MM MaschinenMarkt | 生态平衡显示出增材制造的应用潜力

百科大全 2025年08月08日 21:55 1 admin

本文刊登于《现代制造》2025年第07期，原文标题《生态平衡显示出增材制造的应用潜力》，作者为M.Sc.Julius、M.Sc.Vinzenz。

在资源日益紧缺的今天，我们必须以可持续的方式利用宝贵的自然资源——无论是能源还是原材料。这一挑战要求各行业转变思维，积极拥抱创新。柏林弗劳恩霍夫IPK研究所凭借其领先的研究能力，可为企业提供强有力的支持，助力实现资源高效利用与可持续发展目标。

众所周知，可持续发展已成为全球共识，并深度融入到现代工业生产的核心战略。在政策层面，欧盟通过一系列法规进一步强化企业责任：新版《可持续产品生态设计法规》（ESPR）明确产品全生命周期环保要求，《企业可持续发展报告指令》（CSRD）完善信息披露机制，《赋能消费者绿色转型指令》则推动市场端绿色消费转型。这些法规的实施，使德国中小企业必须将可持续发展从理念转化为切实行动。

图1 霍伦霍夫IPK研究所利用激光粉末增材制造技术制造铝青铜零件的图片。另外，还利用电子束增材制造生产了相同的零件，来比较哪个过程更加节约能源

生态平衡的四大阶段

生态平衡本身并不是目的。实现生态平衡除了满足欧盟规定的法律法规要求之外，还是优化生产过程的有用工具。人们可以利用生态平衡确定和量化生产过程，或者通过生产出来的产品影响人们赖以生存的环境。根据各个企业的生产能力可以考察整个产品的寿命周期，或者考察制造企业的各个单一生产过程。

ISO 14040/44 标准将生态平衡的全过程划分成四个阶段：

第一步是调查研究框架方案和确定目标。例如，选择需要考虑的产品制造工序，对难以获取的数据进行必要的简化以及评估有意义的环境因素进行评估等。

第二步是生成资产负债表模型，该模型考虑了产品生产所有的资源投入和输出。这一步考虑了所需的所有原材料、电力和与能源生产有关的有害排放。在实践中，通常使用的建模专用软件能够将物质流和媒介流与有害物质排放数据库建立起相互关联。例如，它可以根据不同的生产地点考虑电力使用情况的区域差异或者确定有关外包生产和半成品采购的数据。

第三步是影响评估，也就是根据消耗的资源和环境因素评估采取生态平衡措施后对环境的影响。在众多的环境影响因素中，产生温室气体的能力、富营养化的潜力、酸化潜力以及产生臭氧的能力等因素是评价增材制造工艺和产品的最佳指标。这些影响因素特别考虑了增材制造所有的粉末材料和线形材料，以及用于制造这些粉末和线材的保护气体的影响。例如，世界钢铁协会也会将这些因素考虑到钢铁生产的环境保护中。

最后一步是评估和讨论：以便从评估和讨论中得出生产过程对环境影响的结论或者提出下一步行动的建议。多年来，柏林的霍伦霍夫生产设备与设计技术所IPK一直致力于生产设备和生产工艺技术的研究，并与工业界的众多企业共同研究属于未来的、可持续发展的焊接工艺技术和增材制造技术。

这里的生态平衡要按照ISO 14040/44和DIN/TS 35235 标准定义的产品生产过程LCA生命周期评估规定、SLCA社会生命周期评估以及专门为生态平衡而制定的关键生产过程评估方案进行。除了要求生态评估的结果满足法律法规的相关规定之外，生态评估还有助于从经济的角度改进生产企业现有的生产流程、或者有助于企业决策者做出正确的决策。尤其是当可以用不同的工艺或技术实现某项生产任务时，生态平衡可以作为一个额外的决策评判标准来提供有价值的选择线索。这也适用于增材制造领域，正如IPK霍伦霍夫研究所最近的一份调查研究报告所显示的那样。

激光束和电子束的比较

通过基于生产过程的生命周期评估分析，本文比较了同一产品的两种增材制造技术方案，即用铝铜材料制造气缸，最后用DED定向能沉积技术对两种技术方案进行评判。在比较的两种增材制造技术中，一种是利用激光和充气粉末的激光能量直接沉积技术DED-LB，也被称之为激光粉末定制焊接技术，另一种是在真空环境中利用线材的电子束增材制造技术DED-EB。

这里描述的生态平衡过程重点是确定增材制造工艺过程所需的必要资源（包括电力能源、添加材料、保护气体和压缩空气）等。相较于增材制造工艺过程中设备差异的评判指标，指的是标准化的每克所用材料的资源消耗。增材制造过程中所有设备所消耗的能源都用能源记录仪记录下来了。在确定所有样品零部件制造过程的数据之后，所有的检测数据都被录入到openLCA软件系统中。这一软件系统可用于建模并因此而影响评估、使用的排放数据来自Ecoinvent_34数据库。

图2 DED-LB 激光增材制造技术和DED-ED电子束增材制造技术所产生温室气体的比较。不可忽视的是：采用激光增材制造技术生产相同产品情况下，生产相同数量的产品、处理相同原材料所释放的CO2 大约是基于电子束DED技术增材制造的3倍

图2所示是两种增材制造工艺过程的比较。它清楚地提供了CO2排放量的数据和信息，表明了CO2对温室效应的贡献。另外，它还显示了不同的测量对能源的需求情况。

激光切割效果

通过对两种增材制造技术方案的比较和分析，可以确定各种资源在CO2 平衡中的份额并得出优化改进的措施。从比较中可以看出：电力能源是两种增材制造技术中产生温室气体的主要影响因素。它在CO2 排放中所占的比例最大，其次是压缩空气、添加的材料和防护气体。不可忽视的是：采用激光增材制造技术生产相同产品情况下，生产相同数量的产品、处理相同原材料所释放的 CO2 大约是基于电子束DED技术增材制造的3倍。

这样的观察结果可以归功于两种增材制造技术方案，其所消耗的能量有着巨大的差异。DED-EB增材制造技术所需的能量仅为激光束工艺技术的1/3。这是由于与激光相比，光源技术的效率更高，电子束吸收得更好。因此，研究报告表明：通过过程数据、能量检测、适当的软件和相关的专业知识可以对制造过程的生态平衡进行评估。一方面，它们可以了解各个设备部件在增材制造过程中所做的贡献和所需的资源；另一方面它们允许比较生产同一产品的不同生产工艺过程，并得出优化改进的措施。

内容来源：现代制造

责任编辑：朱晓裔

审核人：李峥