熔融沉积3D打印工艺过程能耗建模与优化研究摘要随着3D打印技术的快速发展,熔融沉积(FDM)作为众多3D打印技术工艺之一
与其它3D打印技术一样,其绿色制造性能受到了广泛的关注
为了制造出相同质量的模型,3D打印机消耗的电能比注塑成型高出50到100倍
此外,由于受到原理及工艺限制,采用FDM技术进行塑料制品打印时,耗时较长且仍然存在原材料浪费的情况
本文从熔融沉积3D打印机整个工艺过程能耗的角度分析了熔融沉积3D打印工艺过程的能耗,并从打印质量、打印效率和打印能耗这三个方面进行研究与优化
首先,介绍国内外3D打印机的发展现状和3D打印机能耗的研究现状,分析3D打印机工艺过程能耗研究的重要意义以及目前存在的问题
其次,围绕3D打印机打印系统进行分析,将3D打印机主要功能模块的能耗细化成机械部分、电子部分和软件部分
在分析了3D打印机主要功能模块后,对其能耗建立了数学模型,并针对桌面级3D打印机的整个流程对其工作能耗数据进行关联,建立了打印流程状态能耗分析模型以及时序关系的表达式,在此基础上建立了桌面级3D打印机BPMN能耗模型
再次,建立综合考虑打印效率、打印质量和打印能耗的熔融沉积3D打印工艺过程优化模型,并通过NSGA-II遗传算法对该模型进行优化求解
最后,以海贼王乔巴的模型为例,利用MATLAB对该模型进行多目标优化后选择出了一组较为理想的解,并通过本课题组自主研发的熔融沉积3D打印机进行打印
同时,利用高性能功率分析仪WT1800测出整个打印期间所消耗的电能,并与优化值进行比较,验证该多目标优化方案的可行性
关键词:3D打印;工艺过程;能耗模型;打印能耗;多目标优化AbstractWiththerapiddevelopmentof3Dprintingtechnology,FusedDepositionModeling(FDM)isoneofmanyprocesse