A szénlábnyom csökkentésére szolgáló additív technológiák módszereit is megvizsgálják. Bemutatjuk a termelési folyamatok optimalizálására szolgáló módszereket a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése érdekében. A nyomtatási mód leírása meg van adva. Váza módban a Stereotech hazai 5D nyomtatási technológiájának alkalmazását vizsgálják, és bemutatják a Colossus (Belgium) külföldi tapasztalatait a zártláncú gazdaság keretében.

Bevezetés

Az additív gyártás egy olyan gyártási megközelítések összessége, amelyekkel digitális modellből háromdimenziós tárgyakat állítanak elő, jellemzően rétegenkénti anyag hozzáadásával. A nyomtatáshoz használt elsődleges anyag a műanyag, de fémeket, kerámiát, üveget és más anyagokat is használnak. A 3D nyomtatásnak számos alkalmazása van különböző iparágakban, például az orvostudományban, az autóiparban és a repülésben, a tervezésben és az építészetben. Lehetővé teszi prototípusok, alkatrészek és akár transzplantációs szervek gyors és precíz létrehozását. [1]. Minden előnye ellenére a 3D nyomtatási folyamat elektromos áramot igényel, ami szén-dioxid és más káros anyagok kibocsátásához vezethet. Is
Speciális anyagok, például műanyagok, fotopolimer gyanták, kompozit anyagok használata környezetszennyezéshez vezethet [2]. Így a 3D nyomtatás szén-dioxid-kibocsátásának csökkentésében a fő hangsúlyt az energiafogyasztás (nyomtatási idő) és a fogyóeszközök jelentik. Nézzük meg, hogyan lehet csökkenteni az additív gyártás szénlábnyomát a folyamatok optimalizálásával.

3D modell optimalizálása

Egy 3D modell optimalizálása időt és anyagot takarít meg a felesleges alkatrészek csökkentésével és a modell szerkezetének javításával. Például a felesleges alkatrészek eltávolítása vagy a poligonok számának csökkentése csökkentheti a nyomtatási időt és az anyagfelhasználást. Erre a célra egy speciális 3D nyomtatási módot, a Váza módot fejlesztették ki. A Váza mód egy speciális 3D nyomtatási mód, amely sima, egyenletes, vázára emlékeztető tárgyak létrehozására szolgál. Ebben a módban csak egy réteg kerül nyomtatásra a modell teljes magasságában, a belső tér kitöltése vagy rétegek létrehozása nélkül. Ez csökkenti a nyomtatási időt és az anyagfelhasználást, mivel nincs szükség több réteg létrehozására vagy belső üregek kitöltésére. A Váza módban történő nyomtatás bizonyos beállításokat igényel, például a falvastagságot és a nyomtatási sebességet. Fontos az is, hogy a modellt megfelelően elő kell készíteni a nyomtatás előtt, hogy készen álljon erre a módra:

  • Ellenőrizd a modellt zárt üregek és metszéspontok szempontjából;
  • Ellenőrizze a 3D-s modellt, hogy nincsenek-e túlnyúló elemek, amelyek függőlegeshez viszonyított szöge
    legfeljebb 35 gramm. Ebben az esetben legfeljebb 45 fokos szögek megengedettek egy kis, legfeljebb 20 cm hosszú vízszintes területen, ha a tényleges 3D nyomtatási vonal nagy szélességét használják;
  • Ellenőrizze a modellt a vágási program hibái szempontjából. Különösen akkor, ha a szélességet helytelenül választották meg
    A vonalak és a rétegmagasságok lyukakat eredményezhetnek a késztermékben, ami nemcsak hiba, hanem hibát is okozhat a felette lévő rétegek lerakásakor.

A Váza mód használatának eredménye egy nagyméretű műtárgy készítésének példáján látható.
társaság Studia3D.com (Moszkva, https://studia3d.com) a Cserjomuskinszkij piacon (Moszkva) – nők, akik a természet különféle ajándékait testesítik meg. Az 1. ábra a teljes modell egyik legyártott elemét mutatja, amelyet Colossus 3D nyomtatón nyomtattak FGF technológiával. Ez az elem 1,5 méter magas (a szerkezet teljes magassága 5 méter). Az elem 3D nyomtatása Váza módban 30 órát vett igénybe, ami 12-szer kevesebb időt vesz igénybe, mint a mód nélküli 3D nyomtatás.

Rizs. 1. Nagyméretű műtárgy 3D nyomtatása Váza módban
üzemmód

A vezérlőprogram és a nyomtatási terv optimalizálása (FDM2 példaként)
technológiák)

Minden 3D nyomtatás egy 3D modellel kezdődik, amelyet egy szakember fejleszt ki az adott 3D nyomtatási igényekre, figyelembe véve a kiválasztott gyártási technológiát és anyagot. Egy XNUMXD nyomtatónak azonban nem modellre van szüksége, hanem egy speciális kódra (G-kód), amelyet egy folyamatmérnök fejleszt ki az eredeti modellből. Ez a kód teljes körű információkat tartalmaz a nyomtatófej mozgásáról, sebességéről, rétegmagasságáról és egyéb paraméterekről. Továbbá a folyamatmérnök határozza meg a modell optimális tájolását a nyomtatási platformon, ahol a kulcsfontosságú mutató a hordozóanyag minimális felhasználása és az eszköz munkatérfogatának maximális kihasználása.

A vezérlőprogram optimalizálása lehetővé teszi:

a) az anyagfelhasználás csökkentése a támasztóanyag használatának csökkentésével b) a nyomtatási idő csökkentése a nyomtatási térfogat hatékony kitöltésével. Ez utóbbi annak köszönhető, hogy átlagosan körülbelül fél órát vesz igénybe a gép munkára való előkészítése (a munkaasztal felmelegítése, kalibrálás stb.), és ugyanennyi időt vesz igénybe a nyomtatás utáni asztal lehűtése és feldolgozása. Egy optimálisan megtervezett nyomtatási terv időt és anyagi erőforrásokat szabadít fel, ami közvetlenül befolyásolja a vállalkozás által generált szénlábnyomot.

A nyomtatási terv hatékony optimalizálásának egyik példája a vállalat megoldása Studia3D.com. A világjárvány alatt a cég nagy megrendelést kapott védőképernyők gyártására egy moszkvai egészségügyi intézmény számára. A védőképernyő egy redőnyből és egy tartóból áll, utóbbit 3D nyomtatással, FDM technológiával, PET-G3 műanyagból készítették. Kezdetben minden tartót külön nyomtattak, ami jelentősen megnövelte
nyomtatási idő és az általános energiaköltségek, ezért úgy döntöttek, hogy optimalizálják a modellt és a vezérlést
program több tartó egymásra nyomtatásához egyszerre. Ez az optimalizálás lehetővé tette számunkra, hogy a kötegelt nyomtatási időt hatszorosára csökkentsük (6. ábra).

Rizs. 2. Példa a vezérlőprogram optimalizálására és
nyomtatási terv

Generatív tervezés (SLM nyomtatás példaként).

Generatív tervezés [3] – egy olyan tervezési megközelítés, amely algoritmusokat és számítógépet használ
programok formák, textúrák és egyéb tervezési elemek létrehozására. Ebben a megközelítésben egy személy állítja be a paramétereket (egy projekt, egy modell esetében), és egy neurális hálózatokon alapuló program fogadja, elemzi, összehasonlítja ezeket az adatokat, rangsorolja és javítja az eredményeket. Ezután a személy kiválasztja a rendszer által javasolt lehetőségek közül a legjobbat. Az algoritmusok segítik az építészeket és a tervezőket a munkájukban. Egy generatív neurális hálózat feladata, hogy valami újat, általánosat (átlagosat) generáljon, ami a legtöbb szolgáltatást igénybe vevő számára tetszik. Ahhoz, hogy egy ilyen algoritmus működjön, a hálózatot először különféle tervezési megoldások segítségével kell betanítani. Más szóval, a generatív tervezés lehetővé teszi a tervező, építész, tervező vagy kivitelező rutinmunkájának automatizálását. A generatív tervezés különösen hasznos lehet a 3D nyomtatásban, ahol olyan összetett és egyedi formák létrehozására használják, amelyeket nehéz vagy lehetetlen kézzel létrehozni. A generatív tervezés során a 3D nyomtatás használatakor kiválasztott fő paraméterek a termék szilárdsági jellemzőinek megőrzése a termék súlyának minimalizálása mellett. Ez annak köszönhető, hogy a fém 3D nyomtatás iránti fő kereslet a repülőgépiparból, a rakétaiparból, a repülőgépiparból és a hajógyártásból származik. Ezekben az iparágakban nemcsak működőképes, tartós, hanem a lehető legkisebb súlyú alkatrész beszerzése is szükséges. [4]. A generatív tervezés lehetővé teszi az alkatrész nem funkcionális térfogatának eltávolítását a termék szilárdsági jellemzőinek megőrzése mellett, ami a nyomtatási idő, az anyagfogyasztás és a termék végső költségének csökkenéséhez vezet (3. ábra). Figyelemre méltó, hogy a generatív tervezés használata nemcsak a 3D nyomtatási folyamat optimalizálását teszi lehetővé, hanem a funkcionális jellegű piaci igények kielégítését is, ami nem annyira gyakori a kereskedelmi célú környezetbarát megoldások növelésében.
vállalkozások.

Rizs. 3. Példa az alkatrész topológia optimalizálására

Új gyártási technológiák – 5D nyomtatás

Bár a 3D nyomtatás egy új gyártási technológia, megvannak a maga kihívásai
fejlett technológiák, mint például az 5D nyomtatás, amelyet a Stereotech fejlesztett ki (Volgográd, https://5dtech.pro/). Az 5D nyomtatás öttengelyes nyomtatásra utal, amelynek technológiáját először Oroszországban szabadalmaztatták, és a Stereotech CE megfelelőségi tanúsítványt is kapott a gyártott termékek teljes sorára. Az öttengelyes 3D nyomtatással a nyomtatófej fel és le, balra és jobbra, előre és hátra mozoghat, valamint két további tengely körül foroghat, lehetővé téve az anyagszálak átfedését, ezáltal növelve a termék szakítószilárdságát. Lehetővé teszi összetettebb formájú és kontúrú objektumok létrehozását is. Így a Metalloobrabotka-2023 kiállításon a vállalat az egyik gyártott termék példáján keresztül mutatta be a fogyóeszközök és a nyomtatási idő megtakarítása terén elért eredményeit.
termékek. Az 5D nyomtatási technológia 59%-kal megtakarította a fogyóeszközöket és csökkentette a gyártási időt
kétszer (4. ábra).

Rizs. 4. Példa az erőforrás-megtakarításra használat esetén
5D nyomtatás

3D nyomtatás a körforgásos gazdaságban

A Colossus cég (Belgium, https://www.colossusprinters.com/) kiadta a legnagyobb hordozható...
Egy csavaros extruderrel ellátott 3D nyomtató, amely lehetővé teszi az újrahasznosított szemcsés anyagokból történő nyomtatást, ami jelentősen leegyszerűsíti az újrahasznosítási folyamatot. Ezenkívül a Colossus tagja az európai The one project konzorciumnak (https://www.theoneproject.eu), amely a termelés modernizálásával foglalkozik.
hulladék-újrahasznosítási technológiákat alkalmazó telephelyek különböző iparágak számára.

A vállalat már bejelentett egy hulladékmentes additív gyártásra irányuló projektet egy zártláncú gazdaság keretében. A vállalat eddig a következőket valósította meg: a) az első APET szálat, amely 100%-ban újrahasznosított, zártláncú gazdaság keretében; b) az első 100%-ban zárt hurkú valós idejű szortírozás rPET esetében [5];
c) Az első hordozható, nagyméretű 3D nyomtató, az FGF Colossus, amelyet újrahasznosított anyagokhoz terveztek. A vállalat egy moduláris kialakítás kidolgozását tervezi, amely hordozható konténerekben található, és bárhol telepíthető. Lehetővé teszi mindenféle bordázott vagy fóliás műanyag helyszíni feldolgozását akár 500 kg/h kapacitással.

Következtetés

Megoldások a szénlábnyom csökkentésére additív technológiák alkalmazásával
jelentős tartalékra utal az iparágban. A 3D nyomtatás környezetbarát jellegének javítására irányuló fő irányok
mind a közvetlen energiafogyasztás, mind a fogyóeszközök csökkentett felhasználása szerepet játszik. Ezek az intézkedések a 3D modell optimalizálásával, a nyomtatási tervvel és a generatív tervezés használatával valósíthatók meg. Érdemes megjegyezni, hogy az olyan fejlett technológiák, mint az 5D nyomtatás, új lehetőségeket nyitnak meg az additív gyártás szén-dioxid-kibocsátásának csökkentése területén.

Referenciák

  1. Zakharov N. A. Additív technológiák az iparban // Automatizálás az iparban. 2022. 4. szám.
  2. Pilz T., Nunes B., Maceno M., Cleto M. és Seleme R. Az additív és a hagyományos gyártás összehasonlító tanulmányainak szisztematikus elemzése, a logisztikai műveletek környezeti teljesítményére összpontosítva. Gestão & Produção, 2020. 27 (3), e5289. DOI: 10.1590/0104-530X5289-20
  3. Pakhtaeva A. Ya. A generatív tervezés módszerei // NOEMA. 2021. 2. szám (7).
  4. Karpova T. Hatékony esettanulmányok a légiközlekedési ipar számára // Additív technológiák. 2023. 3. szám.

Anna Nikolaevna Degtyareva – a NUST MISIS posztgraduális hallgatója, Studia3D — Maxim Eduardovich Sapelkin fejlesztési főigazgató-helyettes — a NUST MISIS végzős hallgatója, a JSC RASU projektmenedzsere, Oleg Valentinovich Golubev — PhD mérnöki tudományokban, docens, NUST MISIS. E-mail: anvishnevskay@mail.ru

  1. Az FGF (Fused Granulate Fabrication) egy extrudáláson alapuló 3D nyomtatási módszer, amelynek során a műanyag granulátumokat (műanyag pelleteket) megolvasztják és egy fúvókán keresztül préselik.
  2. Az FDM (Fused Deposition Modeling) egy rétegenkénti leválasztással történő nyomtatási módszer.
  3. PET-G — polietilén-tereftalát-glikol (PETG).
  4. SLM (szelektív lézeres olvasztás)
  5. Az rPET (újrahasznosított polietilén-tereftalát) egy újrahasznosított műanyag, amelyet PET-ből (polietilén-tereftalát) készítenek.