Auswirkungen des Festwalzens auf die CO2-Bilanz eines Bauteils

Jednym z kluczowych zadań inżynierów w nadchodzących latach będzie opracowanie produktów neutralnych dla klimatu. Jednak odpowiedź na pytanie o neutralność klimatyczną nie jest łatwa, jeśli chodzi o komponenty. Ocena cyklu życia (LCA) polega przede wszystkim na określeniu_{emisji CO2} dla wcześniej zdefiniowanego obszaru rozważań. Mówiąc prościej, należy jasno określić, które_{emisje CO2} są uwzględniane w ocenie, a które nie.

Zazwyczaj jest to określane jako Zakres 1, 2 i 3, co nadal jest stosunkowo proste pod względem neutralności klimatycznej firmy. Czy bierze się pod uwagę tylko energię przychodzącą? W jaki sposób uwzględnia się flotę pojazdów firmy? Czy też uwzględnia się emisje powodowane przez pracowników podróżujących do i z pracy?

Jeśli chcesz zrównoważyć komponent, musisz dokonać bardziej precyzyjnego rozróżnienia, a przede wszystkim rozważyć, czy należy uwzględnić fazę produkcji i/lub użytkowania. W kompletnym LCA uwzględniany jest cały cykl życia, tj. od fazy produkcji, poprzez dostawę, użytkowanie, aż po utylizację/recykling produktu.

W celu zmniejszenia emisji systemu w tym kompletnym LCA, konsekwentna lekka konstrukcja jest opcją. Ma to wpływ przede wszystkim na fazę użytkowania. Na przykład coraz więcej tworzyw sztucznych jest wykorzystywanych w konstrukcji pojazdów, aby samochody były lżejsze, a tym samym zmniejszały emisje podczas jazdy. Trend ten może mieć jednak negatywny wpływ na fazę produkcji i utylizacji, ponieważ skutkuje to znacznie wyższym zapotrzebowaniem na energię.

Jedną z możliwości uzyskania lekkiej konstrukcji z komponentów metalowych jest optymalne wykorzystanie właściwości powierzchni i strefy krawędziowej. Przez wiele lat udowodniono naukowo, że właściwości materiału, a także właściwości trybologiczne komponentu mogą być specjalnie dostosowane do wymagań aplikacji w procesie produkcyjnym. Nawet dziś istnieje duża liczba projektów badawczych, które analizują, w jaki sposób można zoptymalizować wytrzymałość dynamiczną komponentów poprzez ukierunkowane wprowadzenie szczątkowych naprężeń ściskających.

Dzięki mechanicznej obróbce powierzchni możemy to wykorzystać i produkować komponenty w ukierunkowany sposób, aby zwiększyć ich żywotność, co z kolei ma pozytywny wpływ na ich_{ślad węglowy}.

Jak jednak wydłużony okres eksploatacji wpływa na_{bilans CO2} komponentu?

Istnieją dwa tradycyjne podejścia do odpowiedzi na to pytanie. Należy rozróżnić, czy jest to komponent zaprojektowany na cały okres eksploatacji całego systemu (np. pojazdu), czy też musi być wymieniany w regularnych odstępach czasu?

Przeanalizujmy te dwa scenariusze na przykładzie łożyska wałeczkowego. W ramach projektu badawczego Niemieckiej Fundacji Badawczej (DFG) zbadano zakres, w jakim można zwiększyć żywotność łożyska walcowego typu NU206 poprzez zmianę łańcucha procesu ze szlifowania i honowania na toczenie na twardo i walcowanie głębokie [1].

Wyniki wykazały, że głębokie walcowanie bardzo wyraźnie wprowadza szczątkowe naprężenia ściskające tam, gdzie występują największe naprężenia podczas pracy łożyska. Resztkowe naprężenia ściskające przeciwdziałają naprężeniom obciążeniowym i zmniejszają naprężenia równoważne według von Misesa. W porównaniu z konwencjonalnym łożyskiem oznacza to, że łożyska toczone i walcowane na twardo w ramach projektu miały o 150% dłuższą żywotność L10, co oznacza, że łożyska mogą być używane 2,5 razy dłużej.

W oparciu o tę zwiększoną żywotność można teraz pozytywnie wpłynąć na oba scenariusze. Zacznijmy od komponentu, który musi być regularnie wymieniany podczas pracy; innymi słowy, to łożysko jest regularnie wymieniane w tej maszynie, na przykład raz w roku. Przy okresie eksploatacji maszyny wynoszącym 20 lat oznacza to, że łożysko to należy wymienić 20 razy w ciągu całego okresu eksploatacji maszyny, co oznacza, że należy wyprodukować 20 łożysk.

Emisje związane z produkcją 20 łożysk muszą zatem zostać uwzględnione w_{bilansie CO2}. Oznacza to konieczność dostarczenia stali, zużycia energii w maszynach produkcyjnych i dużej ilości energii cieplnej do obróbki cieplnej. Ponadto, łożyska muszą zostać przetransportowane i dostarczone do maszyny. Wiemy z projektów badawczych, takich jak projekt "Drive Train 2025" finansowany przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Klimatu (BMWK), że zmiana w produkcji prawdopodobnie nie będzie miała szczególnie dużego wpływu na_{ślad węglowy} łożyska. Innymi słowy, to, czy łożysko jest szlifowane i gładzone, czy toczone na twardo i walcowane, nie ma decydującego wpływu na_{ślad węgl}owy. Ważniejsza jest oszczędność materiału.

I właśnie w tym tkwi dźwignia do poprawy_{bilansu CO2} poprzez toczenie. Jeśli to samo łożysko może być teraz używane przez 2,5 razy dłuższy czas, to trzeba wyprodukować mniej łożysk. W naszym przykładzie całkowitej żywotności wynoszącej 20 lat, należy wyprodukować tylko 8 łożysk, co pozwala zaoszczędzić około 60%_{emisji CO2}.

W drugim scenariuszu zakładamy, że komponent jest zaprojektowany na cały okres eksploatacji maszyny. Jeśli użyjemy tego samego łożyska, ale walcowanego na twardo,_{bilans CO2} pogorszy się, ponieważ musimy zużyć niewielką ilość dodatkowej energii na walcowanie. Jednak łożysko jest utylizowane po 20 latach, nawet jeśli jest nadal całkowicie nienaruszone. Aby pozytywnie wpłynąć na_{bilans CO2} również w tym przypadku, podejście polega na osiągnięciu takiej samej żywotności przy mniejszym łożysku.