Inleiding: Angst voor energieverbruik bij grootschalige productie
Een bedrijf dat onderdelen voor de lucht- en ruimtevaart produceert, beschikt over 25 industriële 3D-printers met een jaarlijks printvolume van meer dan 500.000 stuks. De jaarlijkse energiekosten bedragen echter maar liefst 1,8 miljoen yuan, goed voor 15-20% van de totale productiekosten. Wat nog ernstiger is, is dat naarmate het ordervolume toeneemt, de kosten voor het energieverbruik lineair stijgen, waardoor de winstmarges ernstig worden uitgehold. Dit staat niet op zichzelf: volgens onderzoeksgegevens uit de sector is het energieverbruik de op een na grootste uitgavenpost geworden, na de materiaalkosten bij grootschalige 3D-printproductie.
Vergeleken met traditionele subtractieve productie lijkt het energieverbruik per eenheid bij additieve productie lager te zijn (er is geen grote hoeveelheid snijvloeistof en koelsysteem voor nodig), maar het cumulatieve energieverbruik van langdurige continue verwarming, krachtige laserwerking, poedervoorverwarming en andere koppelingen kan niet worden genegeerd. Als we het SLS-proces als voorbeeld nemen: het vermogen van een enkel apparaat kan 3 tot 5 kW bedragen, de gemiddelde dagelijkse werking bedraagt 16 uur, het dagelijkse energieverbruik bedraagt 48 tot 80 kWh en de maandelijkse elektriciteitsrekening bedraagt meer dan 10.000 yuan. Hoe het energieverbruik te optimaliseren en tegelijkertijd de printkwaliteit te garanderen, is een kernprobleem geworden voor 3D-printbedrijven om de kosten te verlagen en de efficiëntie te verhogen.
1. Diepgaande analyse van de verdeling van het energieverbruik: kenmerken van het energieverbruik van de drie belangrijkste processen
De samenstelling van het energieverbruik van verschillende 3D-printprocessen is aanzienlijk verschillend. Het begrijpen van hun distributiepatronen is de eerste stap om energiebesparing te optimaliseren. Door de analyse van gemeten gegevens van de drie reguliere processen FDM, SLS en SLA hebben we ontdekt dat het energieverbruik voornamelijk geconcentreerd is in de drie belangrijkste modules: het verwarmingssysteem, het bewegingssysteem en het hulpsysteem.
1. Samenstelling van het energieverbruik van het FDM-proces
Het energieverbruik van FDM-apparatuur (fused deposition modeling) is voornamelijk afkomstig van mondstukverwarming, hotbedverwarming en bewegingssystemen. Als we een FDM-printer van industriële kwaliteit als voorbeeld nemen, is de typische stroomconfiguratie:
- Nozzleverwarmer: 40-60W (bedrijfstemperatuur 200-260°C)
- Warmbedverwarming: 150-300W (bedrijfstemperatuur 60-110°C)
- Bewegingssysteem (stappenmotor): 20-40W
- Elektronische componenten besturen: 15-25W
- Ventilator en hulpsysteem: 5-15W
Uit werkelijke meetgegevens blijkt dat de verwarming van het warme bed 50-65% van het totale energieverbruik voor zijn rekening neemt, de verwarming van het mondstuk 20-30% en het bewegingssysteem slechts 10-15%. Dit betekent dat de temperatuurregeling van het verwarmingsbed een belangrijke schakel is in de optimalisatie van FDM-energiebesparing. Als we het printen van PA12-nylonmateriaal als voorbeeld nemen, moet de temperatuur van het warme bed op 110 °C ± 5 °C worden gehouden. Als de omgevingstemperatuur 25°C is, moet de hotbedverwarmer continu ongeveer 200 W vermogen leveren om het warmteverlies te compenseren.
2. Kenmerken van energieverbruik van het SLS-proces
De structuur van het energieverbruik van SLS-apparatuur (selectieve lasersintering) is complexer en omvat voornamelijk:
- Lasersysteem: 30-200W (aangepast aan verschillende materialen)
- Poedervoorverwarmingssysteem: 1,5-3 kW (voorverwarmingstemperatuur ligt dicht bij het smeltpunt van het materiaal, PA12 is ongeveer 170°C)
- Verwarming van de bouwkamer: 500-1000 W (om de temperatuur van de printkamer op peil te houden)
- Bewegingssysteem en bediening: 100-200W
Belangrijkste bevindingen: Het energieverbruik van het poedervoorverwarmingssysteem bedraagt maar liefst 60-70%. Het SLS-proces vereist dat het poeder wordt voorverwarmd tot 10-20°C onder het smeltpunt van het materiaal om thermische spanningsvervorming tijdens het sinteren te verminderen. Voor PA12-materiaal: voorverwarmen
Dien een model, tekening, afbeelding of schriftelijke notities in. Ingenieurs beoordelen materiaal, proces, afwerking en levering op basis van daadwerkelijk gebruik.