Värdering

Som metod för att värdera miljöpåverkan har miljöpåverkansbedömning enligt ReCiPe endpoint används [4]. Bedömningsmetoden är en sammanviktad bedömning av

18 olika miljöpåverkans-kategorier och tar hänsyn till inverkan på människors hälsa, biodiversitet samt naturresurs tillgångar. I metoden ingår följande miljö påverkanskategorier: 1. Klimatpåverkan 2. Ozonskiktsuttunning 3. Markbunden försurning 4. Övergödning i sjöar 5. Övergödning I mark 6. Humantoxicitet

7. Marknära ozon eller sommarsmog 8. Partiklar 9. Ekotoxicitet i mark 10. Ekotoxicitet i sötvatten 11. Ekotoxicitet i hav 12. Joniserande strålning 13. Markanvändning, jordbruk 14. Markanvändning, stad 15. Markomvandling 16. Vattenutarmning 17. Mineralresursutarmning 18. Fossilbränsleutarmning

Metoden väger samman påverkande faktorer så som visas i 29 till ett slutvärde; en endpointeffekt.

Merparten av bedömningsvärdena har hämtats ur litteraturen [4]. Några data har dock även kompletterats med bedömningsvärden hämtade ur programvaran SIMAPRO med motsvarande parametrar inställda som för bedömningsvärdena som för de som hämtats ur litteraturen. I beräkningarna som gjorts i denna studie används bedömningsvärdena sedan genom att multiplicera med de material- och energikvantiteter som skattas vid inventeringen av produktlivscyklerna. Skattningar av kvantiteterna gjorts baserade på data som framkommit vid försöksgjutningarna samt approximationer utifrån vanlig gjutning. Värdena på kvantiteterna har sedan normaliserats utifrån den funktionella enheten 1 kg slutprodukt.

Vid värderingen har flera antagande blivit nödvändiga att göra. För elanvändningen har en mix, dvs ett genomsnittligt värde från den mix av energikällor som används i landet eller på kontinenten. Elmix för Sverige, Europa, USA respektive Kina har använts. För den monetära värderingen har alla värden räknats om i svenska kronor. I flera fall har priser på transport och material angivits i US dollar. Dollarkursen har här sats till 9,47 kr. Elpriset har satts till 0,40 kr i Sverige, 0,097 USD/kWh i Kina, 0,1319 USD/kWh i USA samt 0,1499 USD/kWh i EU.

Figur 29. Övergripande struktur av ReCiPe-metoden. Listan av resurser och utsläpp till vänster i Figuren beräknas via midpointeffekter till en endpointeffekt, uttryckt som än en dimensionell siffra, i Figurens högra sida.

6.2 Resultat

Analysen indikerar att när pågjutning används i cykler är både miljönyttan och den ekonomiska lönsamheten under produktlivscykeln större än om traditionell gjutning används, se Figur 30, 31 och 32.

Figur 30. Miljöpåverkan för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad inom EU.

Figur 31. Miljöpåverkan för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad USA.

Figur 32. Miljöpåverkan för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad Kina.

Pågjutning av funktionsskikt med 35 % av totalvikten lönar sig redan vid första återtillverkningstillfället då konventionellt gjutna produkter gjuts i sin helhet vid varje cykel och därför krävs motsvarande mer smält metall. Vid fjärde recirkuleringen visar analysen att miljönyttan nästan är 50% större. Däremot indikerar analyserna att om 35 % av totalvikten ska påföras är 3D-printing varken ekonomiskt eller miljömässigt fördelaktigt. Endast om mängden metall för att återskapa funktionen minskar till drygt hälften, dvs ca 15 % av totalvikten blir 3D-printing ett miljömässigt likvärdigt alternativ till pågjutning.

Ekonomiskt lönar sig 3D-printing först om mindre än 1,5 % av totalvikten behöver påföras, se Figur 33, 34 och 35. Orsaken är att 3D-printing kräver avsevärt mer elenergi än de andra två alternativen vilket har stort genomslag i analysen. Miljöpåverkan beror också på hur elen framställts vilket skiljer sig betydligt åt beroende på nationell elproduktion. Kurvan för 3D-printing i Kina men även USA är således betydligt brantare

än för EU. Detta beror på att mixen av producerad el i dessa länder har ett stort inslag av kolkraftsproducerat el.

Figur 33. Kostnad för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad inom EU.

Figur 34. Kostnad för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad i USA.

6.3 Analys

Projektet har utvärderat två produktions- och affärsmodeller för återskapande av funktionsvärde med lägre miljö- och resursbelastning; pågjutning respektive 3D- printning vilka båda jämförts med traditionell gjutning. Både miljönyttan och den ekonomiska lönsamheten är större än traditionell gjutning redan vid första återtillverkningstillfället om pågjutning av funktionsskikt används, visar resultaten. Vid fjärde recirkuleringen blir miljönyttan nästan 50% större. Däremot indikerar analyserna att 3D-printning inte är vare sig ekonomiskt eller miljömässigt fördelaktigt jämfört med pågjutning eller traditionell gjutning.

Figur 35. Kostnad för tre olika scenarion för tillverkning och användning av malsegment för marknad i Kina.

Metoden kräver betydligt mer elenergi än de andra två alternativen och detta får stort genomslag i analysen. Endast om väsentligt mindre mängd metall behöver appliceras för att återskapa funktionen blir 3D-printning ett miljömässigt och ekonomiskt alternativ i jämförelse.

Affärsmodellerna bygger på ett cirkulerande komponentflöde mellan slutkund och återtillverkningsfabrik. Produktägare kan vara gjuteriet eller dess kund som hyr ut funktionen till en slutkund. I fallet pågjutning förutsätts att utslitna komponenter skickas fram och tillbaka från marknader både i och utanför EU till Sverige för pågjutning. Fallet 3D-printing utgår från en gjuten produkt tillverkad i Sverige men transporterna kan minskas kraftigt genom att återtillverkningen skulle kunna ske lokalt på olika kontinenter. Utvärderingen har gjorts med hjälp av metoder baserade på livscykel- och livscykelkostnadsanalys.

Alternativ till pågjutning:

• Pritning vid varje hub: Ett malsegment väger ca 8 kg. Metallpulver kostar ca 250 kr/kg. Skattat måste 0,5 kg avlägsnas/printas på. Mtrl kostnad blir 125 kr/malsegment

• Det finns servicebyråer för metallprinting idag. En sådan skulle kunna agera 3:e part för att 3D-printa och kunden betalar per enhet.

Konceptet där slitdelar återtillverkas i många cykler genom upprepad pågjutning av nya funktionsskikt har formulerats för produkt, process och tjänst. Förutsatt att en pågjuten komponents kvalitetskrav kan uppfyllas, har genomförbarhetsstudien visat att den cirkulära affärsmodellen leder till påtagligt minskad material- och energianvändning under dess totala livscykel. Återtransport från kund till gjuteri samt det pågjutna materialets relativa andel av den återtillverkade komponenten är avgörande parametrar för såväl miljöbelastning som kostnadsutfall. En checklista har tagits fram där specifika produkter kan utvärderas i detalj utifrån materialval, gjutvikt, energiåtgång vid smältning, transporter, antal återtillverkningscykler och så vidare.

7 Diskussion

Konceptet där slitdelar återtillverkas i många cykler genom upprepad pågjutning av nya funktionsskikt har formulerats för produkt, process och tjänst. Förutsatt att en pågjuten komponents kvalitetskrav kan uppfyllas, har genomförbarhetsstudien visat att den cirkulära affärsmodellen leder till påtagligt minskad material- och energianvändning under dess totala livscykel. Återtransport från kund till gjuteri samt det pågjutna materialets relativa andel av den återtillverkade komponenten är avgörande parametrar för såväl miljöbelastning som kostnadsutfall. En checklista har tagits fram där specifika produkter kan utvärderas i detalj utifrån materialval, gjutvikt, energiåtgång vid smältning, transporter, antal återtillverkningscykler och så vidare. Konceptet har goda förutsättningar att vidareutvecklas genom att ytterligare frågeställningar adderas:

• Marknadsanalys med avseende på hållbarhetsaspekter kopplat till potentiella kunders betalningsvilja,

• Kostnad i förhållande till nya och återtillverkade komponenters prestanda, • Effekter på kostnadsbild och hållbarhetsaspekter då även för- och efterarbetning

samt hantering kring återtillverkning infogas i modellen,

• Alternativa applikationer där nötning men också korrosion begränsar komponentens livslängd.

Under projektets gång har de deltagande parterna, gjuterier, kund och forskningsutförare, haft en kontinuerlig dialog kring bärkraften i det nya affärskonceptet. Omvandlingen från en linjär till en cirkulär affärsmodell för den specifika produkten har prövats utifrån faktiska krav på lönsamhet och produktprestanda. Utifrån dessa krav har de tekniska lösningarna för framställningsprocessen testats och utvärderats. Detta iterativa arbetssätt har varit nyckeln till den goda måluppfyllelse som nåtts i projektet.

Omvärldsbevakningen som till en början gav ett fåtal artiklar, relaterat till forskning kring pågjutning eller sammangjutning av material med järn som bas, med sökord som; compound casting, bi-metal och Verbundguss Eisen kompletterades under projekttiden kontinuerligt utifrån de nya idéer och vägval som framkom. Antalet artiklar inom området pågjutning, som är en nödvändighet för återtillverkning, blev vid projektets slut av en rimlig nivå. Forskningen har en tyngdpunkt på vad som sker metallurgiskt genom bland annat svetsning och ytbeläggning med laser eller plasma av olika material och utvärdering av strukturen i den sammanfogade zonen.

Trots att ett antal kommersiella produkter identifierats, vilka framställts genom en pågjutningsprocess, konstaterades att det internationella forskningsunderlaget är bristfälligt inom återtillverkning. Resultaten är dock användbara för att förstå vad som kan ske i övergångszonen när två olika järnhaltiga material gjuts mot varandra. Parallellt med fortsatt utforskande av möjligheterna kring återtillverkning genom pågjutning finns därmed en stor potential för grundläggande forskningsinsatser inom området i sig. Svensk gjuteriindustri har goda förutsättningar att genom strategiska satsningar på området inleda en utveckling mot internationell spetskunskap. Exempel på intressanta tekniska frågeställningar för sammangjutning är

• Vilka ekonomiskt intressanta materialkombinationer som är tekniskt fördelaktiga,

• Förbehandling genom mekanisk eller kemisk ytmodifiering,

• Användning av flussmedel för uppsmältning och bildning av metallisk bindningszon,

• Optimering av gjutsystem och temperatur på ingående smälta,

• Alternativa vägar att tillföra extra värme till komponenten under avgjutningen, • Efterföljande värmebehandling för att modifiera metallisk bindningszon.

8 Slutsats

I genomförbarhetsstudien har ett nytt cirkulärt koncept för slitdelar utvecklats. Komplexa gjutna komponenter kan med bibehållet högt förädlingsvärde återtillverkas i många cykler genom upprepad pågjutning av nya funktionsskikt. Tillverkningsprocessen utgår från traditionell gjutning men utnyttjar metallsmältans förmåga att nybilda starka intermediära skikt med den metalliska baskomponenten. Konceptet förutsätter en affärsmodell där användaren genom en kontrollerad rutin returnerar nedslitna men väldefinierade komponenter till tillverkaren i ett cirkulärt system.

Två komponentgjuterier deltog i genomförbarhetsstudien tillsammans med en tillverkare av anläggningar för pappers- och massaindustrin. I och med projektet gavs företagen möjlighet att pröva ett helt nytt produktkoncept med stor potential för framtida tillväxt. Grundläggande praktiska tester av gjuttekniska begränsningar i pågjutningssteget samt vidhäftningsförmåga och resulterande materialegenskaper har genomförts och ett antal tekniska utmaningar definierats. Produktions- och affärsmodeller har utvärderats.

Genomförbarhetsstudien visar att konceptet har potential att utgöra en integrerad del i en ny affärsmodell baserat på tjänster för återtillverkade gjutna komponenter. Detta kan leda till ökad användning av gjutning som ett processteg i återtillverkning av komponenter i komplexa applikationer och optimerad resursanvändning i hela värdekedjan.

Under projektets gång konstaterades att det internationella forskningsunderlaget är bristfälligt inom återtillverkning. Parallellt med fortsatt utforskande av möjligheterna kring återtillverkning genom pågjutning finns därmed en stor potential för grundläggande forskningsinsatser inom området i sig. Svensk gjuteriindustri har goda förutsättningar att genom strategiska satsningar på området inleda en utveckling mot internationell spetskunskap.

9 Fortsatt arbete

Samtliga projektparter från genomförbarhetsstudien avser att driva samarbetet vidare inför Etapp 2. Diskussioner har inletts med ytterligare två slutanvändare för att bredda antalet applikationer, då såväl affärsmodellen som de tekniska möjligheterna bedöms ha bäring på andra produkter.

Vid framtagning av kravspecifikation för produkt och process samt planering och genomförande av praktiska tester deltog samtliga projektparter. Inför Etapp 2 kommer tekniska experter på ytor, fasberäkningar, korrosionsfrågor, utfallstester, kvalitetssäkring och efterbehandling att involveras då det rådande tekniska kunskapsläget för pågjutning har visat sig vara otillräckligt.

Aktörer inom forskning och utveckling av hållbara affärsmodeller inom RISE-koncernen har involverats under genomförbarhetsstudien i utformningen av affärsmodell och hållbarhetsanalys. Detta engagemang kommer att fördjupas inför Etapp 2.

10 Referenser

[1] Vagn Buchwald, Iron and steel in ancient times, Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab, ISBN 87-7304-308-7, p18, p73-75, (2005).

[2] Rutherford J. Gettens, Roy S. Clarke, JR., W. T. Chase, Two early Chinese bronze weapons with meteoritic iron blades, Occasional Papers vol. 4 NO 1 (1971)

[3] Y. Aftandilyants, Manufacturing technology of bimetallic castings by high durability, Innovations Market for R&D April 16-20, Hannover (2007)

[4] Zackrisson, M. Indikatorer för bedömning av miljöpåverkan. Swerea IVF-rapport 14004. ISSN 1404-191X. Mölndal (2014)

Bilaga 1 Litteraturlista

M. Ramadan, New trends and advances in bi-metal casting technologies, International Journal of Advanced and Applied Sciences, 6(2), p 75-80 (2019)

Mohamed Ramadan, Interface Structure and Elements Diffusion of As-Cast and Annealed Ductile Iron/Stainless Steel Bimetal Castings, Engineering, Technology & Applied Science Research, Vol. 8, No. 2, p2709-2714 (2018)

Yongcun Li, et al, Diffusion behavior and mechanical properties of high chromium cast iron/ low carbon steel bimetal, Materials Science & Engineering p260 – 266 (2018)

Yulong Cao et al, Research on the Bonding Interface of High Speed Steel/Ductile Cast Iron Composite Roll Manufactured by an Improved Electroslag Cladding Method, Metals www.mdpi.com, (2018),

Wiwik Purwadi, et. al., Gravity Sand Casting of Metallurgical Bonded Bimetallic Grinding Roll Made of White Cast Iron-Nodular Cast Iron, Int. Journal of Engineering Research and Application, Vol. 7, Issue 2, p.44-51 (2017)

Jan Szajnara, T. Wróbela, A. Dulskaa, Manufacturing Methods of Alloy Layers on Casting Surfaces, Journal of Casting & Materials Engineering vol 1 No. 1 p2-6, (2017)

H.T. Cao et al, Surface alloying of high-vanadium high-speed steel on ductile iron using plasma transferred arc technique: Microstructure and wear properties, Materials and Design 100 p223– 234 (2016)

T. Wróbel, J. Szajnar, Bimetallic Casting: Ferritic Stainless Steel – Grey Cast Iron, ARCHIVES OF METALLURGY AND MATERIALS, vol 60 issue 3 (2015)

Xingjian Gao et al, Effects of temperature and strain rate on microstructure and mechanical properties of high chromium cast iron/low carbon steel bimetal prepared by hot diffusion- compression bonding, Materials and Design, 63-p650 – 657 (2014).

M. Kazemi, A.R. Kiani-Rashid, A. Nourian, A. Babakhani, Investigation of microstructural and mechanical properties of austempered steel bar-reinforced ductile cast iron composite, Materials and Design 53 p1047–1051 (2014)

Tomasz Wro´bel, Characterization of Bimetallic Castings with an Austenitic Working Surface Layer and an Unalloyed Cast Steel Base, Journal of Materials Engineering and Performance, Volume 23(5) May (2014)

Rajender Kumar Tayal, Vikram Singh, Sudhir Kumar and Rohit Garg, COMPOUND CASTING - A LITERATURE REVIEW, Proceedings of the National Conference on Trends and Advances in Mechanical Engineering, YMCA University of Science & Technology, Faridabad, Haryana, Oct 19-20, (2012.)

Kirsten Nähle, Bremstrommel aus Verbundguss bietet Sicherheit in Nutzfahrzeugen support.vogel.de (ID: 32152560), 27.02. (2012)

XIAO Xiao-feng, YE Sheng-ping, YIN W ei-xin, XUE Qiong, HCWCI/Carbon Steel Birnetal Liner by Liquid-Liquid Compound Lost Foam Casting, JOURNAL OF IRON AND STEEL RESEARCH, INTERNATIONAL.19(10): 13-19 (2012)

Xiao Xiaofeng, Ye Shengping, Yin Weixin, Zhou Xiaoguang, and Xue Qiong, High Cr white cast iron/carbon steel bimetal liner by lost foam casting with liquid-liquid composite process, China Foundry, vol 9 no 2 p136 – 142, May (2012)

T. Wróbel, Bimetallic layered castings alloy steel – grey cast iron, Archives of Materials Science and Engineering, vol 48 Issue 2 p118 – 125 (2011)

Tomasz WRÓBEL, Ni AND Cr BASE LAYERS IN BIMETALLIC CASTINGS, 18 – 20 Mai Metal, Brno, Chech Republic, EU (2011)

Bowen Xiong, Changchun Cai, Baiping Lu, Effect of volume ratio of liquid to solid on the interfacial microstructure and mechanical properties of high chromium cast iron and medium carbon steel bimetal, Journal of Alloys and Compounds 509 p6700–6704 (2011)

T. Wróbel, M. Cholewa, S. Tenerowicz, Examples of material solutions in bimetallic layered castings, ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING, ISSN -1897-3310, vol 11 issue 3 p11 – 16 (2011)

Bowen Xiong, Changchun Cai, Hong Wan, Baiping Lu, Fabrication of high chromium cast iron and medium carbon steel bimetal by liquid–solid casting in electromagnetic induction field, Materials and Design 32 p2978–2982 (2011)

Guoling Xie, Hui Sheng, Jingtao Han, Jing Liu, Fabrication of high chromium cast iron/ low carbon steel material by cast and hot rolling process. Materials and Design 31 p3062-3066 (2010) M. Cholewa, T. Wróbel, S. Tenerowicz, Bimetallic layer castings, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, vol 43 issue 1 November (2010)

Mehmet Simsir, Levent Cenk Kumruoglu, Ali Özer, An investigation into stainless- steel/structural-alloy-steel bimetal produced by shell mould casting, Materials and Design 30 p264–270 (2009)

Mehmet Simsir, Levent Cenk Kumruoglu, Ali Özer, An investigation into stainless- steel/structural-alloy-steel bimetal produced by shell mould casting, Materials and Design 30 p264–270 (2009)

Robert D. Bitsche, Design and Computational Analysis of Compound Castings and other Multi- Material Structures, Dissertation Vienna University of Technology, Wien (2009)

Ahmet Avcı, Nevzat ˙Ilkaya, Mehmet Simsir, Ahmet Akdemir, Mechanical and microstructural properties of low-carbon steel-plate-reinforced gray cast iron, journal of materials processing technology 209 p1410–1416 (2009)

S. Ẑic, I. Dẑambas, M. Ikonić, Possibilities of implementing bimetallic hammer castings in crushing industries, METALURGIJA 48 p51-54 (2009)

E.N. Pan, P.C Yu, R.M. Chang, Production of Bi-Metal (High-Cr Cast Iron – Alloyed Steel) Hammers and Analyses of Microstructure and Properties, Paper 08-015(05) AFS Transactions (2008)

B. Kurt, N. Orhan, A. Hascalık, Effect of high heating and cooling rate on interface of diffusion bonded gray cast iron to medium carbon steel, Materials and Design 28 p2229–2233 (2007) J. KILARSKI, J. SUCHOŃ, ODLEWY WARSTWOWE STALIWO – ŻELIWO, Archives of Foundry, vol 6 no 22 (2006)

J. Gawronski, J. Szajnar, P. Wrobel, Study on theoretical bases of receiving composite alloy layers on surface of cast steel castings, Journal of Materials Processing Technology 157–158 p679–682 (2004)

Bo Andersson, Bertil Steen, Påsvetsning av material och plasmapåsvetsning, IVF-Resultat 74625 (1974)

Patent:

US 20120312495A1, Technology of production of bimetallic and multilayer casts by gravity or spun casting, , Dec 13 2012

Övrigt:

Metal-to-metal compound casting for innovative cast components, Fraunhofer Institute for Manufacturing technology and Advanced Materials IFAM, (broschyr)

Through our international collaboration programmes with academia, industry, and the public sector, we ensure the competitiveness of the Swedish business community on an international level and contribute to a sustainable society. Our 2,800 employees support and promote all manner of innovative processes, and our roughly 100 testbeds and demonstration facilities are instrumental in developing the future- proofing of products, technologies, and services. RISE Research Institutes of Sweden is fully owned by the Swedish state.

I internationell samverkan med akademi, näringsliv och offentlig sektor bidrar vi till ett

konkurrenskraftigt näringsliv och ett hållbart samhälle. RISE 2 800 medarbetare driver och stöder alla typer av innovationsprocesser. Vi erbjuder ett 100-tal test- och demonstrationsmiljöer för framtidssäkra produkter, tekniker och tjänster. RISE Research Institutes of Sweden ägs av svenska staten.

RISE Research Institutes of Sweden AB Box 857, 501 15 BORÅS

Telefon: 010-516 50 00

E-post: info@ri.se, Internet: www.ri.se

Gjutna komponenter RISE Rapport 2020:56 ISBN: