面向绿色制造的增材与减材工艺能效决策支持工具开发及验证研究

为解决制造业环境可持续性选择难题，研究人员开发了基于简化累积能源需求(CED)模型的决策支持工具(DST)，通过整合材料隐含能(EE)、增材制造比能耗(SECAM)和几何特征(SCR)等关键参数，建立通用化评估框架。该工具可减少60%数据输入需求，经钛合金/不锈钢/铝合金案例验证能准确识别能效最优工艺，为工业界提供可量化指导。

　　

在全球制造业面临严峻碳减排压力的背景下，传统减材制造(CM)与新兴增材制造(AM)工艺的环境效益比较成为学术界和工业界关注的焦点。虽然AM常被视为绿色解决方案，但其高能耗的粉末制备、长时间运行和复杂后处理等"隐性环境成本"引发争议。更棘手的是，现有研究多局限于特定案例，缺乏普适性评估框架，导致企业难以在工艺选择时获得科学依据。这种现状与《巴黎协定》要求的制造业深度脱碳目标形成鲜明矛盾，亟需开发兼顾准确性与实用性的决策工具。

为突破这一瓶颈，研究人员创新性地构建了七种渐进简化的CED模型体系。以包含全部能源贡献项的Model I为基准，逐步剔除次要因素后，发现仅需材料隐含能(E_E)、比能耗(SEC^AM)和几何参数(SCR)的Model III即可保持90%以上准确性。基于此开发的新型DST工具，通过数学推导将复杂能量平衡转化为SEC^AM-E_E坐标系的线性边界，实现"一图胜千言"的直观判断。研究特别考察了钛合金(Ti-6Al-4V)、不锈钢(316L)和铝合金(AlSi10Mg)三类典型材料，并针对电子束熔化(EBM)和选择性激光熔化(SLM)等主流粉末床熔融(PBF)工艺进行系统验证。

在模型验证部分，研究揭示了三个关键发现：首先，几何复杂度通过固体空腔比(SCR)显著影响工艺选择，当SCR<0.3时EBM加工钛合金的能效优势凸显。其次，拓扑优化带来的重量减轻因子(k)具有放大效应，70%减重(k=0.3)可使AM适用域扩大3倍。第三，材料特性决定基准线位置，高E_E的钛合金更倾向AM，而低E_E的铝合金则需结合具体SEC值判断。

研究最具突破性的成果体现在DST的普适化应用。通过整合文献中83组SEC数据构建的评估矩阵显示：对于航空典型构件(SCR=0.17)，即使SEC高达500MJ/kg，钛合金AM仍保持优势；而同条件下铝合金需SEC<200MJ/kg才能优于CM。这种可视化工具使企业能快速定位自身工艺在能效图谱中的位置，克服了传统LCA方法数据需求量大、计算复杂的缺陷。

该研究为制造业绿色转型提供了方法论创新，其意义体现在三个维度：技术上，验证了简化模型在跨材料比较中的可靠性；方法上，开创了基于二维参数空间的快速决策范式；应用上，配套开发的开放式数据库支持持续更新。未来研究可向三个方向拓展：纳入直接能量沉积(DED)工艺评估、延伸至聚合物材料领域、开发经济性分析模块，以进一步完善可持续制造决策体系。