Introduzione: ansia da consumo energetico in una produzione su larga scala
Un'azienda produttrice di componenti aerospaziali dispone di 25 stampanti 3D di livello industriale con un volume di stampa annuale di oltre 500.000 pezzi. Tuttavia, il costo energetico annuale arriva a 1,8 milioni di yuan, pari al 15-20% del costo di produzione totale. Ciò che è ancora più grave è che all’aumentare del volume degli ordini, i costi del consumo energetico aumentano in modo lineare, erodendo seriamente i margini di profitto. Non si tratta di un caso isolato: secondo i dati delle ricerche di settore, nella produzione di stampa 3D su larga scala il consumo energetico è diventato la seconda voce di spesa più importante dopo i costi dei materiali.
Rispetto alla tradizionale produzione sottrattiva, il consumo energetico unitario della produzione additiva sembra essere inferiore (non richiede una grande quantità di fluido da taglio e sistema di raffreddamento), ma il consumo energetico cumulativo del riscaldamento continuo a lungo termine, del funzionamento del laser ad alta potenza, del preriscaldamento della polvere e altri collegamenti non può essere ignorato. Prendendo come esempio il processo SLS, la potenza di un singolo dispositivo può raggiungere 3-5 kW, il funzionamento medio giornaliero è di 16 ore, il consumo energetico giornaliero è di 48-80 kWh e la bolletta elettrica mensile supera i 10.000 yuan. Come ottimizzare il consumo energetico garantendo al tempo stesso la qualità di stampa è diventato un problema fondamentale per le aziende di stampa 3D per ridurre i costi e aumentare l’efficienza.
1. Analisi approfondita della distribuzione dei consumi energetici: caratteristiche dei consumi energetici dei tre principali processi
La composizione del consumo energetico dei diversi processi di stampa 3D è significativamente diversa. Comprendere i loro modelli di distribuzione è il primo passo per ottimizzare il risparmio energetico. Attraverso l'analisi dei dati misurati dei tre processi principali di FDM, SLS e SLA, abbiamo scoperto che il consumo di energia è concentrato principalmente nei tre moduli principali del sistema di riscaldamento, del sistema di movimento e del sistema ausiliario.
1. Composizione del consumo energetico del processo FDM
Il consumo energetico delle apparecchiature FDM (modellazione a deposizione fusa) deriva principalmente dal riscaldamento degli ugelli, dal riscaldamento del letto caldo e dai sistemi di movimento. Prendendo come esempio una stampante FDM di livello industriale, la tipica configurazione di alimentazione è:
- Riscaldatore ugello: 40-60 W (temperatura operativa 200-260°C)
- Riscaldatore letto caldo: 150-300 W (temperatura operativa 60-110°C)
- Sistema di movimento (motore passo-passo): 20-40 W
- Componenti elettronici di controllo: 15-25W
- Ventola e sistema ausiliario: 5-15 W
I dati di misurazione effettivi mostrano che il riscaldamento del letto caldo rappresenta il 50-65% del consumo energetico totale, il riscaldamento dell'ugello rappresenta il 20-30% e il sistema di movimento rappresenta solo il 10-15%. Ciò significa che il controllo della temperatura del piano riscaldante è un anello chiave nell'ottimizzazione del risparmio energetico FDM. Prendendo come esempio la stampa di materiale in nylon PA12, la temperatura del letto caldo deve essere mantenuta a 110°C ± 5°C. Se la temperatura ambiente è di 25°C, il riscaldatore del letto caldo deve erogare continuamente una potenza di circa 200 W per compensare la perdita di calore.
2. Caratteristiche di consumo energetico del processo SLS
La struttura del consumo energetico delle apparecchiature SLS (sinterizzazione laser selettiva) è più complessa e comprende principalmente:
- Sistema laser: 30-200 W (regolato in base ai diversi materiali)
- Sistema di preriscaldamento della polvere: 1,5-3 kW (la temperatura di preriscaldamento è vicina al punto di fusione del materiale, PA12 è di circa 170°C)
- Riscaldamento della camera di costruzione: 500-1000 W (per mantenere la temperatura della camera di stampa)
- Sistema di movimento e controllo: 100-200 W
Risultati principali: Il consumo energetico del sistema di preriscaldamento della polvere ammonta fino al 60-70%. Il processo SLS richiede che la polvere venga preriscaldata a 10-20°C al di sotto del punto di fusione del materiale per ridurre la deformazione da stress termico durante la sinterizzazione. Per il materiale PA12, preriscaldare
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