3D打印过程能耗建模与智能数据模型研究

The trend towards energy-intensive manufacturing with high quality of product and increased productivity is shaping China’s current manufacturing industry. The following issue of high energy consumption and serious pollution in this industry should be paid great attention to. A distinct manufacturing technology, namely 3D printing, has been widely and rapidly known to the public. Three basic advantages in production are recognised, that is, flexibility in product design, flexibility in fabrication and overall resource optimisation. However, the environmental impact of such a potential technology is unknown, and fundamental manufacturing process data, such as energy consumption, is missing. This project focuses on 3D printing processes, covering from finished product design to completed part fabrication and necessary cleaning. The main work is to establish an energy consumption model and a smart data modelling approach for 3D printing processes, including product model processing, printing parameter setting, and etc. A novel approach for energy analysis and intelligent decision-making is also proposed, considering material flow analysis and waste management. Moreover, energy data are modelled as an important data set, providing basic theory, practical calculation method and sufficient data support, especially for optimization of energy and material consumption, environmental impact assessment. The outcome of this research advances the sustainable development of 3D printing industry, bringing economic, social and environmental benefits.

我国制造业正处于向能量密集、高质量和高生产率的制造转型期，伴随的高能耗，高污染等产业问题也当引起重视。3D打印技术以其独特的制造方式快速地走入了公众的视线。它的产品生产具有三大基本优势：产品设计灵活、制造灵活和全局资源优化。然而，这一极具潜力的制造技术对环境的影响仍然不明确，制造过程能耗等基础数据仍旧缺乏。本项目以3D打印制造工艺过程为研究对象，从完成的产品设计开始，研究关于设计模型的切分处理，过程参数设置，直到产品离开3D打印设备完成清理的整个工艺过程的能耗模型与智能数据模型。同时，辅以物耗流分析与污染管理研究，针对加工任务动态并发加工的特点建立一套能耗分析与智能决策方法。此外，把能耗数据作为一类重要的信息进行数据建模，为优化3D打印过程能耗、物耗以及环境影响评估提供基础研究理论、实用计算分析方法和充足的数据支持，推动3D打印产业发展，实现产业经济、社会和环境三方面效益的可持续发展。

3D打印技术以其独特的工艺特点在复杂产品设计与加工中具有工业应用优势，但由于基础数据缺乏，对其过程能耗特征、影响因素及其影响机理的理解不足。本项目围绕3D打印技术可持续发展中的过程能耗的基础问题，剖析3D打印过程能耗影响因素及影响机理，针对FDM和SLM两个代表性工艺，建立了有效的3D打印工艺过程能耗模型，提出了一套能耗预测方法与环境影响评估的智能决策方法，积累了可用于能耗与性能联合分析的基础数据，为全生命周期分析提供数据和方法支持。在获得项目资助后，项目按照计划执行，进展良好。四个研究内容主要研究成果包括：（1）完成3D打印制造系统的能耗研究框架设计，详细阐述了3D打印全生命周期的能耗分解与特征；（2）揭示了FDM和SLM两种3D打印工艺参数对能耗的影响及其影响规律，提出了单位质量能耗和体能量密度为核心指标的能耗预测模型，建立了准确度与实用性相平衡的能耗模型和计算方法；（3）在总结影响3D打印能耗的多源数据基础上，首次将能耗预测与零件成形质量和性能进行联合分析，提出了性能生长趋势图GRT和有效能耗优选区E2O Zone两个分析工具，支持智能决策；（4）建立了能耗数据模型和信息集成方法，完成了3D打印大数据驱动的系统框架设计，并完成基于参数优化的能耗与质量联合研究案例。本项目属于基础研究，能耗预测模型与数据模型研究具有较好的应用前景，与质量的联合分析推动多个微观尺度的关键成形机理与稳定性问题的进一步的交叉学科科学研究。研究成果发表SCI检索论文5篇，EI检索论文5篇，书籍章节1章。先后参加6次本领域顶级学术会议并做学术报告，受邀参加中国机械工程学会年会青年论坛并做专题报告，连续三年受邀参加CIRP LCE会议国际科学委员会，研究进展与成果在国内外产生了积极的学术影响，促进了3D打印技术的绿色化发展。