[发明专利]一种熔融沉积3D打印能耗预测方法

说明书

本发明提供一种熔融沉积3D打印能耗预测方法，步骤为：S1、事先测量3D打印机的待机功率、不同热床温度下的床身预热能耗、不同喷头温度下的喷头预热能耗、非喷丝状态下各移动轴在不同运动速度下的功率、喷头不同吐丝速度下功率；S2、根据测量数据，建立待机能耗模型，床身预热能耗模型、喷头预热能耗模型、移动轴运动能耗模型、喷丝能耗模型；S3、将目标过程拆解成待机过程、床身预热过程、喷头预热过程、移动轴移动过程和喷丝过程等子过程；S4、根据能耗模型，计算各子过程能耗，求和得总过程能耗。本发明事先测量机器不同运行状态下的能耗数据，就能实现实际工作过程能耗预测，为增材制造的能效评价、能耗特性分析和能效优化提供重要支撑。

技术领域

本发明涉及增材制造技术，尤其涉及一种熔融沉积3D打印能耗预测方法。

背景技术

增材制造，也称3D打印，因操作简单、方便、安全的特点，在全球各个行业的应用已越来越广泛；另一方面，随着绿色发展、可持续制造的倡议，增材制造的能耗优化与能效提升也变得尤为重要。国内外众多院校与科研机构对增材制造的能效问题已展开深入地研究，例如，比利时鲁汶大学Karel教授团队、浙江大学彭涛教授团队、上海交通大学陆皓教授团队、武汉科技大学王强课题组、美国华盛顿大学Amit教授团队等。

增材制造能耗研究包括能耗特性、能耗预测、参数优化以及节能应用等方面，其中，增材制造能耗预测是能耗研究的数据基础。由于增材制造耗能元件多、打印方式多样、耗能规律复杂，且不同类型3D打印机加工同规格的工件所消耗的能量有所不同，即使相同类型的3D打印机加工同规格的工件所消耗的能量也不尽相同。故增材制造能耗预测是一大研究难题，如何具体地抽象出一种能够对增材制造能耗进行描述、实现预测的方法，不仅是现阶段能量效率相关研究的一个突破，同时还能为下一步增材制造的能耗限额和能级评定等理论提供依据和支持。

目前增材制造的能耗预测多为仿真方法且出现在论文中，如英国卡迪夫大学Hu等人提出了一种基于CNN-LSTM模型的能源消耗预测数据融合方法，苏州大学Ma等人提出了一种基于能耗分布的增材制造能耗预测及优化方法。专利方面也有相关研究，电子科技大学张培培等建立了基于LCA的通用能耗模型(专利申请号：CN202010568495.3)。这些能耗预测方法实施时往往存在涉及参数众多、操作过程纷繁等特点，给其工业应用带来了一定阻碍；为克服或避免上述技术缺陷，本专利拟提供一种易操作实用性强的熔融沉积3D打印能耗预测方法。

但目前关于3D打印机的研究主要集中在其作用以及对于它是否能在更多方面的应用等较为表面的研究，虽已取得大量成果，但还缺乏对其自身所的能耗的研究，更缺乏对3D打印机能耗的具体预测方法。如何具体的抽象出一种能够对3D打印机能耗进行描述与预测的方法，不仅是现阶段能量效率相关研究的一个突破，同时还能为下一步增材制造的能耗限额和能级评定等理论提供依据和支持。

发明内容

根据现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种熔融沉积3D打印能耗预测方法。

该方法是将熔融沉积3D打印过程分解为多个不同的基本动作，然后事先将各基本动作运动时的功率测出并建立相应能耗模型；预测时，再根据加工零件的设计信息(几何尺寸)，将目标过程拆分成若干基本动作，结合事先的能耗模型，计算出各基本动作能耗以及该零件理论打印的能量总消耗。

为实现以上目的，将整个过程分为事先功率测量及能耗建模和能耗预测两个板块。事先功率测量和能耗建模则是将每个基本动作运动时的功率分别测量，然后基于这些测量结果对每个基本动作进行数据拟合建模；能耗预测则是根据加工零件的特性将目标运动过程拆分成若干基本动作，并计算各动作能耗以及全过程能耗。

一、功率测量与能耗建模

1)待机功率测量及建模

测量机器启动，其他动作不发生改变时的功率P_MS，取其平均值，按式(1)建立待机能耗模型：

p_MS＝C (1)