The Circular Business Case of Remanufacturing Al-Alloy Automotive Panels: Technical, Economic, and Environmental Analysis

Responding to environmental concerns and resource depletion in various industries, especially in the automotive sector, there is a call for a shift from conventional linear production models to circular business approaches. This thesis analyses a key aspect of this change: the remanufacturing of aluminum alloy automotive panels. The importance of exploring novel techniques for the recovery of aluminum lies in the fact that its primary production from bauxite is highly impactful and that it is classified as a Critical Raw Material. Unlike traditional disposal methods, remanufacturing prolongs the lifespan of products and reduces environmental impact. In detail, a distinctive contribution is given to sheet remanufacturing by flattening techniques. The efficacy of flattening lies in maintaining the original composition of aluminum sheets, ensuring the preservation of material quality. The feasibility of flattening is analyzed from different points of view. Firstly, a technological feasibility study focused on End of Life Vehicle (ELV) hoods is proposed to investigate all the practical challenges of the re-forming process. Additionally, a finite element simulation provides valuable insights into understanding the phenomena occurring during the flattening operation and contributes to the mechanical characterization of the flattened material. In conclusion, the best combination of flattening parameters was found: high temperature, moderate pressure, and low dwell time. Moreover, evidence of an interrelationship between temperature and pressure, and between pressure and dwell time was discovered. Secondly, an economic feasibility study is presented in order to understand if flattening is a viable alternative to recycling in terms of costs. It emerged that the costs related to the remanufacturing of aluminum hoods are high compared to the cost of primary aluminum sheets. Considering the aluminum fluxes from ELVs in 2040, the remanufacturing costs are an order of magnitude higher than the costs of purchasing new aluminum sheets. Therefore, flattening results to be economically advantageous only if governmental incentives are introduced and if the volumes of aluminum achievable from ELVs increase significantly. Lastly, an environmental feasibility study was performed through a life cycle assessment aimed at comparing the emissions in terms of global warming potential and energy consumption of both recycling and remanufacturing. It pointed out that, from an environmental perspective, the most critical phase of remanufacturing is the paint removal process. Indeed, the remanufacturing process is preferred to recycling only if the paint stripping is not performed with a chemical solvent. In this case, remanufacturing emissions are lower than the ones of recycling, specifically 22% in terms of CO2 and 32% in terms of energy consumption.

In risposta all'attuale situazione ambientale e alle difficoltà legate al reperimento delle risorse, in molti settori produttivi, si sta esaminando la possibilità di attuare un cambiamento che trasformi l'attuale processo di produzione lineare in un processo maggiormente sostenibile basato su modelli di economia circolare. La consapevolezza di questi temi ha acquisito rilevanza soprattutto nel settore automobilistico. Questa tesi analizza un aspetto chiave di questo cambiamento: il remanufacturing delle lamiere delle carrozzerie in lega d'alluminio. Esaminare nuove metodologie per il recupero dell'alluminio risulta essere molto importante dal momento che il processo di produzione di questo materiale ha un elevato impatto ambientale e ha inizio dall'estrazione della bauxite, classificata come critical raw material dall'Unione Europea. A differenza dei metodi di smaltimento o riciclo tradizionali, il remanufacturing si caratterizza come una tecnica di recupero in grado di prolungare la vita dei prodotti e di ridurre l'impatto ambientale direttamente legato alla fase di fine vita. Viene fornito un importante contributo nel campo del remanufacturing delle lamiere, esaminando come le tecniche di flattening possano essere applicate ai pannelli delle carrozzerie automobilistiche. Il punto di forza di questa pratica risiede nella possibilità di conservare e preservare la qualità del materiale mantenendo invariata la composizione chimica originale delle lamiere. Questo studio valuta la fattibilità del flattening da differenti punti di vista. Innanzitutto, viene proposta un'analisi di fattibilità tecnologica focalizzata sui cofani dei veicoli a fine vita per esaminare tutte le sfide tecnologiche affrontate durante il processo di riformatura. Inoltre, una simulazione agli elementi finiti fornisce approfondimenti per comprendere i fenomeni che si sono verificati durante l'operazione di flattening e una caratterizzazione meccanica del materiale appiattito. In conclusione, la migliore combinazione di parametri per l'appiattimento è stata individuata come una combinazione di: temperatura elevata, pressione moderata e basso dwell time. Inoltre, l'evidenza di una relazione tra temperatura e pressione e tra pressione e dwell time è stata scoperta. Successivamente, nella tesi viene presentato uno studio di fattibilità economica al fine di comprendere se il flattening sia una reale alternativa al riciclo convenzionale in termini di costo. Dall'analisi è emerso che i costi legati al remanufacturing sono molto elevati. Questo è dimostrato dal fatto che, prendendo in considerazione le previsioni dei possibili volumi di alluminio ottenibili dai veicoli a fine vita nel 2040, i costi legati al remanufacturing di una lamiera sono un ordine di grandezza maggiore rispetto al prezzo di acquisto di una lamiera vergine. Pertanto, il recupero tramite flattening risulta economicamente vantaggioso solo se l'incremento dei flussi di alluminio da veicoli a fine vita è significativo e se vengono introdotti degli incentivi governativi per sostenere questa pratica. Infine, è stato condotto uno studio di fattibilità ambientale attraverso un'analisi del ciclo di vita. Quest'ultima ha consentito di mettere a confronto le emissioni generate dai processi di remanufacturing e di riciclo in termini sia di consumo energetico che di potenziale di riscaldamento globale. Dal punto di vista ambientale, è emerso che la sverniciatura è la fase più critica del remanufacturing. Infatti, le emissioni calcolate per il remanufacturing sono minori di quelle del riciclo solo se la sverniciatura viene condotta manualmente, senza solventi chimici. In questo caso, l'impatto del remanufacturing è minore di quello del riciclo del 22% in termini di emissioni di CO2 e del 32% in termini di energia consumata.