飛機發(fā)動機支架的生命周期分析證明了增材制造輕量化的重要性
增材制作商綠色交易協(xié)會（“AMGTA”）是一個專注于開發(fā)和促進可持續(xù)增材制造行業(yè)實踐的全球倡導(dǎo)組織，該組織今日宣布已經(jīng)發(fā)布了其第一份獨立研究，題為《低壓渦輪(LPT)支架兩種制造方法的生命周期評估比較研究》。該報告由AMGTA委托，由羅切斯特理工學(xué)院的Golisano可持續(xù)發(fā)展研究所撰寫，通過生命周期評估（“LCA”）分析了商用航空低壓渦輪支架，評估了(i)激光粉末床熔融（“LPBF”）增材制造（“AM”）與傳統(tǒng)支架制造工藝相比較而言對制造性能的影響，以及(ii)支架重量減輕50%以上對飛機壽命的影響。雖然從比較的最終結(jié)果來看，對哪種制造方法使用的能源更多仍然沒有定論，但結(jié)果證實了商業(yè)飛機發(fā)動機和機身輕量化對碳排放的巨大影響。
LCA的主要結(jié)論包括以下幾點。
制造方法尚無定論。使用三種不同的方法，LCA無法確定哪種制造方法（傳統(tǒng)或增材制造）使用的能源更多�？偟膩碚f，這一中立的發(fā)現(xiàn)比之前的研究有所改進，即與傳統(tǒng)方法相比，LPBF制造中使用的能源更高。
能源組合的重要性。該研究發(fā)現(xiàn)，到目前為止，決定生產(chǎn)可持續(xù)性的最大因素是生產(chǎn)設(shè)施在發(fā)電地點的能源組合，以及該電網(wǎng)是否使用可持續(xù)的方式生產(chǎn)。
對飛機輕量化的巨大影響。該研究非常清楚地表明，通過增材制造設(shè)計減輕飛機部件的重量，可顯著減少飛機使用壽命期間的碳排放量，每減重1公斤，碳排放可減少13,376公斤。
總體而言，增材制造生產(chǎn)的零件更具可持續(xù)性。輕量化的影響是決定增材制造生產(chǎn)的部件比以傳統(tǒng)方式設(shè)計和制造的部件更具可持續(xù)性的最重要因素。
AMGTA執(zhí)行董事Sherri Monroe表示：“這篇經(jīng)過同行評審的生命周期評估報告首開先河，是AMGTA的一個里程碑。這是我們第一次能夠發(fā)布切實的結(jié)果，證明與傳統(tǒng)方法相比，設(shè)計在增材制造中的重要性。這項研究展示了增材制造在未來飛機和發(fā)動機設(shè)計中的真正影響，預(yù)示著在其他行業(yè)和項目中使用類似策略會取得不錯的效果�！�
這項為期兩年的研究使用三種LCA方法分析了兩種支架，包括ReCiPe 2016版本1.1中點方法、累積能源需求v1.11方法和政府間氣候變化專門委員會(IPCC) 2021 GWP100方法。三種方法中的兩種表明，嚴(yán)格從制造的角度來看，生產(chǎn)傳統(tǒng)支架所需的能源更少，而一種方法表明增材制造版本產(chǎn)生的二氧化碳更少。然而，在所有情況下，結(jié)果都表明，基礎(chǔ)電網(wǎng)的能源組合對制造過程的可持續(xù)性有著巨大的影響。該LCA根據(jù)ISO 14040:2006(E)執(zhí)行，并由EarthShift Global進行同行評審。
底層支架是為波音767飛機提供動力的每臺GE Aviation CF6-80C2B6F渦輪發(fā)動機（共兩臺）上的12個支架之一，它將燃油歧管固定在發(fā)動機低壓渦輪模塊的外殼上。AMGTA之所以選擇該支架，是因為它是一個相對簡單的部件，易于檢修和定位。支架的增材設(shè)計和制造由位于佛羅里達州好萊塢的Sintavia, LLC完成，并使用Höganäs AB Inconel 718粉末在EOS GmbH M290打印機上打印。傳統(tǒng)部件由位于田納西州的一家機械廠使用CNC工藝制造。優(yōu)化后的增材制造支架比原來的版本輕了50%以上，即0.063公斤。Sintavia公司表示，優(yōu)化后的支架在機械性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)支架，盡管其重量減輕，但疲勞壽命卻增加了。
雖然LPT支架的選擇簡單地展示了輕量化如何在飛機發(fā)動機上發(fā)揮作用，但AMGTA認(rèn)為，當(dāng)前LCA中體現(xiàn)的經(jīng)驗教訓(xùn)可供機身制造商和發(fā)動機制造商更廣泛地應(yīng)用于多個機械系統(tǒng)。此外，使用增材設(shè)計技術(shù)的運輸輕量化方法不僅限于LPBF AM，因為其他增材技術(shù)（包括粘合劑噴射、定向能量沉積和聚合物印刷）也可以同樣地去除車輛、飛機和船舶的多余重量。
Sintavia的CEO兼AMGTA主席Brian Neff表示：“這項研究強調(diào)了使用增材制造開發(fā)通過增材制造技術(shù)實現(xiàn)輕量化的優(yōu)化部件和組件的重要性，目前沒有其他可行的商業(yè)技術(shù)能像通過增材制造技術(shù)實現(xiàn)飛機部件輕量化那樣，對碳排放產(chǎn)生如此直接的影響，我們現(xiàn)在已經(jīng)有經(jīng)過獨立驗證和同行評審的數(shù)據(jù)證明了這一點。我們期待著與Boeing、GE和所有行業(yè)的原始設(shè)備制造商合作，助力他們在現(xiàn)有和未來的平臺上釋放出增材制造的可持續(xù)潛力�！�
Sherri Monroe補充道：“這項研究在生產(chǎn)和使用兩個階段的意義遠遠超出了這個特定的支架、飛機或制造行業(yè)。生產(chǎn)過程中的環(huán)境影響差異微不足道，再加上按需生產(chǎn)（按照特定的生產(chǎn)時間、地點、方式生產(chǎn)）的好處，有助于提供更具彈性、高效和可持續(xù)的供應(yīng)鏈，這對制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)提供更可持續(xù)的解決方案具有重大影響�！�
“雖然這項研究對飛機發(fā)動機和機身制造有著直接的影響，但使用階段的發(fā)現(xiàn)結(jié)果擴展到了飛機上任何可能進行輕量化的部件（機械系統(tǒng)、座椅、服務(wù)車、廚房），并且遠遠超出了飛機，還擴展到了由發(fā)動機或電機提供動力支持的任何設(shè)備（車輛、船舶、火車、機器人）。航空航天的能源需求很大，這使其成為最大、最明顯和最直接的受益者�！�
AMGTA表示，他們預(yù)計將在2023年全年發(fā)表更多的獨立研究。
關(guān)于AMGTA
AMGTA成立于2019年，旨在更好地了解和促進增材制造在全球經(jīng)濟中的環(huán)境效益。AMGTA成員是制造行業(yè)各個領(lǐng)域（從設(shè)計和原材料到最終產(chǎn)品和用戶）的代表，專注于通過增材制造最佳實踐來進行創(chuàng)新，打造更好、更可持續(xù)并且更具經(jīng)濟優(yōu)勢的產(chǎn)品。
A comparison of the AM-designed bracket (left) and the traditional version (right). (Photo: Business Wire)
