Чиллер для 3D-принтера по металлу (SLM): расчёт охлаждения

Чиллер для 3D-принтера по металлу (SLM, лазерное сплавление) считают по мощности и КПД лазеров: источник отдаёт воде всё, что не стало лучом, а сам луч превращается в тепло в камере построения, и его тоже снимает вода через охладитель защитного газа и платформу. Калькулятор посчитает холодопроизводительность по числу машин, лазеров и их мощности и покажет расход воды.

Откуда берётся тепло

• Источник излучения. Волоконный лазер превращает в луч 30–40 % потреблённой электроэнергии, остальное уходит в воду контура источника. У машины с четырьмя лазерами по 500 Вт это 3–5 кВт.
• Камера построения. Луч плавит порошок, и почти вся его энергия становится теплом платформы, стенок камеры и защитного газа. Аргон гоняют по кругу через фильтр и водяной охладитель, платформу и стенки тоже охлаждают водой: в воду уходит ориентировочно 70 % мощности луча, остальное — в воздух цеха.
• Сканаторы и электроника. Гальванометрические головки, блоки питания и шкаф управления дают ещё около 0,5 кВт на машину.
• Нагрев платформы. Подогрев до 100–200 °C включают в начале, и к нагрузке на чиллер он не добавляет: пока работает нагреватель, охлаждение платформы закрыто.

Лазеры для резки считают по той же логике в задаче о чиллере для лазерного станка; там луч уходит в деталь и в воздух, а у принтера остаётся в закрытой камере.

Формула

Q_и = n × P × (1 − η) / η / 1000

Q_к = 0,7 × n × P / 1000

Q = m × (Q_и + Q_к + 0,5) × (1 + k / 100)

G = Q / (1,163 × 5)

n — число лазеров в машине; P — мощность одного лазера, Вт; η — КПД источника в долях единицы, по таблице; Q_и — тепло от источников, кВт; Q_к — тепло из камеры построения в воду, кВт; 0,7 — доля мощности луча, которую снимает вода; 0,5 — сканаторы и электроника, кВт на машину; m — число машин на одном чиллере; k — запас, %; Q — холодопроизводительность чиллера, кВт; G — расход воды, м³/ч, при нагреве на 5 °C, как в расчёте мощности по расходу и температурам.

Воду для источников держат при 18–25 °C с точностью около ±1 °C: холоднее — на оптике и коннекторах выпадает конденсат, теплее — источник уходит в защиту. Такая вода теплее серийного ряда, поэтому чиллер для принтера подбирают индивидуально, обычно с двумя контурами, как для лазерного станка. Точку росы в цехе считают в расчёте теплоизоляции трубопроводов.

Пример расчёта

Одна машина с четырьмя волоконными лазерами по 500 Вт, КПД 35 %, вода 20 °C, запас 15 %.

1. Тепло от источников: 4 × 500 × (1 − 0,35) / 0,35 / 1000 = 3,714 кВт.
2. Тепло из камеры: 0,7 × 4 × 500 / 1000 = 1,40 кВт.
3. С электроникой: 3,714 + 1,40 + 0,5 = 5,614 кВт.
4. Холодопроизводительность: 5,614 × 1,15 = 6,456 кВт, округлённо 6,5 кВт.
5. Расход воды: 6,456 / (1,163 × 5) = 1,11 м³/ч.

Как выглядит установка на 6,5 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 6 кВт; температуру воды 20 °C там задают свою.

Типовые ошибки

• Считать только источник. Луч не исчезает в порошке: его энергия остаётся в камере, и без охладителя газа и платформы температура в ней растёт за часы печати. В примере камера добавляет 1,4 кВт к 3,7 кВт источников.
• Один чиллер на машины с разной водой. Источники требуют 20 °C с точностью в градус, охладитель газа и платформа довольствуются 15–25 °C. Если контуры общие, уставку выбирают по источникам; как делят контуры, рассказано в справочнике о гидромодуле чиллера.
• Остановка чиллера по протоку в середине печати. Деталь, которая печаталась двое суток, уходит в брак. Реле протока и фильтр контура проверяют по регламенту из справочника об обслуживании чиллера, а для нескольких машин ставят резерв по схеме модульного чиллера.
• Водопроводная вода в контуре. Каналы источника узкие, и соли и ржавчина их забивают. Контур заполняют подготовленной водой по справочнику о воде для чиллера, обычно с ингибитором от производителя лазера.