精益研發(fā)，SLM金屬3D打印機的動密封仿真分析

談到選區(qū)激光金屬熔化3D打印（市場上將其稱為SLM, DMLS技術(shù)） ，目前在市場上獲得產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用包括GE的噴油嘴，西門子的葉片，寶馬i8 Roadster電動汽車上的支架等零件。

選區(qū)激光金屬熔化3D打印技術(shù)在高附加值和個性化零件的制造方面具備很大的發(fā)展?jié)摿�，從合金的結(jié)晶控制，到零件的精密性和復雜性實現(xiàn)，3D打印不僅僅推動了工業(yè)再設(shè)計，還在零件生產(chǎn)和零件修復過程中節(jié)約了生產(chǎn)資源，并通過提高最終產(chǎn)品的性能，帶來更大的產(chǎn)品生命周期價值。

那么激光熔化金屬3D打印機要制造出更加合格的產(chǎn)品來，除了加強對金屬3D打印工藝的前饋控制和過程中控制能力，能不能通過提高選區(qū)激光熔化金屬3D打印設(shè)備的可靠性來最終獲得產(chǎn)品質(zhì)量的提升呢？

通過安世亞太基于Workbench的選區(qū)激光熔化金屬3D打印機在常溫工況下的動密封仿真分析來分享仿真在金屬3D打印設(shè)備開發(fā)方面的作用。

圖片：獲得產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)

密封的重要性
選區(qū)激光熔化金屬3D打印的過程首先是鋪粉器將金屬粉末鋪至打印平臺，然后激光器根據(jù)打印路徑將金屬粉末融化完成一層的打印，每完成一層的打印后，打印平臺會下降一個層高的高度，直至形成一個完整的三維零部件，整個打印過程都在惰性氣體環(huán)境中進行。

選區(qū)激光熔化金屬3D打印機是一套較為復雜的系統(tǒng)，主要有機械單元、光路單元、控制單元、工藝軟件和保護氣密性單元等組成。而密封在選區(qū)激光熔化金屬3D打印機上應(yīng)用較多，比如整個打印室的氣密性、打印平臺的密封等。

密封一般分為靜密封和動密封，靜密封指的是被密封部位的兩個偶合件之間不存在相對運動的密封；而動密封指的是被密封部位的兩個偶合件之間存在相對運動的密封，動密封一般又分為旋轉(zhuǎn)式動密封和往復運動式動密封。

選區(qū)激光熔化金屬3D打印機的打印平臺動密封設(shè)計是整個密封設(shè)計的重中之重，同時也是一個難點問題。如果打印平臺的動密封設(shè)計不好，會嚴重影響金屬3D打印機的打印質(zhì)量和打印效果，同時也會影響密封圈的使用壽命。打印平臺密封圈的更換是一項非常費時費力且較為繁瑣的工作，因此對選區(qū)激光熔化金屬3D打印機打印平臺的動密封設(shè)計提出了更高的設(shè)計要求。

模型的建立
某型號的選區(qū)激光熔化金屬3D打印機的打印平臺的剖面圖見圖1所示，打印平臺結(jié)構(gòu)主要有成型缸、打印臺、打印連接托板、活塞基板以及密封圈等組成。

圖 1 選區(qū)激光熔化金屬3D打印機的打印平臺剖面圖及動密封局部結(jié)構(gòu)剖面圖

為了減小計算的工作量，本次計算模型采用2-D平面計算，對選區(qū)激光熔化金屬3D打印機打印平臺進行XOY平面內(nèi)進行剖面處理，同時對本次計算的無關(guān)緊要的部件進行忽略處理。為加快模型計算收斂，只截取密封件周邊部分結(jié)構(gòu)進行分析。為了保證后期的計算收斂性，將成型缸沿著Y軸左移2mm，即將密封件與成型缸之間由原來的過盈配合改為了間隙配合，后期再計算的第一個載荷步將成型缸沿著Y軸右移2mm，模擬密封件與成型缸的裝配實際關(guān)系，這樣保證了仿真模型和實際的物理模型是吻合的。

動密封結(jié)構(gòu)有限元模型建立
由于本次計算模型為2D平面結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格模型以四邊形單元為主，部分網(wǎng)格為三角形單元，鋼結(jié)構(gòu)部件網(wǎng)格大小以0.8mm來劃分網(wǎng)格，密封圈的網(wǎng)格大小為0.7mm，同時為保證計算能更好地收斂，對接觸部位的網(wǎng)格進行了細化。密封結(jié)構(gòu)模型共有17695個單元，36124個節(jié)點，具體見圖2所示。

圖 2 選區(qū)激光熔化金屬3D打印平臺密封結(jié)構(gòu)及密封圈局部網(wǎng)格模型

整個有限元模型根據(jù)實際情況要建立合理的接觸關(guān)系，摩擦接觸和綁定接觸。

仿真模型中零部件所用的材料主要是316不銹鋼和氟膠，316不銹鋼采用Workbench材料庫中的材料參數(shù)進行計算，而氟膠采用Mooney-Rivlin模型進行模擬，Mooney-Rivlin模型是一個比較常用的模型，適合于中小變形，一般適用于應(yīng)變約為100%（拉伸）和30%（壓縮）的情況。

工況說明：在常溫下，動密封分析工況分三個載荷步進行加載，首先完成密封圈與成型缸的預(yù)變形，其次考慮成型室作用到密封圈的上壓力，最后整個打印平臺在成型缸內(nèi)進行上下移動。


仿真“洞悉”密封方案優(yōu)缺點
1. 強度分析結(jié)果
通過仿真計算后，我們可以獲得密封圈的最大應(yīng)力為2.87MPa，并且最大應(yīng)力位于密封圈與上部彈簧片的頂端接觸位置，這是密封圈受到擠壓后作用到U型彈簧片上造成的，具體可參見圖3所示。

圖 3密封圈的應(yīng)力結(jié)果云圖及局部最大應(yīng)力放大圖

2. 接觸面積分析結(jié)果
密封圈被擠壓后，密封圈與成型缸之間的接觸面積大小對密封效果起到很大的影響。密封圈1~4齒接觸區(qū)域長度分別為0.6mm、0.9mm、0.8mm和0.5mm，具體可參見圖4所示。彈簧片可以有效地增大密封圈與成型缸的接觸面積，有利于密封效果的改善。

圖 4 密封圈1~4齒的接觸區(qū)域長度

3. 接觸壓力分析結(jié)果
接觸面上的接觸壓力也是影響密封好壞的重要因素。密封圈與成型缸的最大接觸壓力為0.75MPa，位于第一個齒尖處，說明第一道密封的密封效果較好，能夠有效地阻止金屬顆粒進入密封圈內(nèi)，具體參見圖5所示。

圖 5 密封圈與成型缸接觸壓力

通過CAE仿真分析手段，我們能夠快速獲得選區(qū)激光熔化金屬3D打印機打印平臺動密封設(shè)計方案的相關(guān)性能參數(shù)，通過對性能參數(shù)的對比分析，了解不同動密封設(shè)計方案的優(yōu)缺點，并對方案進行修改完善，選出最優(yōu)的設(shè)計方案，可以大大縮短整個產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品的研發(fā)費用。

作者：
李新路，車輛工程專業(yè)，碩士學位，10多年的汽車行業(yè)CAE仿真分析經(jīng)驗，參與并實施了多個國內(nèi)汽車整車及零部件的仿真分析咨詢項目，積累了大量的工程仿真分析項目經(jīng)驗，專長汽車行業(yè)內(nèi)結(jié)構(gòu)CAE分析、整車碰撞分析、乘員約束系統(tǒng)分析、NVH分析以及新能源汽車電池包CAE分析等；同時目前主要參與了多個增材設(shè)備結(jié)構(gòu)仿真分析項目。

文章來源：安世亞太