多准则决策支持方法用于可持续金属废料增值利用

《JOURNAL OF MANUFACTURING SYSTEMS》：A multi-criteria decision-support approach for sustainable metal scrap valorization

　　

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  一个用于比较异质金属废料增值路径的框架。
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  终点协调使输出不匹配的路径保持一致。
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  功能等价性捕捉了适用性要求。
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  决策评分使用理想接近逻辑对路径进行排序。
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  该框架在Ti6Al4V机加工切屑回收路径上得到验证。

引言

金属制造系统会产生大量废料，包括机加工切屑、车削碎屑和板材边角料，这是离散制造中材料去除和成形操作的固有结果[1]，[2]。这些废料流代表了材料价值的显著储备，特别是对于钛合金和铝合金等高性能合金而言，这些合金具有高隐含能，并在航空航天、汽车和能源系统等领域具有战略重要性[3]，[4]。尽管存在这种潜力，但金属废料回收的主要工业实践仍然是重熔，这一过程既能耗密集，又常常因氧化、污染和合金混合而导致材料退化[5]，[6]，[7]。随着制造系统面临提高资源效率、减少温室气体排放以及遵守针对循环材料使用和回收含量的新兴法规框架的压力日益增大，传统重熔回收的局限性变得更加突出[8]。这些挑战激发了人们对替代增值路径的日益增长的兴趣，这些路径旨在更有效地保留材料价值，同时减少环境影响[9]。

针对这些局限性，一系列替代增值路径已经出现，旨在绕过重熔并实现金属废料更资源高效的再利用。这些方法包括固态回收方法，如基于挤出的固结、摩擦固结和机加工切屑锻造，以及基于雾化、机械铣削或混合加工技术的粉末生产路线[10]。这些方法力求保持材料完整性、降低能耗，并实现将废料直接转化为适合后续制造操作的半成品或原料形式[11]。尽管这些路径的技术成熟度不断提高，但通常在孤立的研究背景下进行探究，往往侧重于特定材料、加工路线或目标应用[12]，[13]。因此，知识仍然碎片化，而更广泛的制造系统视角——即多种替代路线共存并竞争相同的废料资源——在很大程度上缺失。

多种增值路径的同时存在带来了一个根本性挑战：缺乏一致的比较基础。路径不仅在加工序列和技术要求上有所不同，而且在输入废料的特性和输出的性质上也有所不同[14]。废料流在几何形状、表面状态和成分质量方面差异很大，这些都影响过程行为和可达到的结果[15]。同时，路径输出可能采取坯料、线材、板材或粉末的形式，每种形式在制造价值链中占据不同位置，并提供不同的功能能力。这种异质性使直接比较变得复杂，因为传统方法通常依赖于简化假设，如基于质量的等价性或聚合性能指标，这些假设无法反映功能差异[16]。因此，比较可能会混淆加工努力差异与输出功能差异，导致关于替代路线相对性能的潜在误导性结论。通过一条路径生产的一公斤材料不一定在功能上等价于通过另一条路径生产的一公斤材料，特别是当所得形式在下游加工准备程度或应用特定性能方面存在差异时[17]。

现有评估方法解决了这一决策问题的互补部分，但单独来看，并不能解决异质增值路径的可比性问题。生命周期评估（LCA）为量化产品系统的环境负担提供了标准化基础，并可以通过定义适当的功能单位和系统边界来适应功能差异。系统扩展和替代通过包含额外功能或替代产品系统进一步解决多功能性问题[18]。这些方法对于环境核算至关重要，并且在适当建模时可以代表详细的过程链；然而，它们本身并未规定一种通用的路径构建架构，用于处理具有不同废料特性、经历不同材料状态转化序列并终止于不同可重用材料形式的替代方案[19]，[20]，[21]，[22]，[23]。

多准则决策分析（MCDA）通过使替代方案能够根据多个潜在冲突的标准进行评估，补充了LCA。特别是，理想接近方法如TOPSIS根据与理想和非理想参考解的相对距离对预定义替代方案进行排序。这类方法非常适合环境、技术、经济和技术指标的最终综合。然而，它们作用于一个决策矩阵，在该矩阵中，替代方案和标准已被视为可比较。它们本身并不确定终止于坯料的路径应如何与终止于粉末的路径进行比较，也不确定建立等价性所需的额外转换在物理上是否可接受，或者相关的努力和材料损失应如何归属。类似地，量化回收质量的方法提供了替代潜力和保留功能的重要度量，但并未明确表示通过该转换拓扑结构将给定废料状态转化为替代制造原料或中间产品。

综合来看，文献揭示了一个空白，不是单独在环境、功能或多准则评估方法的可用性方面，而是在路径构建层面的连接方面。过程级LCA研究为个别回收技术提供了详细的环境清单，而系统扩展和替代方法解决了多功能性和避免初级生产的问题。回收质量和可替代性方法日益考虑二次材料的技术功能和最终用途适用性，LCA-MCDA方法使得在建立可比较的决策矩阵后能够对替代方案进行排序[24]。然而，这些研究流本身并不提供一种通用程序来表示竞争性金属废料增值路线作为材料状态转化序列，根据异质废料特性条件化个别转换，通过物理上可接受的转换调和终止于不同材料形式的路径，并将由此产生的努力、产量和功能差异传播到共同的决策空间中。因此，未解决的研究问题是在环境和多准则评估之前如何构建可比较的路径替代方案，而不是如何孤立地执行LCA或MCDA。这些研究流与当前框架之间的方法论区别总结在表1中。

因此，本工作的方法论贡献在于构建一个路径级决策架构，该架构先于并构建这些已建立的评估层。该框架不是提出新的环境表征方法或多准则排序算法，而是解决中间方法论问题：异质增值路线应如何表示、根据废料特性条件化、协调到共同制造终点、进行功能限定，并随后转化为可比较的决策空间，而不抑制其物理转换逻辑。因此，既定的环境指标和理想接近排序原则被有意保留为模块化分析组件，而非作为独立的方法论创新呈现。

在此基础上，本工作的主要方法论贡献是：

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  状态转换拓扑：基于材料状态和转换的增值路径表示，保留路径拓扑。
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  废料-努力耦合：将输入废料特性与转换级加工努力模型显式耦合。
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  终点协调逻辑：通过截断和虚拟扩展实现可行性约束的终点协调，包括转换努力和材料产量的传播。
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  集成决策架构：在应用既定的理想接近决策综合之前，对结构表示、终点协调、功能限定和多维路径评估进行排序。

该框架通过四条终止于异质材料形式的Ti6Al4V机加工切屑增值路线进行验证，为所提出的协调逻辑提供了一个苛刻的测试案例。

章节片段

问题框架、范围和路径抽象

本工作提出了一种用于离散制造中金属废料增值路径系统比较的决策支持方法。该框架与材料无关，依赖于数据可用性，并旨在对竞争策略进行对比评估。系统边界从废料产生开始；上游过程被视为决策无关并排除在外。任何隐含的传统负担被视为所有路线共同承担，不影响相对

结果与讨论

为了证明所提出方法的适用性和能力，定义并分析了四条Ti6Al4V机加工切屑的增值路径，如图5所示。图5中增值路径对应的生命周期清单已在文献[38]，[39]，[40]中报道。这些路径代表了根本不同的加工策略，包括传统重熔、粉末加工、锻造路线和摩擦

结论与展望

本研究引入了一种结构化的方法和决策支持方案，用于在异质过程配置和终点定义下对金属废料增值路线进行对比评估。主要方法论贡献在于在多准则排序之前构建和协调决策替代方案，而非替代既定的LCA或MCDA方法。通过整合结构描述符、路径级努力量化、

CRediT作者贡献声明

Pooya Hosseini：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，软件，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。Wouter Sterkens：写作 – 审阅与编辑，软件。Joost R. Duflou：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

Pooya Hosseini|Wouter Sterkens|Joost R. Duflou