Практика оптимизации энергопотребления 3D-печати: как снизить производственные затраты более чем на 30%

Введение: беспокойство по поводу энергопотребления при крупномасштабном производстве

Компания по производству деталей для аэрокосмической отрасли располагает 25 3D-принтерами промышленного уровня с годовым объемом печати более 500 000 штук. Однако ежегодные затраты на электроэнергию достигают 1,8 миллиона юаней, что составляет 15-20% от общей стоимости производства. Что еще более серьезно, так это то, что по мере увеличения объема заказов затраты на потребление энергии растут линейно, что серьезно снижает рентабельность. Это не единичный случай — согласно данным отраслевых исследований, энергопотребление стало второй по величине статьей расходов после материальных затрат в крупномасштабном производстве 3D-печати.

По сравнению с традиционным субтрактивным производством удельное энергопотребление при аддитивном производстве кажется ниже (оно не требует большого количества смазочно-охлаждающей жидкости и системы охлаждения), но нельзя игнорировать совокупное энергопотребление при длительном непрерывном нагреве, работе мощного лазера, предварительном нагреве порошка и других связях. Если взять в качестве примера процесс SLS, мощность одного устройства может достигать 3–5 кВт, средняя ежедневная работа — 16 часов, ежедневное потребление энергии — 48–80 кВтч, а ежемесячный счет за электроэнергию превышает 10 000 юаней. Как оптимизировать потребление энергии, обеспечивая при этом качество печати, стало ключевым вопросом для компаний, занимающихся 3D-печатью, с целью снижения затрат и повышения эффективности.

1. Углубленный анализ распределения энергопотребления: характеристики энергопотребления трех основных процессов

Состав энергопотребления в различных процессах 3D-печати существенно различается. Понимание закономерностей их распределения является первым шагом к оптимизации энергосбережения. Путем анализа данных измерений трех основных процессов: FDM, SLS и SLA, мы обнаружили, что потребление энергии в основном сосредоточено в трех основных модулях: системе отопления, системе движения и вспомогательной системе.

1. Состав энергопотребления процесса FDM

Потребление энергии оборудованием FDM (моделирование наплавлением) в основном происходит за счет нагрева сопла, нагрева горячего слоя и систем движения. Если взять в качестве примера FDM-принтер промышленного класса, типичная конфигурация электропитания будет следующей:

Фактические данные измерений показывают, что нагрев горячего слоя составляет 50-65% от общего энергопотребления, нагрев сопла - 20-30%, а на систему движения - только 10-15%. Это означает, что контроль температуры нагревательного слоя является ключевым звеном в оптимизации энергосбережения FDM. Если взять в качестве примера нейлоновый материал PA12 для печати, то температуру горячего слоя необходимо поддерживать на уровне 110°C ± 5°C. Если температура окружающей среды составляет 25°C, нагреватель горячего слоя должен постоянно выдавать мощность около 200 Вт, чтобы компенсировать потери тепла.

2. Характеристики энергопотребления процесса SLS

Структура энергопотребления оборудования SLS (селективного лазерного спекания) более сложна и в основном включает:

Основные выводы: Потребление энергии системой предварительного нагрева порошка достигает 60–70 %. Процесс SLS требует предварительного нагрева порошка до температуры на 10-20°C ниже точки плавления материала, чтобы уменьшить деформацию под термическим напряжением во время спекания. Для материала PA12: предварительный нагрев