選區(qū)激光熔化SLM過程中打印腔室氣體均勻性分析
選區(qū)激光熔化（SLM）金屬3D打印過程中，惰性氣體的流動情況對所構(gòu)建的零件的關(guān)鍵屬性（孔隙率和壓縮強(qiáng)度）會發(fā)生一定程度的影響。通過提高對腔室中的氣體流量分布的控制能力，能夠生產(chǎn)更緊密和質(zhì)量層面更高再現(xiàn)性的零件。本期《選區(qū)激光熔化SLM過程中打印腔室氣體均勻性分析》，通過安世亞太對打印腔室的流場的重點(diǎn)研究，對設(shè)計(jì)做出指導(dǎo)性建議，保證打印腔室內(nèi)的環(huán)境問題，提高打印效率與質(zhì)量。涉及到的流體研究主要包括：入口均勻性分析，廢氣置換管路分析，腔體內(nèi)部氣體均勻性，惰性氣體置換，燒結(jié)煙氣仿真以及機(jī)箱散熱分析。
安世亞太通過仿真分析確認(rèn)了腔體的氣體流動性和速度均勻度與預(yù)期設(shè)計(jì)基本符合。使用仿真手段分析腔體內(nèi)部的流場，可以對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)尺寸等做指導(dǎo)性建議與優(yōu)化。
仿真對象
安世亞太在本文中針對某款金屬機(jī)的打印腔室進(jìn)行氣體均勻性的仿真驗(yàn)證，以期對入口或者出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。此款打印腔體外部尺寸長550mm、寬635、高428mm，打印區(qū)域?yàn)橹睆?80mm的圓形。考慮到鋪粉器在不同位置時(shí)的入口氣體均勻性和平臺氣流速度均勻性有所不同，目前僅研究考慮鋪粉器在初始位置時(shí)的情況，本文主要關(guān)注入口結(jié)構(gòu)與出口結(jié)構(gòu)，所以將入口與出口的管道截取200mm，在模型設(shè)置中將進(jìn)出口面設(shè)置在此處，如圖2所示。
下入口結(jié)構(gòu)填充了過渡風(fēng)道以及流量分配筋，與腔室連接部分尺寸較窄，如圖三所示，上入口設(shè)計(jì)相較于下入口，連接出尺寸較大，如圖4所示。出口結(jié)構(gòu)也加入了過渡風(fēng)道設(shè)計(jì)，如圖5所示。
圖1（左）打印腔室整體流體模型
圖2（右）本文所用打印腔室模型
圖3（左）腔體氣循環(huán)下入口（加入坡道與流量分配筋）
圖4（右）腔體氣循環(huán)上入口
圖 5 DS1-280機(jī)型腔體氣循環(huán)出口
仿真內(nèi)容
對于基準(zhǔn)模型進(jìn)行了如下假設(shè)：進(jìn)入支路的流量按照整體為100%并按比例分配進(jìn)行假設(shè)，上管路與下管路流速之和為主管路流速。從主管路進(jìn)入支路的速度型分布不同，由于流動發(fā)生轉(zhuǎn)彎，截面上的速度分布肯定不均勻，但為了簡化計(jì)算起見，假設(shè)支路的速度入口條件是均勻流動。由于惰性氣體流速較低，可以按照不可壓縮流體計(jì)算，管路出口的邊界條件可以使用壓力出口，相對靜壓值為0Pa。而根據(jù)實(shí)測人員提供的實(shí)際氣流速度，本文在計(jì)算時(shí)使用主管路的流速為4.65m/s，上風(fēng)管流速為2.43m/s，下管路無測量值，假設(shè)下管道流速是剩余分配量流速為2.22m/s。
1. 網(wǎng)格處理
使用四面體劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為5049002，最大網(wǎng)格畸率為0.84，如圖6所示。
圖6 基準(zhǔn)案例網(wǎng)格整體
2. 仿真分析結(jié)果分析
工況1-結(jié)果
- 腔體內(nèi)流動性
結(jié)果重點(diǎn)展示速度云圖，顯示面為XY上截面（Z=-0.1788 m）、XY下截面（Z=-0.5168 m）、YZ截面（X=-0.0218m）和XZ截面（Y=0.3186 m）四個(gè)位置，截面見圖7-9。
XY截面 （橘色）位于兩個(gè)氣體管道入口中心的位置，，便于觀察入口裝置及整個(gè)成型室內(nèi)的水平方向的流場結(jié)果。YZ截面（綠色）位于模型X方向中心位置，便于觀察入口裝置及整個(gè)成型室內(nèi)的豎直方向的流場結(jié)果。XZ截面（黃色）位于穿過29個(gè)圓柱形孔洞中心面的位置，便于觀察惰性氣體半圓盤區(qū)域穿過圓柱形孔洞流向腔體的流場結(jié)果。
圖 7 (左) XY截面位置示意圖
圖 8（中） YZ截面位置示意圖
圖 9（右） XZ截面位置示意圖
從XY下截面的速度云圖，圖10可以看出，在離開入口裝置進(jìn)入成型室時(shí)，速度分布并不均勻，由于下入口進(jìn)入腔體的結(jié)構(gòu)變窄，可以看到速度在進(jìn)入腔體時(shí)有一個(gè)很高的擠壓區(qū)且流速較高，進(jìn)入腔體后速度逐漸減小并變均勻但仍有明顯的速度分區(qū)，在此認(rèn)為與入口結(jié)構(gòu)過窄有關(guān)，在腔體中間區(qū)域均勻性最好。由于受到分粉器位置影響，氣流結(jié)構(gòu)不對稱。
從XY上截面的速度云圖，圖11可以看出上方與下截面類似的趨勢，進(jìn)入腔體中心位置后逐漸均勻。由于XY上截面位于分粉器上部，受到分粉器阻擋作用較小，沒有明顯的氣流結(jié)構(gòu)不對稱。
圖 10 （左）XY下截面速度云圖（速度上下限0到1.5m/s）
圖 11 （右）XY上截面速度云圖（速度上下限0到1.5m/s）
從YZ截面的速度云圖，圖12可以看出，惰性氣體離開下方出口裝置進(jìn)入成型室內(nèi)，有一個(gè)向下掃掠打印底板的效果，氣流分層明顯且每一層的均勻度也較高，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。從YZ截面流線圖，圖13可以看到上方氣體入口在隔板中受到阻擋向下流動，遇到下方氣流，形成擾動渦流，且在腔體角落里渦流明顯，在接近出口地方形成了較多的擾動，認(rèn)為與出口結(jié)構(gòu)變窄有關(guān)，較多擾動可能會產(chǎn)生粉塵堵塞，進(jìn)而影響到實(shí)際打印中煙塵得排出。從出口附近三維結(jié)構(gòu)流線圖，圖14可以清楚得看到流體在出口處形成擠壓，中間產(chǎn)生高速區(qū)，上下得氣體難以進(jìn)入，可能會導(dǎo)致粉末的滯留，尤其是出口上方的流體，產(chǎn)生了向上及向右的回流現(xiàn)象，從出口附近YZ截面的矢量圖，圖15也可以清晰的反映回流現(xiàn)象的流動方向。
圖 12 （左）YZ截面速度云圖（速度上下限0到1.5m/s）
圖 13 （右）YZ截面速度流線圖（速度上限0到0.5m/s）
圖 14（左） 三維結(jié)構(gòu)出口附近流線圖（速度上下限0到1.5m/s）
圖 15 （右）YZ截面出口附近矢量圖（速度上下限0到1.5m/s）
從YZ截面的速度云圖，圖16可以看出，入口裝置加入坡道后，氣流在此結(jié)構(gòu)中的流速均勻并且穩(wěn)定，但進(jìn)入腔體后氣流擠壓情況明顯且有分層，高低速區(qū)明顯。從YZ截面的速度云圖，圖17出口的局部放大可以看到，出口結(jié)構(gòu)內(nèi)的坡道內(nèi)速度均勻且穩(wěn)定，但角落處有低速區(qū)，可能會導(dǎo)致粉末滯留在圓盤內(nèi)。
出口與腔體連接處部分由于尺寸過窄，有明顯的回流現(xiàn)象，在流線圖13內(nèi)安世亞太已經(jīng)分析了這可能是出口處有較多擾動的主因，從YZ截面出口局部流線圖，圖18也證實(shí)了這一推論，管道內(nèi)流速很高，但出口連接處流速分區(qū)明顯，流體擠壓在中部，兩側(cè)流體難以流入，上方流體有回流產(chǎn)生，從YZ截面出口局部矢量圖，圖19清晰得看到流體的流動方向，后續(xù)優(yōu)化建議加寬連接處尺寸。
圖 16 （左）YZ截面入口速度云圖（速度上下限0到1.5m/s）
圖 17 （右）YZ截面出口速度云圖（速度上下限0到1.5m/s）
圖 18 （左）YZ截面出口流線圖（速度上下限0到1.5m/s）
圖 19 （右）YZ截面出口速度矢量圖（速度上下限0到1.5m/s）
從XZ截面的速度云圖可以看出，惰性氣體通過29個(gè)圓柱形孔洞時(shí)，流量比較均勻，但左側(cè)第三與右側(cè)第三個(gè)圓柱孔有非常明顯的氣體流失而產(chǎn)生低速區(qū)，安世亞太認(rèn)為這是所給模型中存在設(shè)計(jì)缺陷，后續(xù)需要改進(jìn)模型。
圖 20（左） XZ截面速度云圖（速度上下限0到1.5m/s）
圖 21（右） 下方氣體入口截面速度云圖（速度上下限0到1.5m/s）
- 腔體內(nèi)速度均勻性
選取分別高出打印平臺上方1mm、10mm和17mm處的XZ截面分析惰性氣體在成型室內(nèi)的流動均勻性。
圖 22 打印平臺上方不同高度XZ截面位置圖
將這些截面以打印平臺中心軸為基準(zhǔn)裁剪出直徑為280mm的圓形區(qū)域，分析這些圓形區(qū)域內(nèi)的速度均勻性。定義速度均勻性系數(shù)為如下，數(shù)值越接近于1表示速度均勻性越好。
其中，A為截面上的網(wǎng)格單元面積，u為截面上的網(wǎng)格單元速度
根據(jù)速度均勻性系數(shù)的定義式求得現(xiàn)有設(shè)計(jì)的均勻性分別為：
表格 1打印平臺上方不同位置的氣體速度均勻度
3個(gè)位置圓形打印平臺范圍的速度云圖見圖23-25。
1mm由于還在流體的邊界層，速度非常低，均勻度不是特別高。另外可以觀察到圓形平臺區(qū)域整體流速偏低，說明入口的設(shè)計(jì)過窄使得速度分層過于明顯，如果低速區(qū)對打印過程沒有負(fù)面影響可以保留入口設(shè)計(jì)。
圖 23（左） 打印平臺上方1mm位置速度云圖（速度上下限0到0.5m/s）
圖 24 （中）打印平臺上方10mm位置速度云圖（速度上下限0到1m/s）
圖 25 （右）打印平臺上方17mm位置速度云圖（速度上下限0到1m/s）
圖24，25中的10mm和17mm的速度云圖和均勻度的數(shù)據(jù)非常接近，說明10mm高度已經(jīng)進(jìn)入湍流層，圖26中的 YZ截面速度云圖也能證明這一點(diǎn)。
圖 26 YZ截面速度云圖（速度上下限0到1.5m/s）
薛一戈
安世亞太流體工程師，伊利諾伊理工機(jī)械與航空航天工程專業(yè)，碩士學(xué)位，超過2年的汽車行業(yè)CAD設(shè)計(jì)與CAE仿真，擅長湍流、邊界層、多相流、顆粒物等多個(gè)領(lǐng)域的仿真與分析，目前主要參與增材設(shè)備的流體仿真分析項(xiàng)目，積累了大量3D打印設(shè)備流體優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。
(責(zé)任編輯：admin)
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