Eco-Design for Additive Manufacturing Using Energy Performance Quantification and Assessment

  • Recent studies on the environmental performance of additive manufacturing (AM) have shown that AM exhibits both complex potentials and challenges at different life stages compared to conventional manufacturing. To assess and ensure the environmental benefits of AM during the design phase, an eco-design approach is required. Existing eco-design for AM approaches described in the literature mainly focus on the use of lifecycle assessment (LCA) to analyze the environmental impacts of AM-specific design solutions. However, since LCA requires a full-process chain model and detailed inventory data, it can only be performed after the design process or in a subsequent design stage. To integrate evaluation activities into the middle stage of the design process, energy performance assessment can be used as an alternative evaluation tool in eco-design for AM. However, the literature still lacks an eco-design for AM method based on energy performance quantification and assessment. By addressing this research problem, this dissertation contributes to the development of a holistic framework to implement eco-design for AM using energy performance assessment. This framework consists of the following three parts: a simulation tool for energy prediction in the design phase; an energy performance assessment model for AM; and a method for carrying out activities in eco-design for AM. To demonstrate the feasibility of the proposed method, three use cases are performed. Based on these use cases, it is concluded that with the use of the proposed method, AM designers will be able to select and develop optimal design solutions based on the energy performance of AM in the middle design stage.
  • Aktuelle Studien für die Bewertung der Nachhaltigkeit der additiven Fertigung (AF) haben gezeigt, dass AF im Vergleich zur konventionellen Fertigung sowohl Potenziale als auch Herausforderungen in verschiedenen Lebenszyklusphasen aufweist. Um die Umweltvorteile der AF während der Gestaltungsphase bewerten und sicherzustellen zu können, ist der Ansatz des Ökodesigns erforderlich. Bestehende Ansätze zum Ökodesign für die AF fokussieren sich hauptsächlich auf die Verwendung von Ökobilanzen, um die Umweltauswirkungen von AF-spezifischen Gestaltungslösungen zu analysieren. Da Ökobilanzen jedoch ein vollständiges Prozesskettenmodell und detaillierte Inventardaten erfordern, können sie erst in einer späteren Phase oder nach dem Gestaltungsprozess durchgeführt werden. Um die Bewertung in der mitt-leren Phase des Gestaltungsprozesses zu ermöglichen, kann die Bewertung der energiebezogenen Leistung als alternatives Bewertungswerkzeug im Zuge des Ökodesigns für AF verwendet werden. In bestehenden Ansätzen gibt es jedoch noch keine Methode zum Ökodesign für AF, die auf der Quantifizierung und Bewertung der energiebezogenen Leistung basiert. Daher zielt die vorliegende Dissertation auf die Entwicklung und Validierung eines Konzepts zum Ökodesign für AF mittels der Quantifizierung und Bewertung der energiebezogenen Leistung der AF ab. Das Konzept umfasst drei Bestandteile: ein Simulationstool zur Quantifizierung des Energieaufwands der AF in der Gestaltungphase; ein Modell zur Beschreibung und Bewertung der energiebezogenen Leistung der AF; und eine Vorgehensweise zur Durchführung des Ökodesigns für AF mittels des entwickelten Simulationstools und Bewertungsmodells. Um die Machbarkeit des Konzepts zur validieren, werden drei Anwendungsfälle durchgeführt. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das entwickelte Konzept ein effizientes Instrument ist, um die Umweltvorteile der AF in der Gestaltungsphase zu ermitteln und zu gewährleisten.

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Metadaten
Author:Li Yi
URN:urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-64920
DOI:https://doi.org/10.26204/KLUEDO/6492
ISBN:978-3-95974-157-6
Series (Serial Number):Produktionstechnische Berichte aus dem FBK (03/2021)
Advisor:Jan C. Aurich, Bahram Ravani
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:English
Date of Publication (online):2021/07/27
Year of first Publication:2021
Publishing Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institution:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2021/05/27
Date of the Publication (Server):2021/07/27
Tag:Additive Fertigung; Energieeffizienz; Ökodesign
Page Number:X, 132
Faculties / Organisational entities:Kaiserslautern - Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 600 Technik
Licence (German):Creative Commons 4.0 - Namensnennung, nicht kommerziell, keine Bearbeitung (CC BY-NC-ND 4.0)