CN111898854A - 基于lca的通用能耗模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LCA的通用能耗模型建立方法，首先，设定：材料密度ρ、增材制造过程中精加工去除材料的体积分数f、材料的可回收性系数r、零件体积分数a、零件包络线边框体积V_T、零件制造过程中涉及的各部分能耗的单位能耗值为变量；然后，输入设定的变量至零件制造过程中涉及的多组能耗模型中，对各组能耗模型进行变量转化；最后，整合零件制造过程中变量转化后的各组能耗模型，输出零件制造的通用能耗模型。本发明具有可更加简便直接地帮助工艺人员选定制造工艺，使加工过程整体能耗最少、效率最高，同时可提高企业自身的生产效率、减少生产成本、降低库存的优点。

Description

基于LCA的通用能耗模型建立方法

技术领域

本发明涉及零件制造的能耗管理领域，特别是涉及一种基于LCA的通用能耗模型建立方法。

背景技术

为真正实现节能降耗，工艺人员面临评估生产过程的能耗以选择制造方法的问题，因此，建立一个通用的能耗模型帮助工艺人员查看单位生产中的能耗，为他们选择节能环保的制造方法提供参考是非常必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于LCA的通用能耗模型建立方法，具有可以更加简便直接地帮助工艺人员选定制造工艺，使加工过程整体能耗最少、效率最高，同时提高企业自身的生产效率、减少生产成本、降低库存的优点。

本发明的技术方案是：

一种基于LCA的通用能耗模型建立方法，包括以下步骤：

S1、设定：材料密度ρ、增材制造过程中精加工去除材料的体积分数f、材料的可回收性系数r、零件体积分数a、零件包络线边框体积V_T、零件制造过程中涉及的各部分能耗的单位能耗值为变量；

S2、输入设定的变量至零件制造过程中涉及的多组能耗模型中，对各组能耗模型进行变量转化；

S3、整合零件制造过程中变量转化后的各组能耗模型，输出零件制造的通用能耗模型。

在进一步的技术方案中，零件制造的通用能耗模型包括增材制造通用模型和减材制造通用模型。

在进一步的技术方案中，当零件制造方法为增材制造时，涉及的多组能耗模型分别为：

与材料生产有关的能耗E_MatA的能耗模型：

机械加工过程的能耗E_MachA的能耗模型：

刀具使用产生的间接能耗E_ToolA的能耗模型：

增材过程的能耗E_Add的能耗模型：

运输过程的能耗E_TraA的能耗模型：

在进一步的技术方案中，当零件制造方法为减材制造时，涉及的多组能耗模型分别为：

与材料生产有关的能耗E_MatS的能耗模型：

机械加工过程的能耗E_MachS的能耗模型：

刀具使用产生的间接能耗E_ToolS的能耗模型：

运输过程的能耗E_TraS的能耗模型：

在进一步的技术方案中，当零件制造方法为增材制造时，整合各组能耗模型后，输出的零件增材制造的通用能耗模型为：

在进一步的技术方案中，当零件制造方法为减材制造时，整合各组能耗模型后，输出的零件减材制造的通用能耗模型为：

本发明的有益效果是：本发明具有可以更加简便直接地帮助工艺人员选定制造工艺，使加工过程整体能耗最少、效率最高，同时提高企业自身的生产效率、减少生产成本、降低库存的优点。

附图说明

图1是本发明实施例所述三种形状零件的结构示意图；

图2是本发明实施例所述制造钛合金零件的能耗图；

图3是本发明实施例所述制造铝合金零件的能耗图。

附图标记说明：

1、形状一；2、形状二；3、形状三。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

实施例：

一种零件成形原理选择决策支持模型的建立方法，包括以下步骤：

S1、设定变量：材料密度ρ、增材制造过程中精加工去除材料的体积分数f、材料的可回收性系数r、零件体积分数(即零件实际体积与零件的边界体积包络线内的体积的比值)a、零件包络线边框体积V_T、零件制造过程中涉及的各部分能耗的单位能耗值；

S2、建立通用能耗模型，其方法如下：

获取增材制造过程中涉及到的多组能耗信息，包括：与材料生产有关的能耗E_MatA、机械加工过程的能耗E_MachA、刀具使用产生的间接能耗E_ToolA、增材过程的能耗E_Add和运输过程的能耗E_TraA，输入上述各变量至零件制造过程中涉及的多组能耗模型中，对各组能耗模型进行变量转化，整合各组能耗信息，建立增材制造通用能耗模型；

获取减材制造过程中涉及到的多组能耗信息，包括：与材料生产有关的能耗E_MatS、机械加工过程的能耗E_MachS、刀具使用产生的间接能耗E_ToolS和运输过程的能耗E_TraS，输入上述各变量至零件制造过程中涉及的多组能耗模型中，对各组能耗模型进行变量转化，整合各组能耗信息，建立减材制造通用能耗模型。

在另外一个实施例中，步骤S2中，建立增材制造通用能耗模型时，获取与材料生产有关的能耗E_MatA的方法如下：

S211、输入用矿石和原料制造单位质量材料的能耗U_Me(MJ/kg)和单位质量原材料进一步加工为工件或金属粉末的能耗U_Mf(MJ/kg)，整合上述能耗，输出生产单位质量的材料所需的能耗U_Mat(MJ/kg)，其中:

S212、输入回收单位质量材料的能耗U_R和制造可用的库存材料的能耗U_V，整合上述能耗，输出U_Me的能耗模型：

S213、输入变量零件体积分数a、增材制造过程中精加工去除材料的体积分数f、材料的可回收性系数r和零件单位质量的体积V_T，对上述能耗模型进行变量转换，输出与材料生产有关的能耗E_MatA的能耗模型：

步骤S2中，建立减材制造通用能耗模型时，获取与材料生产有关的能耗E_MatS的方法与增材制造的方法相同，所输出的与材料生产有关的能耗E_MatS的能耗模型为：

比较不同的制造技术时，必须考虑生产原材料的能耗。生产原材料的能耗包括两个方面，首先要提取和精炼原料以获得可用的库存材料，U_Me(MJ/kg)表示用矿石和原料制造单位质量材料的能耗；之后材料必须进行进一步加工，对于增材制造，需要通过气体雾化生产金属粉末，对于减材制造，需要利用成形工艺制造坯料、板材等，还应包括后续的一些加工操作，例如成形工件的热处理，U_Mf(MJ/kg)表示单位质量原材料进一步加工为工件或金属粉末的能耗。

除了材料生产的能耗，还需要考虑材料回收利用的能耗、材料的可回收性，对于不遭受固有性能损失的材料(例如金属)。

步骤S2中，建立增材制造通用能耗模型时，获取机械加工过程的能耗E_MachA的方法如下：

输入切削单位质量材料的能耗U_M(MJ/kg)，以生产单位质量零件的平均能耗来表征增材制造时，机械加工过程的能耗E_MachA，其中：

步骤S2中，建立减材制造通用能耗模型时，获取机械加工过程的能耗E_MachS的方法与增材制造的方法相同，所输出的机械加工过程的能耗E_MachS的能耗模型为：

减材制造需要通过切削、铣削、磨削等方法进行机械加工，同时，增材制造也需要在精加工过程中进行机械加工。机械加工是为了去除一部分的材料保证零件的几何尺寸、公差和表面粗糙度等要求。减材制造的过程中涉及生产性的能耗和非生产性的能耗，前者指在工作状态下消耗的能量，例如主轴转动、工作台移动、换刀等能量消耗；后者指在待机状态下依然存在的基本能耗，例如冷却设备，照明设备等消耗的能量，该能耗属于常量。在金属去除过程中，能源消耗在各个过程中差异很大，并且对于每个特定的加工机器也是唯一的，切削加工产生的能耗与加工设备状态(轴承状态、转轴状态、齿轮状态等)和加工条件(切削要素、刀具卡具、切削液、工件材料等)决定，切削能耗可由这些决定因素计算而得。本发明使用生产单位零件的平均能耗，即非生产性能耗平均计算至每个零件的制造能耗，不再单独计算。

步骤S2中，建立增材制造通用能耗模型时，获取刀具使用产生的间接能耗E_ToolA的方法如下：

输入切削单位质量材料与刀具有关的能耗U_T，建立刀具使用产生的间接能耗E_ToolA的能耗模型：

步骤S2中，建立减材制造通用能耗模型时，获取刀具使用产生的间接能耗E_ToolS的方法与增材制造的方法相同，所输出的刀具使用产生的间接能耗E_ToolS的能耗模型为：

在生产过程中，会使用许多消耗性的工具或其他材料，例如增材制造中使用的催化剂和粘合剂，减材制造中使用的刀具和切削液，以及两种制造技术中使用的机床。制备这些消耗品均需要一定的能量，事实上，经过研究发现，对于切削液的使用，按照机器的正常运转时间平摊切削液制备产生的能耗，则该能耗值极小，对于结果影响不大。增材制造中使用的催化剂和粘合剂导致的间接能耗缺乏研究和具体数据，机床生产产生的能耗忽略不计，因此本发明仅考虑机械加工时切削刀具引起的间接能耗。

步骤S2中，获取增材过程的能耗E_Add的方法如下：

输入沉积单位质量材料的能耗U_Add，建立增材过程的能耗模型：

目前，增材制造技术的典型工艺有立体光固化技术(StereoLithographyApparatus，SLA)、电子束加工技术(ElectronBeamMelting，EBM)、选择性激光熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)、熔融沉积制造(FusedDepositionModeling，FDM)。增材制造需要大量能量将原材料加工成薄层，因为加工单位体积材料消耗的能量很高，以选区激光烧结为例，该工艺用激光烧结粉末材料粘连成型，大部分能量消耗来源于加热和激光操作，因此增材过程中会损耗大量的能量。同减材制造相同的是，增材制造也需要考虑非生产性能耗，如氮气循环，机柜冷却，计算机等部分消耗的能量，并将平均计算至每个零件的制造能耗。而与减材制造不同的是，增材制造过程的能耗无法用一个统一的公式进行计算，一般使用功率监控系统进行监控得到单位能耗，如通过对ArcamA1EBM系统加工Ti-6Al-4V零件进行功率监控实验，得到了EBM加工过程中启动、预热、制造和冷却过程的平均实际消耗功率及单位能耗，由此得到其单位能耗值为61MJ/kg；对MTTGroup生产的不锈钢零件进行功率监控实验，由此得到选择性激光熔化(SLM)的单位能耗值为83MJ/kg。

步骤S2中，建立增材制造通用能耗模型时，获取运输过程的能耗E_TraA的方法如下：

输入运输原材料的距离x_MA、运输废料的距离x_WA和运输每单位重量材料的每公里能耗U_Tra，建立运输过程的能耗E_TraA能耗模型：

步骤S2中，建立减材制造通用能耗模型时，获取运输过程的能耗E_TraA的方法与增材制造的方法相同，所输出的运输过程的能耗E_TraS的能耗模型为：

两种制造方法制造同样数量的零件所需原材料的数量不同，产生的废料数量也不同，因此运输过程产生的能耗也不同。其中零件运输到厂商以及回收零件的距离和重量一致，即产生的能耗一致，在比较两种制造技术产生的能耗时不考虑这两段运输距离的影响。

步骤S2中，整合各组能耗信息，建立的增材制造通用能耗模型为：

建立的减材制造通用能耗模型为：

本发明考虑了零件整个生产生命周期从原材料制造、材料生产、产品制造、运输到废料回收产生的能耗，利用该关键变量和其他变量梳理了制造过程中各部分的能耗，由此建立了增材制造和减材制造的能耗模型。对不同制造技术的能耗进行建模对推动可持续发展有重大意义，不仅可以了解制造单元的能源消耗的基本情况，为产品成本分析提供基础数据，还可以帮助工厂决定所使用的制造技术，使加工过程整体能耗最少、效率最高，同时可以提高企业自身的生产效率、减少生产成本、降低库存，还可以增加企业的科技实力和市场竞争力。

而基于该能耗模型建立的决策支持模型将更加简便直接地帮助工艺人员选定制造工艺。

能耗模型中所使用的变量说明如下表所示：

注：在变量的下标中增加字母A表示增材制造中的能耗，增加字母S表示减材制造的能耗。

由钛合金和铝合金制成的单个零件的生命周期中所产生的能耗是LCA的功能单元。如图1所示，本实施例考虑了三种不同形状的零件的生命周期的能耗进行案例研究，这三种形状的零件的包络线边框均是直径为48mm、高为50m的圆柱体，形状一1、形状二2到形状三3每一种形状都比前一种形状少一部分材料，这样设定的目的是在使用减材制造技术时，每一个零件都需要在前一个零件的基础上再次加工去除一部分材料，由此体现了不同的零件体积分数和零件复杂度。并且本实施例设定零件在进行增材制造过程的精加工操作时，加工余量恒定为0.1mm。有关三个不同形状零件的一些数据如下表所示：

三种形状的零件的相关数据

两种材料的属性不同，加工方法和加工条件也各不相同，为了方便计算和收集数据，设定两种材料在增材制造和减材制造时的条件如下。对于Ti-6Al-4V材料，Ti-6Al-4V切屑和散装材料的可回收性等于0.80。零件在减材制造中使用纵向外部切削，在常规的泛冷下进行，在切削过程中，设定切削速度为160m/min，材料去除率为200mm³/s，切削深度为0.5mm，进给为0.15mm/rev，由此特定情况下的切削过程产生的切削单位质量材料的能耗和切削单位质量材料与刀具有关的能耗分别为25.8MJ/kg和7.75MJ/kg。该材料的零件在增材制造中使用电子束加工技术(EBM)方法。

对于AlSi₁₀Mg材料，切屑、散装材料以及使用后零件的可回收性为0.95。零件在减材过程中，使用CortiniF120/25数控车床进行纵向外车削操作，采用水溶性半合成油的5％乳液进行湿式切削，在切削过程中，设定切削速度为250m/min，材料去除率为9.4mm³/s，切削深度为0.25mm，进给为0.15mm/rev，由此特定情况下的切削过程产生的切削单位质量材料的能耗和切削单位质量材料与刀具有关的能耗分别为6.8MJ/kg和1.77MJ/kg。该材料的零件在增材制造中使用选择性激光熔化(SLM)方法。

制造钛合金零件和铝合金零件的能耗分别如图2和图3所示，通过对比分析图2、图3以及两种材料的单位能耗数据，可以得到如下结论：不同的材料在制造零件时，由于材料属性不同，加工方法不同，制造能耗差异极大，但对于制造过程中的能量损耗有一些共同特点。相对于总能耗，材料生产和加工零件过程(即机械加工和增材过程)的能耗占主要部分。减材制造较增材制造需要准备更多的原材料，这造成了减材制造在加工一个零件体积分数较小的零件时处于劣势；而由于增材过程的单位能耗明显高于机械加工的能耗，这造成了增材制造在加工一个零件体积分数较大的零件时处于劣势。相对于总能耗，运输过程产生的能耗极小，因为在现实生产中为了节省成本，材料制造厂和零件制造厂一般不会相距过远，可以忽略该因素的影响，而刀具使用产生的间接能耗的影响相较于其他因素也偏小。

通过对比三种不同形状的零件的制造能耗，可以看出增材制造在制造形状较复杂及较小零件体积分数的零件时具有一定优势，前提是该种材料的增材过程单位能耗不远大于减材过程的单位能耗。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于LCA的通用能耗模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设定：材料密度ρ、增材制造过程中精加工去除材料的体积分数f、材料的可回收性系数r、零件体积分数a、零件包络线边框体积V_T、零件制造过程中涉及的各部分能耗的单位能耗值为变量；

S2、输入设定的变量至零件制造过程中涉及的多组能耗模型中，对各组能耗模型进行变量转化；

S3、整合零件制造过程中变量转化后的各组能耗模型，输出零件制造的通用能耗模型。

2.根据权利要求1所述的基于LCA的通用能耗模型建立方法，其特征在于，零件制造的通用能耗模型包括增材制造通用模型和减材制造通用模型。

3.根据权利要求2所述的基于LCA的通用能耗模型建立方法，其特征在于，步骤S2中，当零件制造方法为增材制造时，涉及的多组能耗模型分别为：

与材料生产有关的能耗E_MatA的能耗模型：

机械加工过程的能耗E_MachA的能耗模型：

刀具使用产生的间接能耗E_ToolA的能耗模型：

增材过程的能耗E_Add的能耗模型：

运输过程的能耗E_TraA的能耗模型：

4.根据权利要求3所述的基于LCA的通用能耗模型建立方法，其特征在于，步骤S2中，当零件制造方法为减材制造时，涉及的多组能耗模型分别为：

与材料生产有关的能耗E_MatS的能耗模型：

机械加工过程的能耗E_MachS的能耗模型：

刀具使用产生的间接能耗E_ToolS的能耗模型：

运输过程的能耗E_TraS的能耗模型：

5.根据权利要求4所述的基于LCA的通用能耗模型建立方法，其特征在于，步骤S3中，当零件制造方法为增材制造时，整合各组能耗模型后，输出的零件增材制造的通用能耗模型为：

6.根据权利要求5所述的基于LCA的通用能耗模型建立方法，其特征在于，步骤S3中，当零件制造方法为减材制造时，整合各组能耗模型后，输出的零件减材制造的通用能耗模型为：

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