增材制造工藝能耗分析與實(shí)驗(yàn)測試方法研究

高夢迪，王慶陽，馬志林

增材制造技術(shù)又稱為“3D 打印”，通過將三維模型分層逐層堆積成形的原理進(jìn)行加工，可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀零件的快速精密制造.增材制造技術(shù)屬于先進(jìn)制造工藝，目前應(yīng)用廣泛，尤其在機(jī)械制造和醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用較多［1］.《中國制造2025》中指出，要加快增材制造技術(shù)和裝備的研發(fā)，同時(shí)，增材制造已入選中國《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類（2018）》.

相對于傳統(tǒng)的減材、鍛造和鑄造技術(shù)，增材制造技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠制造出傳統(tǒng)工藝無法加工的零部件，極大增強(qiáng)了工藝實(shí)現(xiàn)能力［2］.同時(shí)，增材制造技術(shù)提高了難加工材料的可加工性，大大拓展了其工程應(yīng)用領(lǐng)域［3-4］，但制造過程中高能束（如激光束、電子束、等離子束等）加工能量消耗高，生產(chǎn)周期長，制造效率低［5］.較高的能量消耗不僅增加了增材制造產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，而且會對環(huán)境造成很大的影響，因此，增材制造的能耗問題備受關(guān)注［6-9］.為解決增材制造的能耗問題，不同裝備的能耗測試及工藝能耗特征分析是關(guān)鍵.本文以不同增材制造設(shè)備為研究對象，通過相應(yīng)的能耗測試實(shí)驗(yàn)及對應(yīng)結(jié)果分析，明確不同種類增材制造工藝的能耗特征，為增材制造能耗量化和節(jié)能減排提供方法和實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 增材制造工藝技術(shù)特點(diǎn)

不同增材制造設(shè)備的成形加工原理是類似的，根據(jù)制造過程所選用設(shè)備和材料的不同，增材制造工藝又可細(xì)分為多個(gè)種類，目前最常見的主要有以熱塑性材料為加工材料的熔融沉積式（FDM）工藝、以光敏樹脂為加工材料的立體光固化成型（SLA）法、以不同金屬粉末為加工材料的金屬增材制造技術(shù)選擇性激光熔化成型（SLM）技術(shù).

在FDM 的成形加工過程中，將計(jì)算機(jī)軟件處理好的零件切片文件導(dǎo)入設(shè)備，設(shè)備控制系統(tǒng)識別文件后，噴頭將絲狀熱塑性材料加熱融化，并通過微細(xì)噴嘴按照文件設(shè)定好的路徑擠出成形.設(shè)備根據(jù)切片文件設(shè)置，擠出材料逐層凝固沉積，最終完成整個(gè)零件的成形加工，其工作原理如圖1 所示.

圖1 FDM 工作原理圖

SLA 成形工藝以液態(tài)光敏樹脂為原料，在對應(yīng)設(shè)備軟件中將零件CAD 模型切片并設(shè)置加工參數(shù)后導(dǎo)入設(shè)備，設(shè)備根據(jù)已設(shè)置的掃描路徑、分層厚度和加工速度精準(zhǔn)控制激光器和設(shè)備平臺運(yùn)動(dòng).光敏樹脂在已設(shè)置的激光光束照射下凝固成形，由線成面，一層完成后平臺下移，刮板刮平，激光繼續(xù)加工，最終樹脂通過層層凝固在一起，形成整個(gè)零件，其工作原理如圖2 所示.

圖2 SLA 工作原理圖

與SLA 成形過程類似，SLM 是以金屬粉末為原料，通過激光逐層熔融燒結(jié)成形.在零件加工過程中，設(shè)備根據(jù)設(shè)置好的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和激光掃描路徑對金屬粉末進(jìn)行逐層加工，為防止高溫下金屬熔池氧化，SLM 成型室充滿惰性氣體，其工作原理如圖3 所示.

圖3 SLM 工作原理圖

2 增材制造能耗測試實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述增材制造工藝特點(diǎn)，選取三種增材制造設(shè)備進(jìn)行能耗實(shí)驗(yàn)測試，分別為JGAURORA-A8S（FDM實(shí)驗(yàn)設(shè)備）、UNIONTECHRS3000（SLA 實(shí)驗(yàn)設(shè)備）和BLT-S210（SLM 實(shí)驗(yàn)設(shè)備）.實(shí)驗(yàn)時(shí)采用型號為AWS2103S Plus的功率儀進(jìn)行相應(yīng)的功率測試，該功率儀的測試誤差為0.5%，包括±0.15% 量程誤差和±0.15%傳感器誤差，采樣周期為0.01 s.該功率儀主要用來測量增材制造設(shè)備在工作時(shí)的實(shí)時(shí)功率消耗，而設(shè)備的能耗則需通過對應(yīng)的功率在時(shí)間上的積分計(jì)算獲得.

由于所選用的三種增材設(shè)備均是采用兩相電源輸入，因此功率測量時(shí)僅需在單項(xiàng)功率測量模式下進(jìn)行即可，具體功率儀測試功率數(shù)據(jù)輸出過程如下：

圖4 單項(xiàng)功率測量系統(tǒng)

單相功率測量需要同時(shí)測量負(fù)載的電壓和電流，如圖4 所示，包括一個(gè)可以測量電壓的單元U和一個(gè)可以測量電流的單元I.在傳統(tǒng)的功率測量中，功率可以先利用U和I的乘積得到視在功率，然后乘以功率因數(shù)，即

數(shù)字化功率測量的接線方式是不變的，但在算法上一般采用數(shù)字真功率計(jì)算方式.

圖5 電壓電流離散化

將電壓和電流信號數(shù)字離散化，如圖5 所示，得到電壓序列U[n]和電流序列I[n]，然后求得瞬時(shí)功率序列P[n]，再求瞬時(shí)功率序列P[n]的平均值，平均值即為真功率值，也稱為真有功功率Pm.

設(shè)備的能耗則通過測試獲得的真有功功率在時(shí)間上的積分計(jì)算獲得，具體計(jì)算過程如下：

實(shí)驗(yàn)時(shí)，加工CAD 零件模型如圖6 所示，零件尺寸參數(shù)如表1 所示，分別測量三種增材制造設(shè)備的電能消耗.功率儀接線如圖7 所示，功率儀直接連接在被測設(shè)備的電源入口處，將功率儀的電壓接線端子并聯(lián)在設(shè)備電源上，電流鉗夾在被測設(shè)備電源入口的零線上.接線完成后，打開被測增材制造設(shè)備和功率儀，調(diào)整電流鉗方向，以功率儀顯示功率讀數(shù)正值為準(zhǔn).將已經(jīng)處理好的零件切片零件導(dǎo)入設(shè)備后，開始加工，即可實(shí)時(shí)測量零件加工過程中設(shè)備的功率隨時(shí)間變化曲線，通過上述計(jì)算公式即可獲得增材制造設(shè)備能耗.

圖6 增材制造零件CAD 模型

3 不同增材制造工藝能耗特征分析

3.1 不同設(shè)備能耗測試結(jié)果

按照上述增材制造裝備能耗測試方法，分別對FDM、SLA 和SLM 三種成形方式的設(shè)備在加工相同零件時(shí)進(jìn)行了能耗測試，并獲得其對應(yīng)功率-時(shí)間能耗曲線，如圖8、圖9 和圖10 所示.由于選用的加工方式和裝備不同，其零件在不同裝備上的加工過程也略有差異.

表1 所加工增材制造零件形狀尺寸參數(shù) 單位：mm

對于給定零件的FDM 加工過程，各階段功率變化曲線如圖8 所示，當(dāng)零件切片模型導(dǎo)入設(shè)備后，功率儀開始進(jìn)行功率測試，此時(shí)設(shè)備進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)，但不對零件進(jìn)行加工，此時(shí)的能耗主要產(chǎn)生于設(shè)備的顯示器和指示燈等輔助單元的能量消耗.當(dāng)按下啟動(dòng)按鈕后，設(shè)備開始進(jìn)入加熱狀態(tài)，第一階段是對工作臺進(jìn)行加熱，第二階段開始對噴頭進(jìn)行加熱.在噴頭加熱的同時(shí)工作臺繼續(xù)預(yù)熱，直至達(dá)到給定溫度后結(jié)束.當(dāng)所有加熱元件預(yù)熱完成后，開始對零件進(jìn)行成形加工.零件的成形過程又包括其底部支撐結(jié)構(gòu)的成形，主要用于零件和工作臺的連接，以及零件自身結(jié)構(gòu)的加工.

圖7 功率儀測試接線示意圖

圖8 FDM 加工過程功率-時(shí)間曲線

對于給定零件的SLA 加工過程，各階段功率變化曲線如圖9 所示，加工模型導(dǎo)入增材設(shè)備后，設(shè)備進(jìn)入工作平臺準(zhǔn)備階段.在該階段，工作臺移動(dòng)到樹脂液面最高位，為零件成形加工作初始化準(zhǔn)備，該階段的能耗主要是工作臺電機(jī)及設(shè)備其他輔助結(jié)構(gòu)的能耗.初始階段結(jié)束后，就進(jìn)入零件成形加工階段，該過程包括零件支撐結(jié)構(gòu)的加工和零件自身結(jié)構(gòu)的加工.盡管該零件設(shè)計(jì)時(shí)沒有懸臂和中空結(jié)構(gòu)，但是為了方便零件從工作臺去除，保證零件的尺寸精度，在模型設(shè)計(jì)過程中底面增加了3 mm 的網(wǎng)狀實(shí)體支撐.在零件加工過程中，能耗包括工作臺移動(dòng)能耗、刮刀運(yùn)動(dòng)能耗、激光掃描能耗及設(shè)備輔助能耗.當(dāng)整個(gè)零件的成形結(jié)束后，工作臺緩慢從樹脂中上移到最高處，此后裝備進(jìn)入等待狀態(tài).

對于給定零件的SLM 加工過程，各階段功率變化曲線如圖10 所示，加工模型導(dǎo)入增材設(shè)備后，SLM 設(shè)備進(jìn)入預(yù)處理階段，該階段主要是對成形室進(jìn)行洗氣和惰性氣體填充，同時(shí)還伴隨著整個(gè)設(shè)備的間歇性冷卻循環(huán).初始階段結(jié)束后進(jìn)入加工階段，開始對零件進(jìn)行加工，包括底部3 mm 的網(wǎng)狀實(shí)體支撐的成形加工和零件自身結(jié)構(gòu)的成形加工，在該過程，設(shè)備的能耗主要來自于撲粉、激光掃描、惰性氣體填充及設(shè)備冷卻.零件成形結(jié)束后進(jìn)入后處理階段，該過程需要在其他設(shè)備上完成，此時(shí)SLM 設(shè)備屬于等待狀態(tài).該設(shè)備的前處理階段和后處理階段的能耗主要取決于SLM 的控制系統(tǒng)，且該過程的功率波動(dòng)不大.

根據(jù)圖8、圖9 和圖10 三種不同加工方式下的測試獲得的設(shè)備能耗曲線，計(jì)算該零件在三種成形方式下的設(shè)備總能耗Ej和零件成形能耗Epart-j（j為FDM、SLA 和SLM）.設(shè)備的能效可通過零件成形能耗與設(shè)備總能耗的比值計(jì)算獲得，具體如式（5）所示.上述各能耗計(jì)算結(jié)果如表2 所示，各能耗結(jié)果對比如圖11 所示.

圖9 SLA 加工過程功率-時(shí)間曲線

圖10 SLM 加工過程功率-時(shí)間曲線

圖11 不同增材制造方式下能耗和能效對比

表2 不同增材制造方式下實(shí)驗(yàn)?zāi)芎呐c設(shè)備能效

3.2 增材制造工藝能耗特征分析

通過分析所選用三種設(shè)備加工同一零件的能耗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，SLM 設(shè)備能耗和零件成形能耗最高，其次是SLA 的能耗，能耗最低的是FDM 工藝，且SLM 設(shè)備總能耗和零件成形能耗分別是FDM 的20 倍以上，這是由于SLM 工藝加工的材料為金屬粉末，且加工時(shí)需要將金屬粉末材料完全融化后沉積成形，因而耗能較多.因此，SLM 屬于高能耗工藝.

通過比較各設(shè)備的能效可以發(fā)現(xiàn)，三種設(shè)備能效均在80%左右，設(shè)備能效均較高，F(xiàn)DM 設(shè)備的能效最高，接近90%，SLA 設(shè)備的能效最低，這是由于三種設(shè)備的輔助單元能耗不同造成的.FDM 設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單，控制單元和輔助單元耗能元件少，因而設(shè)備使用時(shí)能效最高，而SLA 設(shè)備輔助單元耗能元件多，控制系統(tǒng)復(fù)雜，造成設(shè)備輔助能耗較高，導(dǎo)致其能效較低.

從FDM 的成形階段可以看出，該階段的功率存在很多波動(dòng)，這些波動(dòng)不是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的電流和電壓值在整個(gè)成形階段都是穩(wěn)定值.功率大波動(dòng)的產(chǎn)生主要用于保持平臺的溫度，當(dāng)溫度下降至某一值時(shí)，設(shè)備開始對平臺進(jìn)行加熱.成形階段設(shè)備功率波動(dòng)局部放大曲線如圖12 所示，該過程的功率波動(dòng)是重復(fù)出現(xiàn)的，峰值功率持續(xù)時(shí)間為1～3 s.

從整個(gè)SLA 過程的功率波動(dòng)曲線可以看出，該種加工方式下的裝備成形功率基本穩(wěn)定在一定功率范圍內(nèi)，沒有太大的功率波動(dòng)，SLA 成形階段的局部放大圖如圖13 所示.由于SLA 加工方式下的激光功率較小，且沒有加熱過程，使得整個(gè)成形過程的能耗主要來自于輔助系統(tǒng)、各軸步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作和激光振鏡電機(jī)的能耗，因而功率波動(dòng)不大.

圖12 FDM 成形過程零件成形階段功率波動(dòng)曲線

圖13 SLA 成形過程零件成形階段功率波動(dòng)曲線

圖14 SLM 成形過程零件成形階段功率波動(dòng)曲線

SLM 成形過程的功率波動(dòng)曲線顯示，零件成形過程的功率消耗表現(xiàn)為大振幅和小振幅下的不同頻率的周期性波動(dòng)，如圖14 所示.該階段大振幅低頻率的周期性功率波動(dòng)主要是設(shè)備系統(tǒng)周期性的冷卻水循環(huán)所造成的，該過程振幅和循環(huán)周期較穩(wěn)定.而對于小振幅高頻率的功率波動(dòng)主要是由于激光對每層零件的掃描成形造成的，功率波動(dòng)周期與激光掃描時(shí)間相關(guān).

4 結(jié)論

本文以常用的三種增材制造工藝為研究對象，通過分析三種工藝技術(shù)特點(diǎn)，明確增材制造加工過程，研究增材制造工藝能耗特征.選取JGAURORA-A8S（FDM 實(shí)驗(yàn)設(shè)備）、UNIONTECH-RS3000（SLA實(shí)驗(yàn)設(shè)備）和BLT-S210（SLM 實(shí)驗(yàn)設(shè)備）三種增材制造設(shè)備為能耗分析對象，并提出相應(yīng)的設(shè)備能耗測試方法.實(shí)驗(yàn)采用AWS2103S Plus 功率儀對三臺設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)功率測試，并獲得相應(yīng)的功率-時(shí)間曲線，根據(jù)所提出的設(shè)備能耗計(jì)算方法，獲得三臺設(shè)備的總能耗、零件成形能耗和設(shè)備效率等能耗結(jié)果.通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比和分析發(fā)現(xiàn)，增材制造設(shè)備能效較高，SLM 屬于高能耗工藝.通過比較三種不同設(shè)備的零件成形能耗曲線特點(diǎn)，明確了設(shè)備功率波動(dòng)的原因和增材制造工藝能耗特征.