ระดับการใช้พลังงานในการพิมพ์ 3 มิติโลหะคืออะไร?

การพิมพ์โลหะ 3 มิติหรือที่เรียกว่าการผลิตสารเติมแต่งได้กลายเป็นเทคโนโลยีที่ปฏิวัติวงการในอุตสาหกรรมการผลิต ช่วยให้การสร้างชิ้นส่วนโลหะที่ซับซ้อนมีความแม่นยำและประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตามสิ่งสำคัญอย่างหนึ่งที่มักจะอยู่ภายใต้การตรวจสอบข้อเท็จจริงคือระดับการใช้พลังงานในการพิมพ์โลหะ 3 มิติ ในฐานะที่เป็นซัพพลายเออร์การพิมพ์ 3 มิติโลหะฉันมีความเชี่ยวชาญในความซับซ้อนของเทคโนโลยีนี้และความต้องการพลังงาน ในบล็อกนี้ฉันจะเจาะลึกปัจจัยต่าง ๆ ที่มีอิทธิพลต่อการใช้พลังงานในการพิมพ์โลหะ 3 มิติและหารือเกี่ยวกับระดับปัจจุบันและวิธีที่มีศักยภาพในการปรับให้เหมาะสม

ปัจจัยที่มีผลต่อการใช้พลังงานในการพิมพ์ 3 มิติโลหะ

1. กระบวนการพิมพ์

มีกระบวนการพิมพ์ 3 มิติโลหะหลายกระบวนการแต่ละกระบวนการมีลักษณะการใช้พลังงานของตัวเอง สิ่งที่พบบ่อยที่สุด ได้แก่ ผงเตียงฟิวชั่น (PBF) และการสะสมพลังงานโดยตรง (DED)

• ฟิวชั่นเตียงผง (PBF): ในกระบวนการ PBF เช่นการละลายเลเซอร์แบบเลือก (SLM) และการละลายของลำแสงอิเล็กตรอน (EBM) เลเซอร์พลังงานสูงหรือลำแสงอิเล็กตรอนจะใช้ในการคัดเลือกและฟิวส์เมทัลเมทัลเลเยอร์โดยชั้น พลังงานที่จำเป็นในการสร้างและมุ่งเน้นลำแสงมีความสำคัญ ตัวอย่างเช่นใน SLM เลเซอร์ต้องมีพลังงานสูงพอที่จะละลายผงโลหะอย่างเต็มที่ซึ่งสามารถใช้ไฟฟ้าจำนวนมากได้ การใช้พลังงานยังขึ้นอยู่กับความเร็วในการสแกนและขนาดของชิ้นส่วนที่พิมพ์ ความเร็วในการสแกนที่เร็วขึ้นอาจต้องใช้พลังงานเลเซอร์ที่สูงขึ้นในขณะที่ชิ้นส่วนขนาดใหญ่หมายถึงพื้นที่ที่ต้องสแกนมากขึ้นเพิ่มการใช้พลังงานโดยรวม

• การสะสมพลังงานโดยตรง (DED): DED เกี่ยวข้องกับการป้อนผงโลหะหรือลวดลงในสระหลอมเหลวที่สร้างขึ้นโดยเลเซอร์หรือลำแสงอิเล็กตรอน การใช้พลังงานใน DED ได้รับอิทธิพลจากพลังของแหล่งพลังงาน (เลเซอร์หรือลำแสงอิเล็กตรอน) อัตราการสะสมของวัสดุและความเร็วในการเดินทางของหัวการสะสม เมื่อเทียบกับ PBF DED อาจใช้พลังงานมากขึ้นเมื่อมีการพิมพ์ชิ้นส่วนขนาดใหญ่เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วจะมีอัตราการสะสมที่สูงขึ้น แต่ยังต้องใช้แหล่งพลังงานพลังงานค่อนข้างสูงเพื่อรักษาสระว่ายน้ำหลอมเหลว

2. คุณสมบัติของวัสดุ

ประเภทของโลหะที่ใช้ในการพิมพ์ 3 มิติมีผลกระทบโดยตรงต่อการใช้พลังงาน โลหะที่แตกต่างกันมีจุดหลอมเหลวที่แตกต่างกันค่าการนำความร้อนและความร้อนจำเพาะ

• จุดหลอมเหลว: โลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงเช่นไทเทเนียมและซุปเปอร์อัลลอยจากนิกเกิลต้องใช้พลังงานมากขึ้นเมื่อเทียบกับโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำเช่นอลูมิเนียม ตัวอย่างเช่นไทเทเนียมมีจุดหลอมเหลวประมาณ 1668 ° C ในขณะที่อลูมิเนียมละลายที่ประมาณ 660 ° C ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการไปถึงจุดหลอมเหลวของไทเทเนียมในระหว่างกระบวนการพิมพ์ 3 มิติ

• การนำความร้อน: โลหะที่มีค่าการนำความร้อนสูงสามารถถ่ายเทความร้อนได้เร็วขึ้น ในการพิมพ์โลหะ 3 มิตินี้อาจส่งผลกระทบต่อการใช้พลังงานเนื่องจากโลหะนำไฟฟ้าที่สูงขึ้นอาจต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการรักษาสถานะการหลอมเหลวในพื้นที่เฉพาะ ตัวอย่างเช่นทองแดงมีค่าการนำความร้อนสูงมากและชิ้นส่วนทองแดงการพิมพ์อาจต้องการพลังงานเพิ่มเติมเพื่อให้แน่ใจว่าการหลอมละลายและฟิวชั่นที่เหมาะสม

3. เรขาคณิตส่วนหนึ่ง

ความซับซ้อนและขนาดของชิ้นส่วนที่พิมพ์มีบทบาทสำคัญในการพิจารณาการใช้พลังงาน

• ความซับซ้อน: ชิ้นส่วนที่มีรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนเช่นโครงสร้างขัดแตะหรือชิ้นส่วนที่มีช่องทางภายในอาจต้องใช้พลังงานมากขึ้น นี่เป็นเพราะแหล่งพลังงานจำเป็นต้องสแกนและละลายพื้นที่ที่มีขนาดเล็กลงและมีรายละเอียดมากขึ้นซึ่งมักจะอยู่ที่ความเร็วที่ช้าลงเพื่อให้แน่ใจว่าการพิมพ์ที่แม่นยำ นอกจากนี้โครงสร้างการสนับสนุนที่บางครั้งจำเป็นสำหรับชิ้นส่วนที่ซับซ้อนก็เพิ่มการใช้พลังงานเนื่องจากจำเป็นต้องพิมพ์พร้อมกับส่วนหลักแล้วลบออกในภายหลัง

• ขนาด: ชิ้นส่วนขนาดใหญ่ต้องการพลังงานมากขึ้น วัสดุที่ต้องละลายและหลอมรวมมากขึ้นและแหล่งพลังงานจะต้องครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่นการพิมพ์ใบมีดกังหันโลหะขนาดใหญ่จะใช้พลังงานมากกว่าการพิมพ์ชิ้นส่วนเครื่องประดับโลหะขนาดเล็ก

ระดับการใช้พลังงานในปัจจุบัน

มันเป็นสิ่งที่ท้าทายที่จะให้ตัวเลขที่แม่นยำและแม่นยำสำหรับระดับการใช้พลังงานในการพิมพ์โลหะ 3 มิติเนื่องจากแตกต่างกันอย่างกว้างขวางขึ้นอยู่กับปัจจัยที่กล่าวถึงข้างต้น อย่างไรก็ตามการศึกษาบางอย่างได้พยายามประเมินการใช้พลังงาน

โดยเฉลี่ยการใช้พลังงานในการพิมพ์ 3 มิติโลหะมีตั้งแต่หลายกิโลวัตต์ - ชั่วโมงถึงหลายร้อยกิโลวัตต์ - ชั่วโมงต่อกิโลกรัมของโลหะที่พิมพ์ ตัวอย่างเช่นในกระบวนการ PBF การใช้พลังงานสามารถอยู่ที่ประมาณ 50 - 200 kWh/kg ขึ้นอยู่กับประเภทโลหะและความซับซ้อนของชิ้นส่วน ใน DED การใช้พลังงานอาจสูงขึ้นไปถึง 300 kWh/kg สำหรับแอปพลิเคชันบางอย่าง

ระดับการใช้พลังงานเหล่านี้ค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับวิธีการผลิตแบบดั้งเดิมเช่นCNC เปลี่ยนชิ้นส่วนที่มีพื้นผิวที่กำหนดเองเสร็จสิ้นและชิ้นส่วนตัดเลเซอร์ CNC- ในการหมุน CNC พลังงานส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการหมุนชิ้นงานและการเคลื่อนย้ายเครื่องมือตัดและการใช้พลังงานต่อหน่วยของวัสดุที่ถูกลบโดยทั่วไปจะลดลง ในทำนองเดียวกันในการตัดเลเซอร์ CNC แม้ว่าจะใช้เลเซอร์ แต่กระบวนการส่วนใหญ่จะเน้นไปที่การตัดผ่านแผ่นโลหะแทนที่จะละลายและหลอมรวมผงปริมาณมากส่งผลให้การใช้พลังงานค่อนข้างต่ำ

กลยุทธ์ในการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

1. การเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์กระบวนการ

โดยการปรับพารามิเตอร์กระบวนการอย่างระมัดระวังเช่นพลังงานเลเซอร์ความเร็วในการสแกนและความหนาของชั้นการใช้พลังงานสามารถลดลงได้ ตัวอย่างเช่นใน SLM การค้นหาการผสมผสานที่ดีที่สุดของพลังงานเลเซอร์และความเร็วในการสแกนสามารถมั่นใจได้ว่าการหลอมละลายของผงโลหะที่เหมาะสมในขณะที่ลดการสูญเสียพลังงาน เลเซอร์พลังงานต่ำกว่าอาจเพียงพอหากมีการปรับความเร็วการสแกนตามตราบใดที่ยังสามารถบรรลุการหลอมละลายและฟิวชั่นที่จำเป็น

2. การเลือกวัสดุและการรีไซเคิล

การเลือกโลหะที่มีจุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่าและพลังงานที่ดีขึ้น - คุณสมบัติที่มีประสิทธิภาพสามารถลดการใช้พลังงาน นอกจากนี้ผงโลหะรีไซเคิลอาจเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการประหยัดพลังงาน การรีไซเคิลช่วยลดความจำเป็นในการผลิตผงโลหะใหม่ซึ่งมักจะเกี่ยวข้องกับกระบวนการพลังงาน - กระบวนการที่เข้มข้นเช่นการขุดและการกลั่น

3. การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ

การออกแบบชิ้นส่วนด้วยพลังงานมากขึ้น - วิธีที่มีประสิทธิภาพอาจมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ การทำให้รูปทรงเรขาคณิตของชิ้นส่วนง่ายขึ้นเมื่อใดก็ตามที่เป็นไปได้สามารถลดปริมาณของวัสดุที่จะพิมพ์และความซับซ้อนของกระบวนการสแกน ตัวอย่างเช่นการลบคุณสมบัติภายในที่ไม่จำเป็นหรือการใช้รูปร่างที่มีความคล่องตัวมากขึ้นสามารถนำไปสู่การลดการใช้พลังงาน

บทสรุป

ในฐานะซัพพลายเออร์การพิมพ์ 3 มิติโลหะฉันเข้าใจถึงความสำคัญของการจัดการกับการใช้พลังงานในเทคโนโลยีนี้ ในขณะที่การพิมพ์โลหะ 3 มิติมีข้อได้เปรียบมากมายในแง่ของเสรีภาพในการออกแบบและความซับซ้อนของชิ้นส่วนระดับการใช้พลังงานที่ค่อนข้างสูงอาจเป็นข้อกังวลสำหรับลูกค้าจำนวนมาก โดยการทำความเข้าใจกับปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการใช้พลังงานเช่นกระบวนการพิมพ์คุณสมบัติของวัสดุและเรขาคณิตส่วนหนึ่งเราสามารถดำเนินการเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

หากคุณสนใจชิ้นส่วนความแม่นยำของซีเอ็นซีไทเทเนียมหรือบริการการพิมพ์ 3 มิติโลหะอื่น ๆ และต้องการหารือเกี่ยวกับวิธีที่เราจะตอบสนองความต้องการของคุณในขณะที่พิจารณาพลังงาน - โซลูชั่นที่มีประสิทธิภาพฉันขอแนะนำให้คุณเข้าถึงการอภิปรายการจัดซื้อจัดจ้าง เรามุ่งมั่นที่จะจัดหาชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยโลหะ 3 มิติที่มีคุณภาพสูงในขณะที่ลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมผ่านการใช้พลังงานที่ดีที่สุด

การอ้างอิง

• Gibson, I. , Rosen, DW, & Stucker, B. (2015) เทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่ง: การพิมพ์ 3 มิติ, การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วและการผลิตดิจิตอลโดยตรง สปริงเกอร์
• Wong, KV, & Hernandez, R. (2012) การทบทวนการผลิตสารเติมแต่ง วารสารนานาชาติของเทคโนโลยีการผลิตขั้นสูง, 67 (5 - 8), 1029 - 1049
• Campbell, IA, Bourell, D. , & Gibson, I. (2011) รีวิวเกี่ยวกับผง - เตียง - การผลิตสารเติมแต่งฟิวชั่น วารสารวิศวกรรมวัสดุและประสิทธิภาพ, 20 (7), 1232 - 1241