Es werden Methoden zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks durch additive Technologien betrachtet. Es werden Methoden zur Optimierung des Produktionsprozesses zur Reduzierung der CO2-Emissionen vorgestellt. Die Beschreibung des Druckmodus erfolgt Im Vase-Modus wird die Anwendung der inländischen 5D-Drucktechnologie von Stereotech betrachtet und die Auslandserfahrung von Colossus (Belgien) im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft vorgestellt.

Einführung

Additive Fertigung ist eine Reihe von Herstellungsverfahren zur Erzeugung dreidimensionaler Objekte aus einem digitalen Modell, typischerweise durch schichtweises Auftragen von Material. Hauptsächlich wird Kunststoff verwendet, aber auch Metalle, Keramik, Glas und andere Werkstoffe kommen zum Einsatz. Der 3D-Druck findet in verschiedenen Branchen wie Medizin, Automobil- und Luftfahrtindustrie, Design und Architektur vielfältige Anwendung. Er ermöglicht die schnelle und präzise Herstellung von Prototypen, Ersatzteilen und sogar Organen für Transplantationen. [1]. Trotz aller Vorteile erfordert der 3D-Druckprozess den Einsatz von Elektrizität, was zur Freisetzung von Kohlendioxid und anderen schädlichen Substanzen führen kann. Auch
Die Verwendung spezieller Materialien wie Kunststoffe, Photopolymerharze und Verbundwerkstoffe kann zu Umweltverschmutzung führen [2]. Daher liegen die Hauptschwerpunkte bei der Reduzierung der CO3-Emissionen beim XNUMXD-Druck auf dem Energieverbrauch (Druckzeit) und den Verbrauchsmaterialien. Sehen wir uns Möglichkeiten an, den COXNUMX-Fußabdruck in der additiven Fertigung durch Optimierung der Prozesse zu reduzieren.

3D-Modelloptimierung

Die Optimierung eines 3D-Modells spart Zeit und Material, indem unnötige Teile entfernt und die Modellstruktur verbessert werden. Beispielsweise lassen sich Druckzeit und Materialverbrauch durch das Entfernen überflüssiger Teile oder die Reduzierung der Polygonanzahl verringern. Für diesen Zweck wurde ein spezieller 3D-Druckmodus entwickelt: der Vasenmodus. Dieser Modus dient der Erstellung glatter, gleichmäßiger Objekte, die an eine Vase erinnern. Dabei wird nur eine Schicht über die gesamte Höhe des Modells gedruckt, ohne den Innenraum zu füllen oder weitere Schichten zu erzeugen. Dies reduziert Druckzeit und Materialverbrauch, da keine mehreren Schichten erstellt oder Hohlräume gefüllt werden müssen. Für den Druck im Vasenmodus sind bestimmte Einstellungen erforderlich, wie z. B. Wandstärke und Druckgeschwindigkeit. Außerdem ist eine sorgfältige Vorbereitung des Modells vor dem Druck wichtig, damit es für diesen Modus geeignet ist.

  • Überprüfen Sie das Modell auf geschlossene Hohlräume und Kreuzungen.
  • Überprüfen Sie das 3D-Modell auf das Fehlen überhängender Elemente, deren Winkel zur Vertikalen
    nicht mehr als 35 g. Dabei sind in einem kleinen Bereich von maximal 45 cm horizontaler Länge bei großer Breite der eigentlichen 20D-Drucklinie Winkel bis zu 3 Grad zulässig;
  • Überprüfen Sie das Modell auf Fehler im Schneideprogramm. Insbesondere wenn die Breite falsch gewählt ist
    Durch die unterschiedlichen Linien und Schichthöhen können Löcher im fertigen Produkt entstehen, was nicht nur einen Mangel darstellt, sondern auch zu einem Fehler beim Verlegen der darüberliegenden Schichten führen kann.

Das Ergebnis der Verwendung des Vasenmodus kann am Beispiel der Herstellung eines großen Kunstobjekts gesehen werden.
Firma Studia3D.com (Moskau, https://studia3d.com) auf dem Tscherjomuschkinski-Markt (Moskau) – Frauen, die verschiedene Gaben der Natur verkörpern. Abbildung 1 zeigt eines der gefertigten Elemente des Gesamtmodells, das mit einem Colossus 3D-Drucker und FGF-Technologie gedruckt wurde. Dieses Element ist 1,5 Meter hoch (die Gesamthöhe der Struktur beträgt 5 Meter). Der 3D-Druck dieses Elements im Vasenmodus dauerte 30 Stunden, was 12-mal weniger Zeit ist als im herkömmlichen 3D-Druck.

Reis. 1. 3D-Druck eines großen Kunstobjekts im Vasenmodus
Modus

Optimierung des Steuerprogramms und Druckplans (am Beispiel FDM2)
Technologien)

Jeder 3D-Druck beginnt mit einem 3D-Modell, das von einem Spezialisten für spezifische 3D-Druckanforderungen unter Berücksichtigung der ausgewählten Produktionstechnologie und des Materials entwickelt wird. Ein XNUMXD-Drucker benötigt allerdings kein Modell, sondern einen speziellen Code (G-Code), der von einem Verfahrenstechniker aus dem Urmodell entwickelt wird. Dieser Code enthält vollständige Informationen zur Bewegung des Druckkopfs, zur Geschwindigkeit, zur Schichthöhe und zu anderen Parametern. Darüber hinaus ermittelt der Verfahrenstechniker die optimale Ausrichtung des Modells auf der Druckplattform. Dabei kommt es vor allem auf die minimale Verwendung von Stützmaterial und die maximale Ausnutzung des Arbeitsvolumens des Geräts an.

Die Optimierung des Steuerungsprogramms ermöglicht:

a) Reduzieren Sie den Materialverbrauch, indem Sie weniger Stützmaterial verwenden. b) Reduzieren Sie die Druckzeit, indem Sie das Bauvolumen effizient füllen. Letzteres liegt daran, dass die Vorbereitung der Maschine für den Betrieb (Aufheizen des Arbeitstisches, Kalibrierung usw.) im Durchschnitt etwa eine halbe Stunde dauert und das Abkühlen und Bearbeiten des Tisches nach dem Drucken die gleiche Zeit in Anspruch nimmt. Durch eine optimale Druckplanung werden sowohl Zeit- als auch Materialressourcen freigesetzt, was sich direkt auf die CO2-Bilanz des Unternehmens auswirkt.

Ein Beispiel für eine effektive Optimierung des Druckplans ist die Lösung des Unternehmens Studia3D.com. Während der Pandemie erhielt das Unternehmen einen Großauftrag zur Herstellung von Schutzwänden für eine Moskauer medizinische Einrichtung. Die Schutzscheibe besteht aus einer Blende und einer Halterung, letztere wurde im 3D-Druckverfahren mittels FDM-Technologie aus PET-G3-Kunststoff hergestellt. Zunächst wurde jeder Halter einzeln gedruckt, was die
Druckzeit und Gesamtenergiekosten, so wurde beschlossen, das Modell zu optimieren und zu steuern
Programm zum gleichzeitigen Drucken mehrerer Halter übereinander. Durch diese Optimierung konnten wir die Gesamtzeit für den Stapeldruck um das Sechsfache reduzieren (Abb. 6).

Reis. 2. Beispiel für die Optimierung des Steuerungsprogramms und
Druckplan

Generatives Design (am Beispiel des SLM-Drucks).

Generatives Design [3] — ist ein Designansatz, der Algorithmen und Computer nutzt
Programme zum Generieren von Formen, Texturen und anderen Designelementen. Bei diesem Ansatz legt eine Person die Parameter (eines Projekts, eines Modells) fest und ein auf neuronalen Netzwerken basierendes Programm empfängt, analysiert und vergleicht diese Daten, bewertet und verbessert die Ergebnisse. Anschließend wählt die Person aus den vom System vorgeschlagenen Optionen die beste aus. Algorithmen unterstützen Architekten und Designer bei ihrer Arbeit. Die Aufgabe eines generativen neuronalen Netzwerks besteht darin, etwas Neues, Allgemeines (Durchschnittliches) zu generieren, das den meisten Servicekunden gefällt. Damit ein solcher Algorithmus funktioniert, muss das Netzwerk zunächst mithilfe verschiedener Designlösungen trainiert werden. Mit anderen Worten: Generatives Design ermöglicht Ihnen die Automatisierung der Routinearbeit eines Designers, Architekten, Planers oder Konstrukteurs. Generatives Design kann insbesondere beim 3D-Druck nützlich sein, wo es zur Erstellung komplexer und einzigartiger Formen eingesetzt wird, die von Hand nur schwer oder gar nicht zu erstellen sind. Die wichtigsten Parameter, die beim generativen Design unter Verwendung des 3D-Drucks ausgewählt werden, sind die Beibehaltung der Festigkeitseigenschaften des Produkts bei gleichzeitiger Minimierung des Produktgewichts. Dies liegt daran, dass die Hauptnachfrage nach 3D-Metalldruck aus der Luft- und Raumfahrt-, Raketen-, Flugzeug- und Schiffbauindustrie kommt. In diesen Branchen ist es notwendig, nicht nur ein funktionierendes, langlebiges Teil zu erhalten, sondern auch ein Teil mit möglichst geringem Gewicht. [4]. Durch generatives Design können nicht funktionale Teile entfernt werden, während die Festigkeitseigenschaften des Produkts erhalten bleiben. Dies führt zu einer Reduzierung der Druckzeit, des Materialverbrauchs und der Endkosten des Produkts (Abb. 3). Es ist bemerkenswert, dass der Einsatz von generativem Design nicht nur die Optimierung des 3D-Druckprozesses ermöglicht, sondern auch die Befriedigung funktionaler Marktbedürfnisse ermöglicht, was bei der Verbesserung der Umweltfreundlichkeit kommerzieller Produkte nicht so üblich ist.
Unternehmen.

Reis. 3. Beispiel für eine Teiletopologieoptimierung

Neue Fertigungstechnologien – 5D-Druck

Obwohl der 3D-Druck eine neue Fertigungstechnologie ist, bringt er seine eigenen Herausforderungen mit sich
fortschrittliche Technologien wie 5D-Druck, entwickelt von Stereotech (Wolgograd, https://5dtech.pro/). Unter 5D-Druck versteht man den Fünf-Achsen-Druck, dessen Technologie erstmals in Russland patentiert wurde. Stereotech hat außerdem für die gesamte Produktlinie ein CE-Konformitätszertifikat erhalten. Beim fünfachsigen 3D-Druck kann sich der Druckkopf nach oben und unten, nach links und rechts, vorwärts und rückwärts bewegen und um zwei zusätzliche Achsen rotieren, wodurch sich die Materialfilamente überlappen und so die Zugfestigkeit des Produkts erhöht wird. Außerdem können Sie damit Objekte mit komplexeren Formen und Konturen erstellen. So präsentierte das Unternehmen auf der Ausstellung Metalloobrabotka-2023 seine Erfolge in Bezug auf die Einsparung von Verbrauchsmaterialien und Druckzeit am Beispiel eines der hergestellten
Produkte. Durch die 5D-Drucktechnologie konnten 59 % der Verbrauchsmaterialien eingespart und die Produktionszeit verkürzt werden
zweimal (Abb. 4).

Reis. 4. Beispiel für Ressourceneinsparung bei der Verwendung
5D-Druck

3D-Druck in einer Kreislaufwirtschaft

Die Firma Colossus (Belgien, https://www.colossusprinters.com/) hat den größten tragbaren
Ein 3D-Drucker mit Schneckenextruder, der das Drucken aus recycelten Granulaten ermöglicht, was den Recyclingprozess erheblich vereinfacht. Darüber hinaus ist Colossus Mitglied des europäischen Konsortiums The one project (https://www.theoneproject.eu), das sich mit der Modernisierung der Produktion beschäftigt
Standorte, die Abfallrecyclingtechnologien für verschiedene Branchen nutzen.

Das Unternehmen hat bereits ein Projekt zur abfallfreien additiven Fertigung im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft angekündigt. Bis heute hat das Unternehmen Folgendes umgesetzt: a) den ersten APET-Faden, der im Rahmen einer Kreislaufwirtschaft zu 100 % recycelt wird; b) die erste 100%ige Closed-Loop-Sortierung in Echtzeit für rPET [5];
c) Der erste tragbare 3D-Großdrucker FGF Colossus, konzipiert für recycelte Materialien. Das Unternehmen plant die Entwicklung eines modularen Designs in tragbaren Containern, das überall installiert werden kann. Es ermöglicht die Verarbeitung aller Arten von Rippen- oder Folienkunststoffen vor Ort mit einer Kapazität von bis zu 500 kg/h.

Fazit

Lösungen im Bereich der Reduzierung des CO2-Fußabdrucks durch additive Technologien
deuten auf eine erhebliche Reserve in der Branche hin. Die wichtigsten Richtungen zur Verbesserung der Umweltfreundlichkeit des 3D-Drucks
Dabei spielen sowohl der direkte Energieverbrauch als auch die reduzierte Nutzung von Verbrauchsmaterialien eine Rolle. Umgesetzt werden können diese Maßnahmen durch die Optimierung des 3D-Modells, des Druckplans und den Einsatz von generativem Design. Es ist erwähnenswert, dass fortschrittliche Technologien wie der 5D-Druck neue Möglichkeiten im Bereich der Reduzierung der Kohlenstoffemissionen in der additiven Fertigung eröffnen.

Referenzen

  1. Zakharov N. A. Additive Technologien in der Industrie // Automatisierung in der Industrie. 2022. Nr. 4.
  2. Pilz T., Nunes B., Maceno M., Cleto M. und Seleme R. Systematische Analyse von Vergleichsstudien zwischen additiver und konventioneller Fertigung mit Schwerpunkt auf der Umweltleistung von Logistikvorgängen. Gestão & Produktion, 2020. 27(3), e5289. DOI: 10.1590/0104-530X5289-20
  3. Pakhtaeva A. Ya. Methoden des generativen Designs // NOEMA. 2021. Nr. 2 (7).
  4. Karpova T. Effektive Fälle für die Luftfahrtindustrie // Additive Technologien. 2023. Nr. 3.

Anna Nikolaevna Degtyareva – Doktorandin an der NUST MISIS, Studia3D — Stellvertretender Generaldirektor für Entwicklung, Maxim Eduardovich Sapelkin — Doktorand an der NUST MISIS, Projektmanager bei JSC RASU, Oleg Valentinovich Golubev — Doktor der Ingenieurwissenschaften, Dozent an der NUST MISIS. E-Mail: anvishnevskay@mail.ru

  1. FGF (Fused Granulate Fabrication) ist ein auf Extrusion basierendes 3D-Druckverfahren, bei dem Kunststoffgranulat (Kunststoffpellets) geschmolzen und durch eine Düse gepresst wird.
  2. FDM (Fused Deposition Modeling) ist ein Druckverfahren, bei dem Schicht für Schicht Material aufgetragen wird.
  3. PET-G — Polyethylenterephthalatglykol (PETG).
  4. SLM (Selektives Laserschmelzen)
  5. rPET (recyceltes Polyethylenterephthalat) ist ein recycelter Kunststoff, der aus PET (Polyethylenterephthalat) hergestellt wird.