。图片由SLM Solutions提供


AMGTA于2019年11月启动,是一个非商业性,独立的组织,向符合生产或过程可持续性某些标准的任何AM或行业利益相关者开放。依靠创始成员Sintavia,LLC(金属增材制造服务提供商);AMGTA致力于稳定工业气体的供应商Taiyo Nippon Sanso Corporation和材料测试实验室QC Laboratories,试图阐明该行业,该行业需要更多地了解其生态足迹以及未来需要重点关注的领域变得更加可持续。


随着3D打印公司越来越担心评估和量化其向零排放,减少碳足迹和其他目标的进展,发布可持续发展报告对行业的重要性正在上升。AMGTA的目标是作为向公众和工业界宣传该技术已知的积极环境效益的重要资源,同时也有助于发展行业最佳实践,并促进采用AM作为传统制造的替代方法。但是要做到这一点,它专注于有关3D打印真正可持续性的一致报告方法。


AMGTA的首份可持续性报告确定了在总结当前知识的同时信息稀疏,不清楚和需要的区域。根据提供的信息,虽然AM通常比传统制造的每千克加工材料具有更高的碳足迹,但是当考虑直接制造过程本身时,影响很大程度上取决于零件的几何形状。例如,实心立方体通过机械加工产生的冲击要小得多,而空心壳体或晶格可能通过AM产生的冲击要小得多。


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Inconel 718飞机发动机支架经过重新设计并针对AM进行了优化,极大地减少了喷气燃料的使用。图片由Sintavia提供


作者发现的文献证实了这一点,特别是AM的电能强度(不仅是金属)通常比传统的机加工和注塑成型高1至2个数量级,而加工速度则小3个数量级。这表明与铸造,挤压,轧制,锻造或拉丝相比,增材制造通常是较不可持续的选择。为了有益地替换这些过程,该报告建议应在某些情况下,AM大大减少零件质量,结合多个常规加工过程,或者避免短时间生产所需的工具。


该报告进一步认识到需要进行额外的生命周期评估(LCA)研究以量化对环境的影响,尤其是将AM与加工进行直接比较,尤其是对诸如粘结剂喷射和定向能量沉积(DED)之类的技术。这组作者说,理想情况下,这些LCA还应该包括更多的产品生命周期。


AMGTA执行董事Sherry Handel表示:“鉴于激光熔化所固有的聚焦能量,没有人期望金属AM能成为制造基本金属零件的更具可持续性的方式,但AM应当为制造成品精密零件提供更可持续的途径。” 这些发现证实了AMGTA为行业提供严格,独立和持续的研究的计划。AMGTA将继续委托研究并发表研究结果,以使该行业和其他主要利益相关者了解我们现在的生态足迹以及未来我们需要关注的焦点,以使其更具可持续性。


对于减少金属增材制造对环境的影响的可能解决方案,作者发现用需要在环境温度下化学键合的新材料代替需要熔化的金属会有所帮助。但是,“这种替代将需要材料开发方面的巨大进步以匹配金属的功能。” 就目前而言,从报告中可以清楚地看出,AM对环境有利,在这种情况下,无需为小批量生产而避免使用模具,可以节省高冲击力的材料(如钛),优化设计可以改善使用阶段的性能,并且使用阶段支配着使用寿命冲击,再制造可以延长高价值组件的寿命


此外,AMGTA还解决了使用金属AM粉末对健康的危害,因为其中一些具有严重的毒性风险。作者发现,大多数研究过的金属粉末都有可能引起皮肤过敏反应,长时间暴露后会损害器官,致癌并且对水生生物有害。“可以产生纳米级颗粒,尽管考虑到机器的外壳和通风情况,一般的粉尘吸入危害似乎很小,但较小的颗粒由于能够通过生物屏障而可能对工人构成毒性风险。” 在这里,作者建议接触纳米级金属的工人应定期进行生物监测,例如尿液分析,以观察有毒物质的暴露,并且仍需要对金属AM粉对工作场所健康的危害进行更多研究。


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