新里斯本大学综述丨增材制造过程的生命周期评估(LCA)方法

近日，国际著名期刊《Journal of Manufacturing Systems》发表了葡萄牙新里斯本大学学者关于增材制造的综述论文 “Life cycle assessment of additive manufacturing processes: A review”，研究了生命周期评价方法在不同增材制造（additive manufacturing，AM）技术中的应用，并提出了不同的研究主题，如生命周期评价研究的目标和范围、不同AM技术的生命周期库存数据、AM零件质量和机械性能、各种AM技术的环境、经济和社会性能，并分析了影响AM可持续发展潜力的因素。

在增材制造(AM)技术中，产品是通过逐层沉积材料从其3D模型制造的，这与传统的成型、减材和成型制造工艺不同。AM的好处包括减少材料浪费、制造复杂几何形状的能力、大规模个性化、通过分散制造减少交货时间和库存，以及修复损坏部件的能力等等。由于这些优势，增材制造已在航空航天、汽车、建筑和医疗保健等多个领域得到应用。尽管一般增材制造技术保持不变，但多年来已经开发出各种增材制造工艺，它们在原材料、所需原料类型和所需能源方面各不相同。因此，有必要对不同的增材制造工艺进行分类，以了解它们之间的异同，并为给定的应用选择最合适的增材制造工艺。

增材制造工艺的分类是开放式的，可以根据不同的标准进行分类。例如，根据原材料状态（粉末、液体和固体）和形状构建技术（直接3D技术和2D层技术）对增材制造工艺进行分类。托尼等人。根据3个不同的标准对AM工艺进行分类，即1)创建一层的原理（熔体凝固、热扩散、光阻、挤压等），2)粘合两层的原理（扩散、光-电阻率、微波辐射、紫外线固化等。3)材料（聚合物、树脂、粉末、片材或液体）的初始状态。ISO /ASTM52900“增材制造标准术语-一般原则-术语”将AM工艺分为7个不同的类别：粘合剂喷射(BJ)、定向能量沉积(DED)、材料挤出(ME)、材料喷射(MJ)、粉末床融合(PBF)、片材层压和立体光固化。ISO /ASTM52900的AM分类更多地基于材料沉积在基板上的方法，并考虑了每个AM类别的起始原材料和能源的差异。从增材制造从业者的角度来看，它可以更有效地选择增材制造工艺。

如今，随着人们对气候变化及其影响的认识提高，正在制定更严格的环境法规。为了遵守这些法规，与现有制造工艺相比，行业需要开发和实施对环境造成较少有害排放的制造解决方案。鉴于增材制造技术需要的材料更少，而且能够制造复杂的形状，因此确实有可能使零件的制造更加环保、更具可持续性。然而，必须指出的是，AM的优势（例如减少材料浪费）并不会自动使其成为“更环保”的工艺。例如，虽然AM工艺具有更好的材料利用率，但其比能耗比传统成型和加工工艺高10-100倍。在同一项研究中，增材制造的原材料生产需要额外的加工步骤，例如粉末雾化或拉丝，具体取决于增材制造工艺的类型和使用的原料。此外，增材制造零件质量的影响也不容忽视。由于表面质量差，部分增材制造零件存在残余应力，因此需要进行精加工等后处理操作，以达到所需的表面光洁度和尺寸精度，以及热处理程序以消除残余应力。缺乏优质产品会导致消费者不满、公司声誉受损、经济损失以及资源浪费造成的环境影响。因此，为了保证零件的质量，增材制造产品的后处理不可忽视。此外，为了提高产品质量，需要实施精益制造、六西格码、精益六西格码、全面质量管理和零缺陷制造等理念。这些后处理和质量控制/保证步骤具有额外的环境影响和/或与之相关的成本。因此，从可持续性的角度来看，AM的优势（例如节省材料）有时可能会产生误导，并且不是评估AM流程可持续性的适当指标。为了全面了解增材制造工艺的环境可持续性，需要在增材制造产品的不同生命周期阶段考虑所有必需的输入和输出。因此，有必要首先了解增材制造零件的不同生命周期阶段。增材制造零件的生命周期如图1所示。

从图1可以看出，增材制造产品的生命周期大致可分为以下几个阶段：

初级材料生产：涉及从矿石中提取金属等初级原材料并将其加工成锭的活动。主要材料充当生产AM原料（如粉末、线材或细丝）的输入。

原料材料生产：在此阶段，主要材料被转化为AM原料材料。它涉及诸如用于将金属锭转化为粉末的气体/水雾化、用于生产金属线的拉丝或用于生产塑料丝的挤出等过程。

生产：在这里，产品的3D模型是使用计算机辅助设计(CAD)软件生成的。此设计分为不同的层，并使用切片软件生成用于AM打印机的G代码。基于此G代码，原料材料逐层沉积，以获得所需的产品几何形状。

后处理：此阶段包括移除AM支撑结构、消除残余应力的热处理以及零件的精加工和检查等活动。由于逐层材料沉积产生的“阶梯效应”，增材制造零件的表面质量较低。为了获得更好的表面光滑度，增材制造零件通常要进行精加工。一些金属AM部件可能还需要热处理程序以减少残余应力并细化微观结构以获得更好的机械性能。

使用：此阶段涉及消费者分发、购买和安装增材制造产品，以及他们的定期使用、维护和维修。

报废：这是产品生命周期中的最后一个阶段，在其使用寿命结束后，产品将被丢弃、重复使用、回收、翻新或再制造。

在增材制造产品的每个生命周期阶段，资源（也称为生命周期库存）如原材料、能源和消耗品（如压缩空气和惰性气体等）都会被消耗，从而导致产生废物和环境排放物。因此，需要量化这些环境排放以确定增材制造工艺的环境友好性。这是使用ISO14044:2006“环境管理-生命周期评估-要求和指南”标准定义的生命周期评估(LCA)方法完成的，其中涉及的所有清单数据，如输入资源和输出废物、排放在产品/过程生命周期的不同阶段进行量化。根据这些清单数据，计算环境影响并以不同的环境影响类别表示，例如“温室气体排放[以千克二氧化碳当量表示]”、“酸化潜力[以千克二氧化硫当量表示]”、“累积能源需求”[以MJ表示]”，等等。此外，这些资源会在产品的整个生命周期中产生消耗成本，并可能对涉及的不同利益相关者产生社会影响，例如制造商、消费者、工人、当地社区、和更广泛的社会。随着AM技术应用的势头越来越大，研究人员认为有必要对其生命周期评估进行全面的最新审查。该研究对生命周期进行了批判性审查根据2011年至2022年间发表的科学文献评估不同增材制造技术，目标如下：

• 介绍增材制造技术生命周期评估的最新研究。

• 审查不同资源的需求，如原材料、能源、工艺耗材和废物产生，以及AM产品生命周期不同阶段的其他需求。

• 比较增材制造技术和传统制造(CM)技术的环境影响及其经济和社会影响（适用时），并确定影响其可持续性的因素。

• 确定现有研究的不足，为今后的研究提供指导。

对分析生命周期评估方法在不同AM过程中的应用的研究进行了系统的文献综述。可以看出，大多数研究对AM制造产品进行了环境生命周期评估，而很少有研究使用社会生命周期评估以及环境生命周期评估进行经济评估，以确定采用AM的经济和社会影响。生命周期评估分析的目标和范围、与AM产品不同生命周期阶段相关的不同生命周期清单、AM零件的零件质量和机械性能以及不同AM技术的环境、经济和社会绩效等不同主题进行了审查和讨论过。

与其他增材制造技术相比，粉末床熔合和材料挤压增材制造技术得到了广泛研究。大多数研究仅限于增材制造工艺的生产阶段，不包括增材制造产品的后处理、使用和报废阶段。在AM显示出比CM更好的材料利用率和更低的材料消耗的情况下，AM比CM更环保。然而，在某些情况下，更高的能源消耗和使用不太环保的材料会使AM比CM更具环境破坏性。此外，还审查了影响AM环境绩效的不同因素。从经济角度来看，AM被发现是生产复杂和轻型几何形状、小批量生产以及AM可以缩短总体交付时间的情况下的经济选择。增材制造打印机成本高、生产能力低和建造速度低等因素限制了增材制造技术的经济潜力。

从社会层面来看，还审查了AM技术对其不同利益相关者（如工人/雇员、当地社区、社会、消费者和价值链参与者）的社会影响。可以看出，评估增材制造的社会影响的研究仍处于起步阶段。现有的AM工艺LCA研究存在一些缺点，如对粉末床融合和材料挤出以外的AM技术关注较少，单一关注可持续性的环境维度，排除AM零件质量和机械性能，对整体的关注不够AM产品的生命周期，不考虑不同变量的变化对LCA结果的影响。