基于Fluent進(jìn)行金屬打印機(jī)氣循環(huán)入口均勻性分析

來源：安世亞太
作者：李菁

選擇性激光熔化（SelectiveLaser Melting；SLM）作為金屬增材制造的一種主要手段，能夠制備出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，提高材料的利用率，減少后續(xù)加工流程，節(jié)省制備時(shí)間。該技術(shù)所采用的激光光斑直徑較小，成形精度較高，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)零件的近凈成形，因此選擇性激光熔化技術(shù)近些年來越來越受到關(guān)注且已經(jīng)得到的廣泛應(yīng)用。

激光燒結(jié)時(shí)從打印位置冒出黑煙，黑煙隨著打印室循環(huán)氣流迅速從出口排出。在不同打印位置黑煙停留的時(shí)間略有不同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，打印區(qū)域表面的氣流速度均勻性會(huì)直接影響打印過程中產(chǎn)生的黑煙能否順利排出打印腔室，所以在進(jìn)行SLM打印機(jī)入口設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到打印范圍內(nèi)的速度均勻性問題。

接下來，主要基于Fluent軟件對(duì)SLM打印機(jī)機(jī)打印平臺(tái)工作時(shí)表面氣流的速度均勻性進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

圖1 煙氣顆粒在打印室的流動(dòng)

散熱仿真模型的建立
在SLM打印機(jī)進(jìn)行打印之前，需要使用惰性氣體置換整個(gè)打印腔室內(nèi)殘留的空氣。本文首先從惰性氣體入口的仿真分析開始，通過仿真惰性氣體從入口裝置進(jìn)入成型室內(nèi)的整個(gè)流動(dòng)過程，分析惰性氣體在成型室內(nèi)對(duì)打印平臺(tái)的均勻覆蓋程度。

使用四面體加棱柱層劃分網(wǎng)格，在細(xì)小結(jié)構(gòu)附近采用小尺寸1mm捕捉曲率變化和接近率。在上下入口結(jié)構(gòu)的所有壁面使用5層棱柱層網(wǎng)格解析邊界層內(nèi)的流動(dòng)，同時(shí)在孔洞和間隙處生成的棱柱層網(wǎng)格還能保證在最薄的幾何空間內(nèi)也至少有10層以上的流體網(wǎng)格以保證計(jì)算精度。

仿真計(jì)算結(jié)果及分析
結(jié)果主要展示速度云圖，顯示面為YZ截面（位于模型X方向中心位置，）和XZ截面（位于穿過入口結(jié)構(gòu)圓柱形孔洞中心面的位置）位置，截面見圖4~圖5。

對(duì)比鋪粉器處于初始位置時(shí)的計(jì)算結(jié)果和處于打印腔室內(nèi)另一側(cè)端部位置時(shí)的計(jì)算結(jié)果如下。

從YZ截面的流線圖可以看出，鋪粉器無論處于初始位置還是另一側(cè)位置時(shí)，惰性氣體離開下方出口裝置進(jìn)入成型室內(nèi)，雖然有一個(gè)向下掃掠打印底板的效果，但是無法保持向前的主體速度，很快向上下和左右四散開來，造成打印平臺(tái)上方形成低流速區(qū)。

從XZ截面的速度云圖可以看出，無論鋪粉器處于什么位置，惰性氣體通過多個(gè)圓柱形孔洞時(shí)的流量都比較均勻。

結(jié)論
選取分別高出打印平臺(tái)上方1mm、10mm和17mm處的XY截面分析惰性氣體在成型室內(nèi)的流動(dòng)均勻性。將這些截面以打印平臺(tái)中心軸為基準(zhǔn)裁剪出圓形區(qū)域，分析這些圓形區(qū)域內(nèi)的速度均勻性。數(shù)值越接近于1表示速度均勻性越好。根據(jù)速度均勻性系數(shù)的定義式求得該設(shè)計(jì)方案的均勻性分別為：

表格 1打印平臺(tái)上方不同位置的氣體速度均勻度

（主管流速0.5m/s）

—作者—
李菁
安世亞太流體咨詢專家，航天工程專業(yè)，碩士學(xué)位，4年數(shù)值仿真經(jīng)驗(yàn)，涉及高超聲速、多相流、顆粒物、燃燒、傳熱分析等多個(gè)領(lǐng)域，目前主要參與多個(gè)增材設(shè)備流體仿真分析項(xiàng)目，積累了大量3D打印設(shè)備流體優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。