Escenarios de Ecodiseño en el motor de un altavoz

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 19493 (2022) Citar este artículo

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El mercado mundial de altavoces sigue la tendencia creciente de las tecnologías de entretenimiento electrónico tanto en cantidad como en variedad. En consecuencia, los impactos ambientales causados durante el ciclo de vida de los altavoces aumentan en la misma proporción, yendo en dirección opuesta a lo que determinan las leyes y regulaciones ambientales mundiales y las tendencias del mercado global. Aún así, el desempeño ambiental de este tipo de productos no se considera en el proceso de toma de decisiones para actualizaciones tecnológicas en el diseño de altavoces. En este sentido, el Ecodiseño es la herramienta de Ingeniería del Ciclo de Vida más adecuada aplicada en el diseño de un producto ya que se considera el desempeño ambiental a lo largo de las diferentes etapas de diseño. Sin embargo, la viabilidad del Ecodiseño en productos que requieren cadenas de producción complejas depende de dividir el producto en subsistemas y componentes. Así, el presente trabajo se centra en evaluar el desempeño ambiental de un motor de altavoz clásico, el cual está compuesto por un imán, una bobina y un formador de bobina. Se proponen y analizan ocho escenarios de sustitución de materias primas, que permitieron identificar la propuesta con mejor desempeño ambiental dentro de las tecnologías actuales. Esto representa un paso inicial hacia el Ecodiseño completo de un altavoz y marca el procedimiento a seguir con el resto de partes constitutivas.

La tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del mercado global de altavoces está aumentando y se espera que crezca a una tasa del 7,3% hasta 2028 (FMI, 2018). De esta cantidad, América del Norte y el Sudeste Asiático tienen el 40% de la cuota de mercado. En consecuencia, a menos que se consideren los aspectos ambientales durante el diseño de este producto, sus impactos ambientales crecerán inexorablemente1,2. Esta tendencia contradice los objetivos de desarrollo sostenible (ODS) de la Agenda 21 de las Naciones Unidas (ONU) y la Economía Circular, que es el modelo actual de economía global3.

El objetivo de la mayoría de las organizaciones es satisfacer las necesidades implícitas del cliente y existe la necesidad de reestructurar el producto para sostener y dar forma a la relación existente entre el fabricante y el usuario final. La sostenibilidad es el equilibrio o la integración de cuestiones ambientales, sociales y económicas; En 1987, la Comisión Mundial sobre Medio Ambiente y Desarrollo (WCED) lo definió como el desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer sus propias necesidades4. En este contexto, existen diversas leyes y regulaciones a nivel mundial que fomentan la adecuación de las empresas a los principios de la Economía Circular. Por ejemplo, en los Estados Unidos de América existen leyes y reglamentos previstos en la Ley de Conservación y Recuperación de Recursos (RCRA)5. La legislación europea cuenta con la Restricción de Ciertas Sustancias Peligrosas (RoHs)6, que limita el uso de algunas sustancias en los procesos de fabricación de productos, y la Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (RAEE)7 que impone obligaciones a las organizaciones, conteniendo las normas aplicables a residuos electrónicos. En general, esta directiva fomenta y define criterios específicos para la recogida, manipulación y reciclaje de residuos eléctricos y electrónicos1,4. En Brasil, por ejemplo, la Ley núm. 12.305/108, que instituye la Política Nacional de Residuos Sólidos (PNRS), prevé la prevención y reducción de la generación de residuos, una propuesta para la práctica de hábitos de consumo sostenibles y un conjunto de instrumentos para aumentar el reciclaje y la reutilización de residuos sólidos.

Además, se han propuesto algunas normas para fomentar la adaptación de las organizaciones al contexto de mejora de los aspectos ambientales relacionados con sus actividades. Algunos ejemplos destacables dentro de la familia ISO 14000 son la ISO 14001, que proporciona directrices para un Sistema de Gestión Ambiental, la ISO 14040 (2009)9 y la ISO 14044 (2009)10 que contemplan prácticas para el Análisis del Ciclo de Vida (LCA) de los productos, e ISO 14006 (2020)11, que aborda la implementación del Ecodiseño o Diseño para el Medio Ambiente. Estos estándares incluyen planes para procesos de toma de decisiones que contribuyan a la prevención de impactos ambientales como la contaminación del suelo, agua y aire9,10.

En cuanto al diseño de productos, considerando la perspectiva de todo el ciclo de vida, el Ecodiseño se destaca como una de las principales técnicas para el sector productivo en busca de la Economía Circular12,13. Sin embargo, en productos con cadenas de fabricación complejas ya establecidas en el mercado, como los altavoces de caja, los cambios en todo el diseño del producto son difíciles de aplicar en la práctica, ya que exigen costos complejos y evaluaciones que requieren mucho tiempo. Así, estratificar el producto (sistema) en subsistemas y componentes puede ser una raíz viable para aplicar el Ecodiseño en este tipo de producto. Además, el enfoque mencionado anteriormente se puede mejorar aún más con una aplicación previa de ACV para identificar puntos críticos ambientales y clasificar prioridades para aplicar cambios en el diseño del producto con miras al Ecodiseño13.

El ACV también se aplica a los procesos de toma de decisiones durante la etapa de ingeniería de producto, proponiendo el uso de materiales menos agresivos con el medio ambiente y racionalizando y optimizando el uso de energía y materias primas. Además, a partir de los resultados del ACV, los ingenieros pueden diseñar productos con una vida útil extendida, facilitando su desmontaje para el uso de sus componentes y permitiendo el reciclaje de sus materiales14.

En la Gestión de Operaciones, el ACV puede contribuir a definir la elección de los recursos de producción, además de cómo se integrarán las actividades relacionadas con la fabricación del producto o la prestación de servicios. Con base en los resultados del ACV, se prepara de manera más eficiente la planificación del uso de recursos, las necesidades de materiales, el desarrollo de productos y el control de producción. Por tanto, es importante señalar que el ACV no se limita a modificar el diseño de los productos, sino que se extiende a sus procesos productivos. Si un proceso no es valorado positivamente desde el punto de vista de la sostenibilidad, por ejemplo, porque demanda una gran cantidad de materiales o energía o por la generación de un exceso de residuos, dicho proceso debería ser objeto de estudios y mejoras14.

El cumplimiento de las leyes medioambientales no es sólo una cuestión de obligación. La reputación de una organización está fuertemente ligada a la forma en que aborda los aspectos ambientales de sus productos, servicios y procesos. Una organización debe tener una buena reputación no sólo para consolidar su imagen sino también para aprovechar oportunidades de negocio, ya que muchas empresas exigen a sus socios certificaciones que acrediten el cumplimiento de los estándares ambientales15. El ACV de productos permite encontrar fuentes alternativas de materia prima y energía, desarrollar procesos que requieran menos insumos y generen menos residuos, identificar la posibilidad de reutilizar subproductos o partes del producto terminado y darle un destino adecuado al producto después de su eliminación por el consumidor.

Lo ideal es que el consumidor escuche un sonido como el planeado por quien lo grabó. Con este objetivo, los mejores altavoces acústicos recrean el sonido lo más parecido posible al original. Una de las métricas de rendimiento más importantes e informativas es la respuesta de frecuencia del altavoz. La respuesta de frecuencia se puede dividir en amplitud y fase, que en conjunto describen completamente el comportamiento lineal del sistema16,17. El objetivo principal es conseguir un altavoz que pueda reproducir con precisión las frecuencias de todo el espectro auditivo humano. De esta manera, cuanto más uniforme sea la amplitud y la respuesta de fase en todo el ancho de banda de operación, mejor será la calidad del altavoz. En un gráfico de respuesta de frecuencia, es deseable ver una línea recta en lugar de una línea con picos y valles. Dada una señal ideal procedente de un amplificador y una fuente de audio ideales, las variaciones en la respuesta de frecuencia plana a menudo pueden atribuirse a sus procesos de construcción y a los materiales utilizados, que pueden variar significativamente. Por ejemplo, el cono de propagación (un componente del altavoz) puede estar hecho de papel, aluminio (Al), polipropileno o fibra de vidrio/polímero cerámico.

En cuanto a su principio de funcionamiento, la mayoría de los altavoces funcionan de manera similar: en la parte posterior del altavoz, generalmente, un imán circular se mantiene firmemente en su lugar con un marco rígido. Se coloca una bobina alrededor del imán. Sin embargo, a diferencia del imán, la bobina está unida a una pieza móvil; A medida que se suministra voltaje al altavoz, los cambios en el campo eléctrico hacen que se mueva una bobina de cobre (Cu) dentro del imán. A este se le adjunta una membrana, generalmente de papel o plástico, que se mueve de un lado a otro, desplazando el aire y creando así ondas sonoras. Cuando una corriente eléctrica fluye en una dirección, la membrana se aleja del imán, y cuando fluye en la otra dirección, la membrana se acerca. El flujo de corriente cambia de un lado a otro, correspondiente a la frecuencia inducida. Para bajas frecuencias, esto puede ser unas pocas docenas de veces por segundo. Para altas frecuencias, esto sucede hasta 20.000 veces o más por segundo. El tamaño de un altavoz afecta el rango de frecuencias de audio que puede producir, por lo que un altavoz más grande puede mover más aire, pero no rápidamente, lo que lo hace mejor para producir frecuencias más bajas. Un altavoz más pequeño no mueve tanto aire y, en consecuencia, puede moverse mucho más rápido, lo que facilita la producción de frecuencias más altas16.

Es clara la importancia del Ecodiseño en proyectos de productos, como el altavoz, y la aplicación del ACV en subsistemas o componentes del producto, por ejemplo, en su motor. Sin embargo, hasta donde sabemos, no se puede encontrar en la literatura ningún informe de resultados empíricos que hayan evaluado e identificado los impactos ambientales en el ciclo de vida del motor del altavoz para la futura aplicación del Ecodiseño en este producto. De hecho, un estudio de la literatura revela que la mayoría de los estudios se limitan a evaluar, ya sea empíricamente o teóricamente, los efectos de la contaminación acústica en las personas, como se puede comprobar en18,19,20. Estos estudios se aplican a la fase de uso de los altavoces, con el sesgo acústico para mejorar el diseño del producto. Algunas excepciones son21,22, donde los autores evaluaron los impactos ambientales del imán de neodimio, comparando los impactos ambientales del imán virgen con el imán reciclado. Los autores concluyeron que el imán de neodimio reciclado tiene un menor potencial de impacto ambiental que el imán virgen. En particular21, destaca las siguientes categorías: Calentamiento Global; Acidificación; Toxicidad cancerígena humana; Toxicidad humana no cancerígena; Partículas del aire para la salud humana; Eutrofización; Reducción de la capa de ozono; Ecotoxicidad; y smog.

Para realizar un ecodiseño de un altavoz, adoptamos un enfoque de divide y vencerás, estratificando todo el producto en subsistemas más pequeños. En particular, nos centramos en el motor del altavoz. Una vez delimitado el objeto de estudio, se aplica el ACV a los diferentes escenarios propuestos, con el objetivo de apoyar el proceso de toma de decisiones de ingeniería y optimizar recursos para posibilitar la práctica del Ecodiseño en este sector productivo.

Así, la presente investigación propone alternativas de Ecodiseño para motores de altavoces basadas en el desempeño ambiental de escenarios evaluados empíricamente mediante ACV. Los escenarios se generaron considerando diferentes combinaciones de componentes ya en uso en el mercado actual de motores de altavoces.

El presente trabajo será útil para apoyar el proceso de toma de decisiones durante la ingeniería de productos de altavoces y cubrirá un vacío en la literatura científica sobre el tema. Tras esta introducción, el artículo se estructura de la siguiente manera: En el apartado “Métodos”, se explica el método de investigación utilizado. Los resultados obtenidos, incluidos los escenarios generados, se presentan y discuten en la sección “Resultados y discusiones”. Finalmente, las conclusiones se extraen en la sección “Conclusión”.

Los altavoces se diseñan y fabrican con imanes permanentes desde hace más de 50 años23. La primera evolución se produjo cuando el imán del motor fue sustituido por un Alnico (aluminio/níquel/cobalto). Por lo tanto, estos altavoces seguían siendo dispositivos bastante largos, complejos y pesados. El primer punto de inflexión fue la disminución de altura y tamaño. Por tanto, utiliza imanes de ferrita dura24. Los diseños con imanes de ferrita son ineficientes ya que hay muchas fugas de flujo. Por otro lado, los imanes de ferrita tienen ventajas económicas debido a su precio en el mercado. Pero el hierro en tales motores genera varios tipos de no linealidades. Entre ellos se incluyen, por ejemplo, la saturación magnética del hierro y la variación de la inductancia de la bobina con su posición, provocando un efecto reticente25. La aparición de los imanes permanentes de neodimio es el último paso ligado al progreso de los materiales magnéticos permanentes. Con estos imanes permanentes con compuesto de Nd, el tamaño y el peso del motor del orificio disminuyeron drásticamente26. De este modo, modificar el imán permanente por uno más pequeño y ligero es necesario para un nuevo diseño de todo el motor del altavoz (bobina y formador de bobina), que permita emplear nuevos materiales e incluso biomateriales. Los cambios en el rendimiento del motor también se deben a las tolerancias mecánicas de los componentes; es importante comprobar su influencia para garantizar la repetibilidad durante la producción y el alto rendimiento del producto27. Debido a la compleja cadena productiva del producto, comprendiendo varias unidades productivas en diferentes puntos del globo, el objeto de esta investigación se limitó al motor del altavoz, resaltado en la Fig. 1, que es una de las partes más críticas y diferenciales del producto. un altavoz.

Dibujo de la estructura de un altavoz convencional destacando cada componente y ampliando su conjunto de motores.

Existen muchos modelos de motores de altavoz muy utilizados en el mercado que tienen funcionalidades y características similares. Podemos dividir aproximadamente el motor en tres partes constitutivas principales, es decir, el imán, el formador de bobina y la bobina, que pueden construirse con diferentes materiales. La Tabla 1 enumera una posible configuración del escenario base, denominado en adelante “Producto real”, y presenta otros siete escenarios como propuestas de Ecodiseño. Para garantizar la seguridad informativa del fabricante, el nombre y la descripción del modelo de altavoz se mantuvieron confidenciales, considerándose en este artículo como un producto Real. La configuración del producto Real se adoptó como escenario base porque es la estructura más utilizada para motores de altavoces en el mercado.

Así, el ACV se aplicó a cada combinación posible de los componentes de los modelos de motor, con sistemas de producto cradle-to-gate, como se muestra en la Fig. 2.

Diagrama en escala de grises con tres columnas/pasos con flechas que señalan las entradas y salidas del flujo de materiales, componentes y procesos en la producción de un altavoz convencional.

En la Fig. 2, existen componentes diferentes a los descritos en la Tabla 1 porque, en el sistema de producto, también se consideraron los otros posibles componentes para las combinaciones para generar los escenarios de Ecodiseño.

La adquisición de material incluye el transporte y desplazamiento de las principales materias primas del altavoz. La mayoría de los materiales, como el aluminio y el cobre, por ejemplo, son suministrados por empresas regionales. Sin embargo, en el caso del Nd, la mayor parte de su extracción se concentra en China4,28 y se envía a Brasil mediante transporte marítimo. Dado que el transporte de materiales causa una porción menor de las emisiones totales del ciclo de vida del producto, es necesario considerarlo en el análisis. El objetivo del ACV es evaluar los impactos ambientales de 8 escenarios posibles en el diseño de altavoces, teniendo como referencia comparativa un proyecto ampliamente utilizado en el mercado, titulado en este artículo como Producto Real (escenario base), presentado en la Tabla 1. Los escenarios (proyectos de Ecodiseño) estudiados tienen funcionalidades aproximadas y pueden considerarse equivalentes a estandarizar una unidad funcional entre ellos. Para realizar el ACV se adoptó la unidad funcional de 1 motor de altavoz (Producto real) de 960.927g. Y el flujo de referencia para este producto es la producción de 960.927g distribuidos entre sus tres componentes, considerado como producto terminado.

Las fases del ACV se realizaron según las normas ISO 14040 (2009)9 e ISO 14044 (2009)10, utilizando el software GaBi Student. El Inventario del Ciclo de Vida (LCI), como segunda fase, se recopiló a partir de hojas de datos de altavoces. Este es un método de recopilación de datos secundario29. En la secuencia, la siguiente fase del ACV es la Evaluación de Impacto del Ciclo de Vida (LCIA). Como resultado del modelado se obtuvieron datos de cuatro metodologías. Aún así, el análisis se centrará en TRACI 2.1, ya que tiene indicadores enfocados principalmente al área industrial de América del Norte y, por lo tanto, son más adecuados para la región de interés, es decir, Brasil, que las otras metodologías, que están más orientadas a Europa. A continuación se ejemplificarán las categorías más relevantes para el escenario de extracción de materia prima y producción de altavoces de la metodología TRACI 2.130. Así, en el mismo sentido, la normalización interna y externa se realizó según la metodología TRACI 2.1, considerando el contexto norteamericano. La normalización interna se llevó a cabo dentro del mismo escenario, donde se evaluó el impacto total en cada categoría de impacto ambiental y se calculó el potencial relativo de cada componente del motor de altavoz para todas las categorías. La normalización externa se realizó según:

dónde:

NFi es el factor de normalización (impacto cápita\(^{-1}\) año\(^{-1}\)) para la categoría de impacto i;

CFi,s es el factor de caracterización (kg de impacto\(^{-1}\) emitido de una determinada sustancia s para la categoría de impacto i;

Es son las emisiones de sustancias para un área geográfica de referencia determinada (kg año\(^{-1}\)). En este estudio, empleamos las poblaciones de EE. UU. y US-CA; y

P es la población humana del área de referencia (cápita).

Para obtener más detalles sobre la metodología de normalización, se remite al lector a 31,32.

En esta sección, primero presentamos una breve descripción de los posibles impactos ambientales enumerados en la Tabla 2. Los resultados del LCI se muestran en el Material complementario. Posteriormente, se realizó una normalización interna, mostrando los potenciales relativos de cada componente del motor del altavoz para cada categoría de impacto ambiental. Luego, se realizó un análisis de sensibilidad, generando escenarios que representan opciones para el Ecodiseño del motor del altavoz, junto con una estandarización externa, considerando el impacto total por categoría en Norteamérica, que abarca los países más representativos del mercado de altavoces, además a ser los países que forman parte del método LCIA TRACI 2.1.

Para presentar los resultados en la Tabla 2, primero es necesario explicar las causas y efectos de las categorías de impacto ambiental identificadas, que primero se resumirán en un contexto general. Luego, se analizarán las causas de estos impactos ambientales en el contexto del motor del altavoz.

Según33, el Calentamiento Global es causado principalmente por la quema de combustibles fósiles, cuando las sustancias resultantes de la quema son absorbidas por la radiación infrarroja y se estabilizan en la atmósfera (IPCC, 2007). Esta categoría de impacto es responsable del calentamiento acelerado y del cambio repentino de temperatura en el mundo.

La acidificación generalmente es causada por la emisión de contaminantes gaseosos, sólidos o líquidos, que llegan al aire, al agua y al suelo, como resultado principalmente de las actividades y combustión en procesos de generación de energía, ya sea eléctrica o térmica. En este caso, los contaminantes introducen o liberan iones de hidrógeno al medio ambiente, y los aniones (que acompañan a los iones de hidrógeno) se lixivian o eliminan del sistema33.

La eutrofización supone una cantidad excesiva de nutrientes en un medio. Los principales nutrientes se basan en Nitrógeno, Fósforo y Potasio. Según33, la eutrofización puede ser causada especialmente por emisiones al aire (p. ej., óxidos de nitrógeno procedentes de procesos de combustión), al agua (p. ej., nitrógeno en el medio acuático procedente del uso de fertilizantes en la agricultura) y en el suelo y sobre él (p. ej. , emisiones de fósforo lixiviado al suelo procedente de fuentes agrícolas).

El agotamiento de la capa de ozono es causado especialmente por las emisiones artificiales de halocarbonos y gases a temperaturas atmosféricas normales, como sustancias refrigerantes, disolventes y agentes espumantes que contienen cloro o bromo. En particular, las sustancias refrigerantes son especialmente dañinas ya que todavía se utilizan comúnmente en ciclos de calor para mejorar la eficiencia, una transición de fase reversible de líquido a gaseoso33.

Según33, la Ecotoxicidad es causada por la emisión de sustancias tóxicas a la biosfera que afecta a especies de flora y fauna, provocando toxicidad en sus especies, la cual puede ser bioacumulativa. La Ecotoxicidad se cuantifica en Unidades Tóxicas Comparativas de Ecotoxicidad (CTUe).

Las partículas del aire para la salud humana están asociadas con micropartículas que causan problemas de salud. Las micropartículas tienen menos de 10 micrómetros de diámetro y pueden penetrar profundamente en los pulmones y algunas incluso pueden llegar al torrente sanguíneo. Por lo tanto, estas partículas pueden afectar los pulmones y el corazón humanos. Las personas con enfermedades cardíacas o pulmonares, los niños y los adultos mayores son los más propensos a verse afectados por la exposición a la contaminación por partículas33.

Medido en Unidades Tóxicas Comparativas para humanos (CTUh). La toxicidad humana se puede dividir en dos categorías principales dependiendo de si es susceptible de provocar cáncer o no. La primera toxicidad humana es inducida por sustancias químicas emitidas que son ingeridas o inhaladas por los humanos, y esas sustancias pueden causar cáncer. La toxicidad humana, no cancerosa, también es causada por la ingestión o inhalación de sustancias químicas emitidas al medio ambiente por actividades humanas, pero que causan otros daños al ser humano, excepto el cáncer29.

Finalmente, según29, existe la Formación de Ozono Troposférico, también llamada formación de Smog o simplemente Smog como se usa en este trabajo. A nivel del suelo, para el ozono, se produce la misma reacción química entre los óxidos de nitrógeno (NOx) y los compuestos orgánicos volátiles (COV) en presencia de luz solar. Estos gases son generados principalmente por empresas de energía eléctrica, instalaciones industriales y motores de combustión. El Smog provoca diversas enfermedades respiratorias, como bronquitis, asma y enfisema. Los impactos ecológicos incluyen el agotamiento de los mismos ecosistemas5.

La cadena productiva del motor del altavoz se compone de producción de imanes, producción de bobinas y producción de formadores de bobinas. A continuación se presentarán y discutirán los principales aspectos ambientales de estos procesos y sus principales impactos ambientales.

La mayor emisión que contribuye a la categoría de calentamiento global es el CO2 eq. proporcionado por el paso de producción de la materia prima a base de ferrita empleada para producir el imán. Además, la mayor emisión que afecta la toxicidad humana (agentes cancerígenos) fue el arsénico (As) en el aire, y el mayor impacto también proviene de la incineración y la eliminación de desechos sólidos. Para los agentes no cancerosos, el agente responsable de la toxicidad humana, el agua contaminada con Pb, tuvo el mayor impacto de emisión. En cuanto a los efectos respiratorios, el mayor contribuyente fue el proceso de beneficio para fabricar el imán de ferrita. En la categoría Eutrofización, la emisión que tuvo mayor impacto resultó del fosfato distribuido en el agua y del agotamiento del O3 o CH4 presente en el aire. En la literatura, se ve que la quema de combustibles fósiles en hornos industriales fue el mayor contribuyente a la formación fotoquímica de la categoría de contaminación atmosférica (smog)21,22.

Para que un conjunto magnético de altavoz de ferrita tenga la misma eficiencia que el neodimio, se necesita aproximadamente cuatro veces la masa de ferrita (para tener el mismo flujo magnético)22. En este análisis, el neodimio fue el material que contribuyó menos negativamente, ya que todas las categorías eran en promedio un 25% más pequeñas que la ferrita. Es de destacar que el Nd (imán utilizado en altavoces de alto rendimiento) tiene su extracción y producción primaria concentrada en China desde 1994, aumentando desde 1990 la demanda de sus aplicaciones tanto para material virgen como reciclado. El uso de imanes de neodimio en el mercado global representa el 6,2%, mientras que el mayor uso es para motores eléctricos con un 34%22.

Después de la ferrita, el aluminio predomina en la mayoría de las categorías de impacto ambiental de los motores de altavoces. Los datos presentados en la Tabla 2 reflejan claramente la diferencia en los impactos ambientales del procesamiento de minerales, considerando la extracción, separación y concentración de los minerales deseados. En la categoría de calentamiento global, la emisión de CO2 se produce principalmente por la combustión de combustibles fósiles, que en el caso del aluminio, tras su trituración con tractores y excavadoras en la etapa de extracción de bauxita, se requieren diversos procesos industriales con maquinaria de separación, lavado (grandes cantidades de agua), trituración y disposición de los relaves separados de la bauxita lavada. Analizando el inventario de aluminio en Material Suplementario, las cantidades de emisiones de sustancias orgánicas al aire y al agua, podemos observar que presenta valores el doble que el cobre. En cuanto al cobre, el único valor atípico y superior al aluminio fue en la categoría de Ecotoxicidad, lo que puede explicarse por la gran cantidad de emisiones de partículas y metales pesados al aire. Esta diferencia se puede atribuir a los diferentes procesos químicos implicados en la producción de aluminio. Así, en los altavoces, la elección del cobre mejora el rendimiento desde el punto de vista medioambiental. Sin embargo, en relación a la densidad del material, es preferible el aluminio porque una característica deseable de la bobina es ser ligera para no influir en el desplazamiento del conjunto y, en consecuencia, en la calidad acústica.

En 30, los resultados de la aplicación de ACV a la producción de bobinas se describen en 34, comparando los impactos del ciclo de vida de las bobinas de aluminio y cobre. Para la forma de bobina, el proceso de extracción de bauxita sigue el mismo procedimiento descrito en la producción de bobina de aluminio, diferenciándose en el paso final en el que se forman las láminas de aluminio y no el tocho como el destinado a la bobina. Los grados de impacto de la fibra de vidrio fueron mejores que los del aluminio. Su proceso de fabricación es más sencillo que el del aluminio, utilizando menores cantidades de minerales en su composición y requiriendo menos maquinaria. En el caso de los minerales, podemos comprobar en el inventario del Material complementario que la presencia de Colemanita (Ca2B6O11.5H2O) y Dolomita (CaMg(CO3)2) dista mucho de ser despreciable. El valor de agotamiento de la capa de O3 para ambos materiales fue negativo, este valor indica que la alternativa analizada resultó positiva para la categoría de impacto, y encontrar la causa raíz de esta discrepancia no es parte del alcance del estudio, pero puede indicarse para futuros. estudio en profundidad. El uso de fibra de vidrio en altavoces resulta interesante tanto en términos de entorno como de rendimiento, ya que la fibra de vidrio tiene mejor rigidez y temperatura de funcionamiento (antes de deformarse) que el aluminio. La Figura 3 muestra las contribuciones relativas de los impactos ambientales de cada componente del Escenario 1 del motor del altavoz en función de cada categoría de impacto ambiental evaluada. Es importante mencionar que el Escenario 1 es el más común que se encuentra en la industria de los altavoces, por lo que se consideró un escenario base para comparar los demás escenarios mostrados en las Tablas 1 y 3.

Gráfico de barras con dos ejes y los tres materiales que representan la contribución relativa en porcentaje por categoría de impacto por categorías, destacando la categoría de bobina de aluminio HTC con mayor porcentaje.

Considerando la ferrita como un material componente magnético, este componente predomina en todas las categorías de impactos ambientales y no es posible identificar las contribuciones de posibles impactos ambientales de otros componentes y materiales en el motor del altavoz. Por lo tanto, la premisa es que, para lograr el mejor desempeño ambiental de este producto, la ferrita debe ser reemplazada por neodimio en todos los escenarios. Por tanto, se excluyeron los escenarios 3, 5 y 7 que contienen ferrita. Sólo se mantuvo el escenario 1, que también contiene ferrita, por lo que se adoptó como escenario base.

Con base en el modelo de motor del producto Real, sus respectivos componentes se combinaron y generaron ocho posibles escenarios de diseño de motor de altavoz, como se muestra en la Tabla 3.

La combinación de los diferentes componentes del motor del altavoz se realizó como un Análisis de Sensibilidad, previsto como una fase opcional del ACV y también como una propuesta de posibilidades para el proceso de toma de decisiones de Ecodiseño.

El gráfico de líneas con dos ejes y los cinco escenarios que representan la contribución relativa en porcentaje por categoría de impacto por categorías, destacó los escenarios HTC 2 y 4 con un porcentaje del 28,29% por encima del nivel umbral del 100%.

En el análisis de la Fig. 4, se observa una variación homogénea y un comportamiento estándar entre las categorías de impactos ambientales en los escenarios de Ecodiseño proyectados. En resumen, todos los escenarios proyectados tienen un mejor desempeño ambiental que el escenario base (Producto real), excepto la categoría Cáncer de toxicidad humana, en la que todos los escenarios proyectados tienen un desempeño ambiental menor que el escenario base. Se trata de una categoría de impacto ambiental delicada, con especial atención a la salud humana y notoriamente causada por el ciclo de vida del neodimio, corrobora el estudio reportado por21. Entre los escenarios de Ecodiseño proyectados, el de mayor desempeño ambiental, en términos absolutos, es el Escenario 4, el cual está compuesto por una bobina de aluminio, formador de bobina de fibra de vidrio e imán de neodimio.

Por otro lado, para tener una visión del desempeño ambiental en su conjunto, entre cada escenario evaluado, incluido el escenario base, se adoptó una normalización externa en relación a la suma de cada categoría de impacto ambiental evaluada en América del Norte, según datos de32 . Así, es posible tener una estimación del potencial total de impactos ambientales que tiene cada escenario y compararlos entre sí. La Figura 5 presenta estos resultados.

Gráfico de líneas con dos ejes y cinco escenarios que representan el indicador normalizado por año por categoría de impacto por todas las categorías, siendo un 51% mayor que el total del escenario 1 con relación a los demás.

De los resultados de la estandarización externa se observa que los escenarios 2, 4, 6 y 8 del proyecto de Ecodiseño tienen un desempeño ambiental equivalente. Además, a pesar de que todos ellos tienen impactos potenciales más altos para la categoría de toxicidad humana no cancerígena, en total, los escenarios de Ecodiseño proyectados tienen relativamente un 51% menos de potencial de impacto ambiental que el escenario base, que se utiliza ampliamente en el mercado mundial de altavoces. Esta mejora en el desempeño ambiental para todos los escenarios proyectados podría ser un gran paso adelante en la industria global de altavoces frente a la Economía Circular, considerando la totalidad de productos en el mercado mundial. Como se trata de un análisis relativo en unidades porcentuales, la contribución relativa de la categoría Toxicidad humana no cancerosa es mucho mayor que las otras categorías, lo que dificulta visualizar las contribuciones de los otros componentes y escenarios para las otras categorías de impactos ambientales. Sin embargo, existe una diferencia significativa, en términos porcentuales, entre los demás escenarios en función de las categorías de impactos analizados, como se indica en la Fig. 6.

Comparación de las contribuciones relativas por los indicadores de categoría, de bobina formadora y bobina. Se destaca la categoría Ec y HTnC para la bobina, siendo su porcentaje de impacto aproximadamente diez veces mayor que los demás.

Se puede observar que los escenarios de Ecodiseño que reemplazan el aluminio por fibra de vidrio, manteniendo el neodimio en la bobina formadora, tienen un desempeño ambiental superior. Estos son los casos de los escenarios 4 y 8. Por otro lado, en el mismo gráfico se puede observar que el cobre presenta potenciales de impacto muy superiores al aluminio en tres categorías de impacto. Por el contrario, las otras categorías están cerca del límite representado en rojo y punteado en la Fig. 6. Por lo tanto, se puede concluir que el escenario Ecodiseño 4 para el motor del altavoz, desde el punto de vista del desempeño ambiental, es el mejor escenario. entre los ocho evaluados.

El objetivo de la investigación se completó con éxito dentro de los límites propuestos. Entre los ocho escenarios de sustitución de componentes que caracterizan las propuestas de Ecodiseño, se obtuvo una especificación de proyecto para el motor de altavoz con el rendimiento mejor analizado. La propuesta identificada es el escenario 4, que consta de un motor con bobina de aluminio, formador de bobina de fibra de vidrio e imán de neodimio. Además, fue posible identificar los escenarios intermedios de Ecodiseño para el motor del altavoz en base a la opción de motor más utilizada en el mercado.

Los resultados de este artículo llenan un vacío teórico en la literatura científica y contribuyen a la práctica de la ingeniería con subsidios para el proceso de toma de decisiones en proyectos de desarrollo de altavoces.

La investigación tiene dos limitaciones importantes. El primero se basa en la recolección de datos para el LCI, la cual se realizó con base en hojas de datos de los fabricantes de altavoces, siendo un enfoque de recolección de datos de fuentes secundarias, pero con confiabilidad. La segunda limitación está en el alcance de la LCA, que se limitó a un solo componente del altavoz, el motor, debido a la complejidad de este producto y su cadena de producción.

Sin embargo, estas limitaciones pueden superarse en investigaciones futuras, con el apoyo de los fabricantes, adoptando la recopilación de datos de fuentes primarias en el campo e in loco y para el altavoz en su conjunto. Además, se presentan sugerencias para analizar el desempeño tecnológico y económico del producto de manera integrada con el desempeño ambiental. Por tanto, los resultados tienden a ser mejor absorbidos por fabricantes y consumidores y, por tanto, los proyectos de Ecodiseño de altavoces pueden implementarse a gran escala.

Todas las bases de datos y el software utilizados para respaldar la conclusión de este artículo están disponibles en el sitio web de (http://www.gabi-software.com/international/databases/).

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Descargar referencias

Los autores agradecen a la Fundación de Investigación de São Paulo (FAPESP), Beca Nº 2020/11874-5 y al Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq), Beca Nº 405749/2022-8.

Estos autores contribuyeron por igual: Ivan Aritz Aldaya Garde, Mirian Paula dos Santos, Rafael Abrantes Penchel, Lúcio Cardozo Filho y José Augusto de Oliveira.

Centro de Tecnologías Avanzadas y Sostenibles - CAST, Universidad Estadual Paulista (UNESP), Av. Profa. Isette Corrêa Fontão, 505, São João da Boa Vista, São Paulo, 13876-750, Brasil

Allan Di Cunto D'Avila de Almeida, Ivan Aritz Aldaya Garde, Mirian Paula dos Santos, Rafael Abrantes Penchel, Lúcio Cardozo Filho & José Augusto de Oliveira

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Todos los autores revisaron y contribuyeron, siendo cada uno un especialista en un área particular de especialización para este manuscrito.

Correspondence to Allan Di Cunto D’Avila de Almeida.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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de Almeida, ADCD, Garde, IAA, dos Santos, MP et al. Escenarios de Ecodiseño en motor de altavoz. Informe científico 12, 19493 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24042-7

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Recibido: 26 de junio de 2022

Aceptado: 09 de noviembre de 2022

Publicado: 14 de noviembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24042-7

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