基于Fluent進行金屬打印機氣循環(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，能夠制備出復雜結構的零件，提高材料的利用率，減少后續(xù)加工流程，節(jié)省制備時間。該技術所采用的激光光斑直徑較小，成形精度較高，可以實現相應零件的近凈成形，因此選擇性激光熔化技術近些年來越來越受到關注且已經得到的廣泛應用。

激光燒結時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間略有不同。根據實驗情況，打印區(qū)域表面的氣流速度均勻性會直接影響打印過程中產生的黑煙能否順利排出打印腔室，所以在進行SLM打印機入口設計時必須要考慮到打印范圍內的速度均勻性問題。

接下來，主要基于Fluent軟件對SLM打印機機打印平臺工作時表面氣流的速度均勻性進行了相應的分析。

圖1 煙氣顆粒在打印室的流動

散熱仿真模型的建立
在SLM打印機進行打印之前，需要使用惰性氣體置換整個打印腔室內殘留的空氣。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入成型室內的整個流動過程，分析惰性氣體在成型室內對打印平臺的均勻覆蓋程度。

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

仿真計算結果及分析
結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（位于穿過入口結構圓柱形孔洞中心面的位置）位置，截面見圖4~圖5。

對比鋪粉器處于初始位置時的計算結果和處于打印腔室內另一側端部位置時的計算結果如下。

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位置時，惰性氣體離開下方出口裝置進入成型室內，雖然有一個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，惰性氣體通過多個圓柱形孔洞時的流量都比較均勻。

結論
選取分別高出打印平臺上方1mm、10mm和17mm處的XY截面分析惰性氣體在成型室內的流動均勻性。將這些截面以打印平臺中心軸為基準裁剪出圓形區(qū)域，分析這些圓形區(qū)域內的速度均勻性。數值越接近于1表示速度均勻性越好。根據速度均勻性系數的定義式求得該設計方案的均勻性分別為：

表格 1打印平臺上方不同位置的氣體速度均勻度

（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)，碩士學位，4年數值仿真經驗，涉及高超聲速、多相流、顆粒物、燃燒、傳熱分析等多個領域，目前主要參與多個增材設備流體仿真分析項目，積累了大量3D打印設備流體優(yōu)化經驗。