Energy and raw material consumption analysis of powder bed fusion: case study: CNC machining and laser additive manufacturing

Laser additive manufacturing (LAM), known also as 3D printing, is a powder bed fusion (PBF) type of additive manufacturing (AM) technology used to manufacture metal parts layer by layer by assist of laser beam. The development of the technology from building just prototype parts to functional parts is due to design flexibility. And also possibility to manufacture tailored and optimised components in terms of performance and strength to weight ratio of final parts. The study of energy and raw material consumption in LAM is essential as it might facilitate the adoption and usage of the technique in manufacturing industries. The objective this thesis was find the impact of LAM on environmental and economic aspects and to conduct life cycle inventory of CNC machining and LAM in terms of energy and raw material consumption at production phases. Literature overview in this thesis include sustainability issues in manufacturing industries with focus on environmental and economic aspects. Also life cycle assessment and its applicability in manufacturing industry were studied. UPLCI-CO2PE! Initiative was identified as mostly applied exiting methodology to conduct LCI analysis in discrete manufacturing process like LAM. Many of the reviewed literature had focused to PBF of polymeric material and only few had considered metallic materials. The studies that had included metallic materials had only measured input and output energy or materials of the process and compared to different AM systems without comparing to any competitive process. Neither did any include effect of process variation when building metallic parts with LAM. Experimental testing were carried out to make dissimilar samples with CNC machining and LAM in this thesis. Test samples were designed to include part complexity and weight reductions. PUMA 2500Y lathe machine was used in the CNC machining whereas a modified research machine representing EOSINT M-series was used for the LAM. The raw material used for making the test pieces were stainless steel 316L bar (CNC machined parts) and stainless steel 316L powder (LAM built parts). An analysis of power, time, and the energy consumed in each of the manufacturing processes on production phase showed that LAM utilises more energy than CNC machining. The high energy consumption was as result of duration of production. Energy consumption profiles in CNC machining showed fluctuations with high and low power ranges. LAM energy usage within specific mode (standby, heating, process, sawing) remained relatively constant through the production. CNC machining was limited in terms of manufacturing freedom as it was not possible to manufacture all the designed sample by machining. And the one which was possible was aided with large amount of material removed as waste. Planning phase in LAM was shorter than in CNC machining as the latter required many preparation steps. Specific energy consumption (SEC) were estimated in LAM based on the practical results and assumed platform utilisation. The estimated platform utilisation showed SEC could reduce when more parts were placed in one build than it was in with the empirical results in this thesis (six parts).

Early detection of metabolic and energy disorders by thermal time series stochastic complexity analysis

Maintenance of thermal homeostasis in rats fed a high-fat diet (HFD) is associated with changes in their thermal balance. The thermodynamic relationship between heat dissipation and energy storage is altered by the ingestion of high-energy diet content. Observation of thermal registers of core temperature behavior, in humans and rodents, permits identification of some characteristics of time series, such as autoreference and stationarity that fit adequately to a stochastic analysis. To identify this change, we used, for the first time, a stochastic autoregressive model, the concepts of which match those associated with physiological systems involved and applied in male HFD rats compared with their appropriate standard food intake age-matched male controls (n=7 per group). By analyzing a recorded temperature time series, we were able to identify when thermal homeostasis would be affected by a new diet. The autoregressive time series model (AR model) was used to predict the occurrence of thermal homeostasis, and this model proved to be very effective in distinguishing such a physiological disorder. Thus, we infer from the results of our study that maximum entropy distribution as a means for stochastic characterization of temperature time series registers may be established as an important and early tool to aid in the diagnosis and prevention of metabolic diseases due to their ability to detect small variations in thermal profile.

Mesure du rapport d'embranchement des désintégrations B^0--> pi^- l^+v et B^+--> êta^(') l^+v, du spectre des facteurs de forme des désintégrations B^0--> pi^- l^+v et B^+--> êta l^+v, et extraction de |V_ub| dans l'expérience BABAR

Nous rapportons les résultats d'une étude des désintégrations semileptoniques non-charmées B^+--> êta^(') l^+v et B^0--> pi^- l^+v, mesurés par le détecteur BABAR avec une production d'environ 464 millions de paires de mésons BBbar issues des collisions e^+e^- à la résonance Upsilon(4S). L'analyse reconstruit les événements avec une technique relâchée des neutrinos. Nous obtenons les rapports d'embranchement partiels pour les désintégrations B^+--> êta l^+v et B^0--> pi^- l^+v en trois et douze intervalles de q^2, respectivement, à partir desquels nous extrayons les facteurs de forme f_+(q^2) et les rapports d'embranchement totaux B(B^+--> êta l^+v) = (3.39 +/- 0.46_stat +/- 0.47_syst) x 10^-5 et B(B^0--> pi^- l^+v) = (1.42 +/- 0.05_stat +/- 0.08_syst) x 10^-4. Nous mesurons aussi B(B^+--> êta' l^+v) = (2.43 +/- 0.80_stat +/- 0.34_syst) x 10^-5. Nous obtenons les valeurs de la norme de l'élément |V_ub| de la matrice CKM en utilisant trois calculs différents de la CDQ.

Détection des événements de "Minimum Bias" et neutrons avec les détecteurs ATLAS-MPX par simulations

Un réseau de seize détecteurs ATLAS-MPX a été mis en opération dans le détecteur ATLAS au LHC du CERN. Les détecteurs ATLAS-MPX sont sensibles au champ mixte de radiation de photons et d’électrons dans la caverne d’ATLAS et sont recouverts de convertisseurs de fluorure de lithium et de polyéthylène pour augmenter l’efficacité de détection des neutrons thermiques et des neutrons rapides respectivement. Les collisions à haute énergie sont dominées par des interactions partoniques avec petit moment transverse pT , associés à des événements de “minimum bias”. Dans notre cas la collision proton-proton se produit avec une énergie de 7 TeV dans le centre de masse avec une luminosité de 10³⁴cm⁻²s⁻¹ telle que fixée dans les simulations. On utilise la simulation des événements de "minimum bias" générés par PYTHIA en utilisant le cadre Athena qui fait une simulation GEANT4 complète du détecteur ATLAS pour mesurer le nombre de photons, d’électrons, des muons qui peuvent atteindre les détecteurs ATLASMPX dont les positions de chaque détecteur sont incluses dans les algorithmes d’Athena. Nous mesurons les flux de neutrons thermiques et rapides, générés par GCALOR, dans les régions de fluorure de lithium et de polyéthylène respectivement. Les résultats des événements de “minimum bias” et les flux de neutrons thermiques et rapides obtenus des simulations sont comparés aux mesures réelles des détecteurs ATLAS-MPX.

Nouvelles limites sur la détection directe de la matière sombre avec l’expérience PICASSO

Les observations astronomiques et cosmologiques suggèrent fortement la présence d’une matière exotique, non-relativiste et non-baryonique qui représenterait 26% du contenu de masse-énergie de l’Univers actuel. Cette matière dite sombre et froide serait compo- sée de particules neutres, massives et interagissant faiblement avec la matière ordinaire (WIMP : Weakly Interactive Massive Particles). Le projet PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une des expériences installées dans le site souterrain de SNOLAB à Sudbury en Ontario, qui tente de détecter directement un des candidats de la matière sombre, proposé dans le cadre des extensions supersymétriques du modèle standard : le neutralino. Pour cela, PICASSO utilise des détecteurs à gouttelettes surchauffées de C4F10, basés sur le principe de la chambre à bulles. Les transitions de phase dans les liquides surchauffés peuvent être déclenchées par le recul du 19 F, causé par une collision élastique avec les neutralinos. La nucléation de la gouttelette génère une onde sonore enregistrée par des senseurs piézo-électriques. Cette thèse présentera les récents progrès de l’expérience PICASSO qui ont conduit à une augmentation substantielle de sa sensibilité dans la recherche du neutralino. En effet, de nouvelles procédures de fabrication et de purification ont permis de réduire à un facteur de 10, la contamination majeure des détecteurs, causée par les émetteurs alpha. L’étude de cette contamination dans les détecteurs a permis de localiser la source de ces émetteurs. Les efforts effectués dans le cadre de l’analyse des données, ont permis d’améliorer l’effet de discrimination entre des évènements engendrés par les particules alpha et par les reculs nucléaires. De nouveaux outils d’analyse ont également été implémentés dans le but de discriminer les évènements générés par des particules de ceux générés par des bruits de fond électroniques ou acoustiques. De plus, un mécanisme important de suppression de bruit de fond indésirable à haute température, a permis à l’expérience PICASSO d’être maintenant sensible aux WIMPs de faibles masses.

Recherche d'un neutrino lourd avec le détecteur ATLAS au LHC

Ce mémoire de maîtrise a pour objet une recherche de leptons lourds de quatrième génération avec les données prises par le détecteur ATLAS au LHC dans les collisions pp à $\sqrt{s}$ = 7 TeV et avec une luminosité intégrée de 1.02 fb$^{-1}$. Le processus étudié est la production au singulet de leptons lourds neutres de quatrième génération (N) par la voie du courant chargé suivi de la désintégration du celui-ci en un électron et un boson W : $ pp \to W \to N e \to e W e \to e e \nu_{\ell} \ell $ ($\ell$ = $e$ ou $\mu$), et dépend d'un paramètre de mélange $\xi^{2}$ avec un lepton léger. L'analyse passe par plusieurs étapes, soit l'utilisation de FeynRules pour construire le modèle pour ensuite générer des événements par MadGraph 5.1.2.4. Comme hypothèse de référence, on a choisi une masse de 100 GeV pour le lepton lourd neutre et $\xi_{Ne}^2$ = 0.19, donnant une section efficace de 0.312 pb pour une énergie au centre de masse de 7 TeV. Puisque la génération du signal s'est faite de manière privée à Montréal et non par la collaboration ATLAS, les résultats ne peuvent pas être reconnus officiellement. Sur la base de la simulation, avec des données correspondant à 1 fb$^{-1}$, la limite supérieure attendue à un niveau de confiance de $95\%$ sur la section efficace du signal est de 0.145 pb avec 0.294 pb pour un écart type($\sigma$) et 0.519 pb pour 2$\sigma$. La limite supérieure attendue à un niveau de confiance de $95\%$ sur $\xi_{Ne}^{2}$ de 0.09 pour une masse de 100 GeV.

The Search for New Resonances in Strong Symmetry Breaking Scenarios with the ATLAS Detector

Utilisant les plus récentes données recueillies par le détecteur ATLAS lors de collisions pp à 7 et 8 TeV au LHC, cette thèse établira des contraintes sévères sur une multitude de modèles allant au-delà du modèle standard (MS) de la physique des particules. Plus particulièrement, deux types de particules hypothétiques, existant dans divers modèles théoriques et qui ne sont pas présentes dans le MS, seront étudiés et sondés. Le premier type étudié sera les quarks-vectoriels (QV) produits lors de collisions pp par l’entremise de couplages électrofaibles avec les quarks légers u et d. On recherchera ces QV lorsqu’ils se désintègrent en un boson W ou Z, et un quark léger. Des arguments théoriques établissent que sous certaines conditions raisonnables la production simple dominerait la production en paires des QV. La topologie particulière des évènements en production simple des QV permettra alors la mise en oeuvre de techniques d’optimisation efficaces pour leur extraction des bruits de fond électrofaibles. Le deuxième type de particules recherché sera celles qui se désintègrent en WZ lorsque ces bosons de jauges W, et Z se désintègrent leptoniquement. Les états finaux détectés par ATLAS seront par conséquent des évènements ayant trois leptons et de l’énergie transverse manquante. La distribution de la masse invariante de ces objets sera alors examinée pour déterminer la présence ou non de nouvelles résonances qui se manifesterait par un excès localisé. Malgré le fait qu’à première vue ces deux nouveaux types de particules n’ont que très peu en commun, ils ont en réalité tous deux un lien étroit avec la brisure de symétrie électrofaible. Dans plusieurs modèles théoriques, l’existence hypothétique des QV est proposé pour annuler les contributions du quark top aux corrections radiatives de la masse du Higgs du MS. Parallèlement, d’autres modèles prédisent quant à eux des résonances en WZ tout en suggérant que le Higgs est une particule composite, chambardant ainsi tout le sector Higgs du MS. Ainsi, les deux analyses présentées dans cette thèse ont un lien fondamental avec la nature même du Higgs, élargissant par le fait même nos connaissances sur l’origine de la masse intrinsèque des particules. En fin de compte, les deux analyses n’ont pas observé d’excès significatif dans leurs régions de signal respectives, ce qui permet d’établir des limites sur la section efficace de production en fonction de la masse des résonances.

Analyse et modélisation de la réponse des détecteurs du projet PICASSO pour la recherche de la matière sombre

Les mesures cosmologiques les plus récentes ont montré la présence d’un type de matière exotique constituant 85% de la masse de l’univers. Ce type de matière non baryonique serait formé de particules neutres, non relativistes, massives et interagissant faiblement avec la matière baryonique. L’ensemble des candidats est regroupé sous le nom générique WIMP (Weakly Interactive Massive Particles). L’expérience PICASSO (Projet d’Identification des CAndidats Supersymétriques de la matière SOmbre) est une expérience utilisant des détecteurs à seuil d’énergie contenant des gouttelettes surchauffées constituées de C4F10. Cette technique de détection est basée sur le principe de la chambre à bulles. Le projet PICASSO a pour but de détecter directement une particule de matière sombre. Le principe de détection est qu’une particule de matière sombre interagissant avec le liquide actif engendre un recul nucléaire du 19F. L’énergie de recul serait suffisante pour engendrer une transition de phase accompagnée d’un signal acoustique enregistrée par des senseurs piézoélectriques. Dans le cadre de ce mémoire, une simulation du taux de comptage de l’étalonnage des détecteurs PICASSO soumis à des neutrons monoénergétiques a été effectuée en utilisant la théorie de Seitz qui décrit les critères pour qu’une transition de phase ait lieu pour un liquide en état de surchauffe. De plus, un modèle calculant le signal acoustique émis lors d’une transition de phase engendré par différents types de radiations a été créé permettant de caractériser la discrimination entre différents bruits de fond en fonction de l’énergie de seuil. Finalement, un outil d’analyse, la localisation des évènements, a été utilisé pour appliquer des coupures sur le volume dans le but d’améliorer la discrimination alpha-neutron.

Simulation of the impact of high temperature stress on annual crop yields

Brief periods of high temperature which occur near flowering can severely reduce the yield of annual crops such as wheat and groundnut. A parameterisation of this well-documented effect is presented for groundnut (i.e. peanut; Arachis hypogaeaL.). This parameterisation was combined with an existing crop model, allowing the impact of season-mean temperature, and of brief high-temperature episodes at various times near flowering, to be both independently and jointly examined. The extended crop model was tested with independent data from controlled environment experiments and field experiments. The impact of total crop duration was captured, with simulated duration being within 5% of observations for the range of season-mean temperatures used (20-28 degrees C). In simulations across nine differently timed high temperature events, eight of the absolute differences between observed and simulated yield were less than 10% of the control (no-stress) yield. The parameterisation of high temperature stress also allows the simulation of heat tolerance across different genotypes. Three parameter sets, representing tolerant, moderately sensitive and sensitive genotypes were developed and assessed. The new parameterisation can be used in climate change studies to estimate the impact of heat stress on yield. It can also be used to assess the potential for adaptation of cropping systems to increased temperature threshold exceedance via the choice of genotype characteristics. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Alternatives to linear analysis of energy balance data from lactating dairy cows

The current energy requirements system used in the United Kingdom for lactating dairy cows utilizes key parameters such as metabolizable energy intake (MEI) at maintenance (MEm), the efficiency of utilization of MEI for 1) maintenance, 2) milk production (k(l)), 3) growth (k(g)), and the efficiency of utilization of body stores for milk production (k(t)). Traditionally, these have been determined using linear regression methods to analyze energy balance data from calorimetry experiments. Many studies have highlighted a number of concerns over current energy feeding systems particularly in relation to these key parameters, and the linear models used for analyzing. Therefore, a database containing 652 dairy cow observations was assembled from calorimetry studies in the United Kingdom. Five functions for analyzing energy balance data were considered: straight line, two diminishing returns functions, (the Mitscherlich and the rectangular hyperbola), and two sigmoidal functions (the logistic and the Gompertz). Meta-analysis of the data was conducted to estimate k(g) and k(t). Values of 0.83 to 0.86 and 0.66 to 0.69 were obtained for k(g) and k(t) using all the functions (with standard errors of 0.028 and 0.027), respectively, which were considerably different from previous reports of 0.60 to 0.75 for k(g) and 0.82 to 0.84 for k(t). Using the estimated values of k(g) and k(t), the data were corrected to allow for body tissue changes. Based on the definition of k(l) as the derivative of the ratio of milk energy derived from MEI to MEI directed towards milk production, MEm and k(l) were determined. Meta-analysis of the pooled data showed that the average k(l) ranged from 0.50 to 0.58 and MEm ranged between 0.34 and 0.64 MJ/kg of BW0.75 per day. Although the constrained Mitscherlich fitted the data as good as the straight line, more observations at high energy intakes (above 2.4 MJ/kg of BW0.75 per day) are required to determine conclusively whether milk energy is related to MEI linearly or not.

Resolving the energy paradox of chaperone/usher-mediated fibre assembly

Periplasmic chaperone/usher machineries are used for assembly of filamentous adhesion organelles of Gram-negative pathogens in a process that has been suggested to be driven by folding energy. Structures of mutant chaperone-subunit complexes revealed a final folding transition (condensation of the subunit hydrophobic core) on the release of organelle subunit from the chaperone-subunit pre-assembly complex and incorporation into the final fibre structure. However, in view of the large interface between chaperone and subunit in the pre-assembly complex and the reported stability of this complex, it is difficult to understand how final folding could release sufficient energy to drive assembly. In the present paper, we show the X-ray structure for a native chaperone-fibre complex that, together with thermodynamic data, shows that the final folding step is indeed an essential component of the assembly process. We show that completion of the hydrophobic core and incorporation into the fibre results in an exceptionally stable module, whereas the chaperone-subunit preassembly complex is greatly destabilized by the high-energy conformation of the bound subunit. This difference in stabilities creates a free energy potential that drives fibre formation.

Structure and biogenesis of the capsular F1 antigen from Yersinia pestis: Preserved folding energy drives fiber formation

Most gram-negative pathogens express fibrous adhesive virulence organelles that mediate targeting to the sites of infection. The F1 capsular antigen from the plague pathogen Yersinia pestis consists of linear fibers of a single subunit (Caf1) and serves as a prototype for nonpilus organelles assembled via the chaperone/usher pathway. Genetic data together with high-resolution X-ray structures corresponding to snapshots of the assembly process reveal the structural basis of fiber formation. Comparison of chaperone bound Caf1 subunit with the subunit in the fiber reveals a novel type of conformational change involving the entire hydrophobic core of the protein. The observed conformational change suggests that the chaperone traps a high-energy folding intermediate of Caf1. A model is proposed in which release of the subunit allows folding to be completed, driving fiber formation.

‘Nudging’ energy users: regulatory measures to address the risk of aggregate peak demand in European electricity markets

For decades regulators in the energy sector have focused on facilitating the maximisation of energy supply in order to meet demand through liberalisation and removal of market barriers. The debate on climate change has emphasised a new type of risk in the balance between energy demand and supply: excessively high energy demand brings about significantly negative environmental and economic impacts. This is because if a vast number of users is consuming electricity at the same time, energy suppliers have to activate dirty old power plants with higher greenhouse gas emissions and higher system costs. The creation of a Europe-wide electricity market requires a systematic investigation into the risk of aggregate peak demand. This paper draws on the e-Living Time-Use Survey database to assess the risk of aggregate peak residential electricity demand for European energy markets. Findings highlight in which countries and for what activities the risk of aggregate peak demand is greater. The discussion highlights which approaches energy regulators have started considering to convince users about the risks of consuming too much energy during peak times. These include ‘nudging’ approaches such as the roll-out of smart meters, incentives for shifting the timing of energy consumption, differentiated time-of-use tariffs, regulatory financial incentives and consumption data sharing at the community level.

Cosmic ray modulation of infra-red radiation in the atmosphere

Cosmic rays produce molecular cluster ions as they pass through the lower atmosphere. Neutral molecular clusters such as dimers and complexes are expected to make a small contribution to the radiative balance, but atmospheric absorption by charged clusters has not hitherto been observed. In an atmospheric experiment, a narrowband thermopile filter radiometer centred on 9.15 {\mu}m, an absorption band previously associated with infra-red absorption of molecular cluster ions, was used to monitor changes following events identified by a cosmic ray telescope sensitive to high-energy (>400 MeV) particles, principally muons. The average change in longwave radiation in this absorption band due to molecular cluster ions is 7 mWm sup{-2}. The integrated atmospheric energy density for each event is 2 Jm sup{-2}, representing an amplification factor of 10 sup{12} compared to the estimated energy density of a typical air shower. This absorption is expected to occur continuously and globally, but calculations suggest that it has only a small effect on climate.

Using reanalysis data to quantify extreme wind power generation statistics : a 33 year case study in Great Britain

With a rapidly increasing fraction of electricity generation being sourced from wind, extreme wind power generation events such as prolonged periods of low (or high) generation and ramps in generation, are a growing concern for the efficient and secure operation of national power systems. As extreme events occur infrequently, long and reliable meteorological records are required to accurately estimate their characteristics. Recent publications have begun to investigate the use of global meteorological “reanalysis” data sets for power system applications, many of which focus on long-term average statistics such as monthly-mean generation. Here we demonstrate that reanalysis data can also be used to estimate the frequency of relatively short-lived extreme events (including ramping on sub-daily time scales). Verification against 328 surface observation stations across the United Kingdom suggests that near-surface wind variability over spatiotemporal scales greater than around 300 km and 6 h can be faithfully reproduced using reanalysis, with no need for costly dynamical downscaling. A case study is presented in which a state-of-the-art, 33 year reanalysis data set (MERRA, from NASA-GMAO), is used to construct an hourly time series of nationally-aggregated wind power generation in Great Britain (GB), assuming a fixed, modern distribution of wind farms. The resultant generation estimates are highly correlated with recorded data from National Grid in the recent period, both for instantaneous hourly values and for variability over time intervals greater than around 6 h. This 33 year time series is then used to quantify the frequency with which different extreme GB-wide wind power generation events occur, as well as their seasonal and inter-annual variability. Several novel insights into the nature of extreme wind power generation events are described, including (i) that the number of prolonged low or high generation events is well approximated by a Poission-like random process, and (ii) whilst in general there is large seasonal variability, the magnitude of the most extreme ramps is similar in both summer and winter. An up-to-date version of the GB case study data as well as the underlying model are freely available for download from our website: http://www.met.reading.ac.uk/~energymet/data/Cannon2014/.