Wire Arc Additive Manufacturing WAAM

Analisi delle emissioni di carbonio e dei costi di lavorazione

Il tempo totale di lavorazione (M, in h) è stato ottenuto come somma di:

1. Il tempo di avvio, di installazione, di presa/scarico del pezzo
2. Il tempo di taglio
3. Il tempo per il cambio utensile

I costi totali di processo (C, in €) comprendono i costi indiretti (come l'ammortamento dell'acquisto, la manutenzione delle attrezzature e le spese generali di produzione e amministrazione), i costi del lavoro di produzione nonché i costi diretti (energia elettrica e utensili da taglio), e sono stati calcolati secondo l'equazione (4):

C_Machining = C_∙t + C_∙α∙t + C_∙E + ∙ + C_∑MT (4)

Dove:

• C_lavorazione (€/h) è il tasso di costo indiretto per la lavorazione
• C_MT è il tasso di costo del

produzione e all'utilizzo di gas di schermatura. I costi di processo (Csono stati valutati secondo la Eq. (6): W EE Edepositionidle dwell⏞⏞ ⏞WAAM W WW WWC = C ∙ t + C ∙ β ∙ t + C ∙ ∙ t + SEC ∙ m + P ∙ t + C ∙ q ∙ t (6)(P )W WT MO WT EE s wire dw gas dStb Stb GIn cui:C tasso di costo indiretto per il sistema WAAM (€/h);WWC tasso di costo del lavoro per il sistema WAAM (€/h);MOt tempo totale per il processo WAAM (h);WTβ tempo di presenza dell'operatore WAAM (β ≤ 1);frazione delC costo del gas di schermatura (€/l).gas 453.6.

Studio di casi e inventario del ciclo di vita (LCI)Si presenta, in questa sezione, un caso di studio che chiarisca l'applicabilità dei modelliproposti. Adottando l'approccio integrato additivo-sottrattivo, la struttura superiore è stata ottenutaattraverso tecnologia WAAM: 20 strati sono stati depositati su un substrato lavorato che è statoutilizzato come struttura di supporto.

valori da applicare nei modelli empirici, mentre i dati LCI relativi alla produzione di materiali e alle fasi di pre-fabbricazione sono stati ottenuti dalla letteratura. Sono stati assunti rapporti input/output del materiale (che quantificano la massa del materiale di ingresso necessaria per ottenere 1 kg di materiale in uscita) di 1,05 e 1,12 rispettivamente per la laminazione a caldo e la trafilatura a filo. Le perdite di materiale in WAAM risultano fondamentalmente trascurabili. Inoltre, sono state prese in considerazione operazioni di fresatura (con una profondità di taglio costante di 1 mm) per la preparazione del substrato e i processi di lavorazione 46a macchina convenzionali. Le eco-proprietà medie dell'acciaio sono elencate nella tabella 3.1. I valori sono stati ottenuti dalla banca dati CES Selector v.17.2.0 (Granta Design, Regno Unito). L'energia immagazzinata e l'impronta di carbonio per la produzione di materie prime sono state calcolate tenendo conto

Dei vantaggi del riciclaggio. È stato utilizzato l'approccio al contenuto riciclato ed è stata ipotizzata una frazione riciclata, nell'attuale fornitura di materiale di input, del 42%. I costi di acquisto di un pezzo da lavorare e di un filo in acciaio ER70S-6 sono stati fissati rispettivamente a 0,50 €/kg e 1,80 €/kg.

Figura 3.3 Principali flussi di materiale (in riferimento alla fig. 3.1) in funzione del rapporto solido-cavità.

473.6.1. LCI per il processo per unità WAAM. Il processo WAAM è stato eseguito tramite una sorgente di

alimentazione a tensione continua costante Awelco Pulsemig 250. La materia prima era costituita da un filo da Ø 0,8 mm. La velocità di saldatura (300 mm/min) e la velocità di avanzamento del filo (4,55 m/min) sono state entrambe fissate. La portata del materiale durante la deposizione è stata di 38,1 mm/s. Il consumo specifico di energia durante la deposizione del materiale è stato misurato in 1,36 kW h/kg. Un software CAM è stato utilizzato per tracciare i percorsi di deposizione e il tempo di pausa per il raffreddamento fra gli strati è stato impostato su 100 s. Il tempo per l'avvio, il set-up e la post-elaborazione è stato di 30 minuti. Per quanto riguarda i costi di processo, si è presunto che: (i) un tasso generale amministrativo e di produzione di 5,46 €/h; (ii) un periodo di ammortamento macchina di 8 anni;

di funzionamento annuo di 5000 h/anno;

(iv) costi di manutenzione e di materiali di consumo pari al 6% del costo di acquisto della macchina all'anno.

Il costo delle apparecchiature WAAM, compresa la fonte di energia, è di 85 k€.

Il tasso di costo del lavoro per il sistema di movimentazione robotizzato è stato valutato in 21,66 €/h ed è stato preso in considerazione un costo annuo del lavoro di 35 k€ per 1616 ore lavorative (al netto delle ferie) all'anno.

L'orario di lavoro dell'operatore è stato ottenuto supponendo la piena occupazione durante le attività di allestimento/post-elaborazione, che è stata poi aumentata del 10% del tempo produttivo per prendere in considerazione le operazioni di supervisione.

La portata misurata del gas di schermatura è stata di 14 l/min, con un costo di acquisto di 2,14 €/m³.

3.6.2. LCI per la lavorazione

Il consumo specifico di energia elettrica di tutti i processi di

La lavorazione qui considerata è stata calcolata secondo la seguente equazione: 3SEC (J/mm) = 3.524 + 2066/MRR (mm/s)

La potenza di standby è risultata essere 2,2 kW e si è assunto un tempo di inattività di 15 minuti.

Sono state preferite condizioni di taglio a secco, grazie ai loro benefici in termini di costi e risparmio di impatto ambientale. I contributi relativi all'uso di fluidi di raffreddamento sono stati annullati nelle equazioni (2) e (4).

Inoltre, sono state selezionate delle frese in carburo a 2 scanalature di diametro 8 mm in base ai vincoli dimensionali imposti dai componenti che dovevano essere lavorati.

I parametri di processo sono stati scelti con riferimento alle raccomandazioni contenute nel catalogo del fornitore di utensili, al fine di identificare per ogni singola operazione il miglior compromesso tra produttività del processo e durata dell'utensile. L'MRR risultante è stato (i) 149,2 mm/s per la sgrossatura e fresatura.

(ii) 35,8 mm /s per la semifinitura e (iii) 6,0 mm /s per le operazioni di finitura. Una durata dell'utensile di 30 e 45 minuti era prevista rispettivamente per le operazioni di sgrossatura e (semi)finitura. Le condizioni di taglio per la (semi)finitura sono state mantenute invariate per entrambi gli approcci di fabbricazione, al fine di ottenere una qualità superficiale comparabile e rendere coerente il confronto dei risultati. Per quanto riguarda la valutazione dei costi, sono state mantenute le ipotesi dichiarate nella sezione precedente.