激光選區(qū)熔化直接制造工業(yè)過濾器初步研究

王迪，葉光照，張明康，楊永強，林康杰，NEIL Burns

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640；2.Croft Filters Ltd.，Warrington，Cheshire，UK WA3 6BL）

過濾器是一種阻擋相對大尺寸雜質(zhì)，實現(xiàn)濾漿中流固分離的裝置。大多數(shù)有流體參與的生產(chǎn)過程或設備都需用到過濾器，如化工、制藥、泵和內(nèi)燃機等[1]。過濾器的設計應在保證過濾精度的前提下，盡可能減少對流體造成的阻力和壓降[2]。創(chuàng)新設計的過濾結(jié)構(gòu)有望實現(xiàn)過濾過程的低壓降和低阻力，而復雜三維結(jié)構(gòu)件的主要制造方法是3D打印。

3D打印技術(shù)又稱增材制造或快速成形技術(shù)，是通過逐層加工零件截面，“自下而上”地分層制造出整個零件[3]。金屬材料具有良好的力學性能、穩(wěn)定性和耐久性，促使金屬3D打印技術(shù)成為增材制造技術(shù)研究的熱點之一[4]。使用金屬3D打印技術(shù)制造過濾器，可優(yōu)化過濾器整體結(jié)構(gòu)，使支撐結(jié)構(gòu)與過濾體一體化，降低流體阻力和壓降，縮短過濾器研發(fā)制造周期，實現(xiàn)定制化過濾器的快速設計和加工[5]。

過濾器的過濾介質(zhì)有金屬、陶瓷、高分子材料等。其中，金屬過濾介質(zhì)主要為穿孔金屬板、金屬網(wǎng)和燒結(jié)纖維氈[6]。穿孔金屬板可由板件沖裁制得，金屬編織網(wǎng)是用金屬絲按一定規(guī)則編織而成[7]，由其制成的過濾器都需進行拼接封口，通常使用鈑金壓緊或焊接方法，但這會使接口段的過濾材料過于致密，增大了過濾阻力，且接口的可靠性也會影響過濾器的過濾精度。同時，金屬板、網(wǎng)均采用表層過濾原理，其過濾效果完全由孔徑保證，若要提高過濾精度需縮小孔徑，這會導致流體阻力顯著上升。此外，該類金屬過濾器的制造工序較多，單件制造周期長，通常只批量制造標準件，無法適應定制化和快速迭代設計的需求。

激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）技術(shù)使用激光束掃描熔化金屬粉末，使其達到冶金結(jié)合，可直接成形得到近100%致密度的實體，是金屬3D打印技術(shù)發(fā)展的一個重要方向[8]。SLM技術(shù)可保證良好的尺寸精度（＜0.1 mm）和較好的表面粗糙度（Ra30～50 μm）[9]，可加工出基于深層過濾原理的復雜三維結(jié)構(gòu)；還可通過直接成形免除過濾介質(zhì)封口工藝，保證了可靠性，增大了有效過濾面積。

盡管金屬3D打印技術(shù)能使過濾器的設計、制造更便捷，但目前該項技術(shù)的應用極少，其余報道或是3D打印的對象不涉及過濾介質(zhì)[10]，或是打印材料為非金屬[11]。我校增材制造實驗室與英國Croft Filters公司就過濾器的增材制造技術(shù)進行了合作研究，該公司此前主要生產(chǎn)過濾介質(zhì)為金屬編織網(wǎng)、焊接金屬絲、金屬穿孔板等的金屬過濾器[12]，近年來開始用SLM技術(shù)生產(chǎn)新型金屬過濾器。他們首先設計了一種過濾單元體，通過陣列單元體得到了任意外形的多孔過濾介質(zhì)[13-14]，并對該結(jié)構(gòu)的過濾器進行了抗破裂試驗和壓降試驗，結(jié)果表明：使用SLM技術(shù)制造的金屬過濾器具有同等金屬材料的強度，且特殊設計的過濾介質(zhì)結(jié)構(gòu)具有比金屬編織網(wǎng)更低的流動阻力，甚至不同孔徑的過濾單元體配合組成的雙層過濾介質(zhì)對流體的壓降也比單一孔徑的要小[2，15]。本文分析了傳統(tǒng)工業(yè)應用的金屬過濾器在制造和性能上的缺陷，指出SLM技術(shù)制造過濾器的優(yōu)勢，并針對SLM技術(shù)成形特點，設計、制造了具有復雜三維結(jié)構(gòu)的金屬過濾器，詳細分析了過濾器的加工效果，討論了采用SLM技術(shù)制造過濾器的發(fā)展方向。

1 研究方法

1.1 加工條件

使用自主研發(fā)的DiMetal-280激光選區(qū)熔化設備對過濾器進行3D打印，設備的主要加工參數(shù)見表1。以尺寸為150 mm×150 mm×15 mm的A3鋼板作為過濾器成形基板，以氬氣作為保護氣。打印過濾器所用材料為氣霧化500目的316L球形不銹鋼粉末，其主要成分見表2，粉末粒度分布情況為：質(zhì)量分數(shù)50%的粉末粒徑小于15 μm，質(zhì)量分數(shù)90%的粉末粒徑小于30 μm，平均粒徑為17.11 μm，松裝密度為4.42 g/cm3。此外，加工過濾器的激光功率為150 W，掃描填充間距為0.06 mm，采用激光分區(qū)掃描策略以降低熱變形產(chǎn)生的影響[16]。

表1 激光選區(qū)熔化設備加工參數(shù)

表2316 L不銹鋼粉末化學成分

1.2 兩種過濾器的設計

過濾介質(zhì)是實現(xiàn)過濾功能的部件，也是過濾器的核心，故設計過濾器時應以過濾介質(zhì)為中心。金屬網(wǎng)是最常見的金屬過濾介質(zhì)，可分為金屬編織網(wǎng)、燒結(jié)金屬網(wǎng)和焊接金屬網(wǎng)[17]，后二者均是在金屬編織網(wǎng)基礎上改進而來，以提高綜合性能。研究采用SLM技術(shù)制造過濾器，首先從類比金屬網(wǎng)的路線出發(fā)，以得到接近甚至超過常規(guī)金屬網(wǎng)型過濾器的綜合性能。

金屬網(wǎng)的規(guī)格主要由網(wǎng)孔尺寸和金屬絲徑?jīng)Q定，如圖1所示，網(wǎng)孔尺寸w與金屬絲徑d的關(guān)系可用篩分面積百分率A0來定義[18]：

顯然，A0越大，過濾器對流體的阻力越小。對于近球狀固體來說，金屬網(wǎng)的過濾精度取決于網(wǎng)孔尺寸w。因此，在保證過濾精度的前提下想要增大A0，則需減小金屬絲直徑d。但為了滿足過濾器工作時的耐壓、耐沖擊、耐疲勞等要求，必須使過濾器的結(jié)構(gòu)強度得到保證，通常有以下幾種方法：①使用直徑較粗的金屬絲；②在金屬網(wǎng)背部增加支撐結(jié)構(gòu)；③采用輔助工藝增強金屬纖維之間的結(jié)合強度，以提高金屬網(wǎng)整體剛度（如燒結(jié)金屬網(wǎng)）。可見，只有第3種方法沒有減小A0，這對減小流體流動阻力有重要意義。因此，使用SLM技術(shù)制造網(wǎng)狀過濾介質(zhì)，可使過濾結(jié)構(gòu)整體實現(xiàn)冶金結(jié)合，達到第3種方法的效果；同時，SLM技術(shù)可直接成形過濾器，比“編織金屬纖維+輔助工藝”方法更快捷、簡便。

圖1 網(wǎng)孔尺寸及金屬絲徑示意圖

本文分別對二種類型的過濾器模型進行3D打印和分析[2]。如圖2所示，I型過濾器參數(shù)為：網(wǎng)孔尺寸wI=0.5 mm，金屬絲直徑dI=0.2 mm，篩分面積百分率A0I=51.02%；Ⅱ型過濾器參數(shù)為：網(wǎng)孔尺寸wⅡ=1 mm，金屬絲直徑dⅡ=0.3 mm，篩分面積百分率A0Ⅱ=59.17%。利用SLM技術(shù)優(yōu)勢，過濾介質(zhì)與支撐件統(tǒng)一，可制成錐角30°、高61 mm、底部法蘭外徑為45 mm的整體式平頂錐形過濾器。

圖2 二種類型的過濾器模型圖

1.3 測試分析方法

1.3.1 超景深顯微鏡分析打印效果

將成形后的過濾器進行電解拋光，經(jīng)沖洗、干燥后，用游標卡尺對其三維尺寸進行測量，并用VHX-5000超景深三維顯示系統(tǒng)觀察，選取過濾器的典型網(wǎng)格特征進行拍攝和測量，以便對打印效果及加工質(zhì)量進行分析。

1.3.2 流體仿真分析過濾器對流體的壓降特性

用ANSYS Fluent軟件對過濾器網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的壓降和流速特性進行初步仿真分析。新建一個只有一層過濾結(jié)構(gòu)的管道模型，其管徑為45 mm，管長為90 mm，濾網(wǎng)設置在距出口60 mm處，以留下足夠空間觀察流體經(jīng)過濾網(wǎng)后的變化。假設流體為水且與管壁無熱量交換，入口流量為0.25 m3/min[19]，出口為靜壓，其余參數(shù)為默認值。

2 結(jié)果與討論

2.1 打印效果與微觀孔隙分析

使用SLM設備、按所設工藝參數(shù)加工出的二種類型的過濾器見圖3。用游標卡尺測量過濾器的外形尺寸可得：底圓外徑dI=45.12 mm、dⅡ=45.06 mm；高度hI=61.18 mm、hⅡ=61.22 mm?？梢姡^濾器的外形尺寸誤差不到0.1 mm，體現(xiàn)了SLM技術(shù)直接成形金屬零件的高精度特點。此外，過濾器底部圓環(huán)的表面形貌有方塊狀的分區(qū)差異，這是因為在分區(qū)掃描策略中，不同區(qū)域的激光掃描路徑互成角度，以減少平面成形過程中熱變形和內(nèi)應力的影響。

圖3 基于SLM技術(shù)制造的二種類型的金屬過濾器

由圖3可見，過濾介質(zhì)的微網(wǎng)格結(jié)構(gòu)成形良好，網(wǎng)格尺寸w、金屬絲徑d均與設計值接近；金屬絲/網(wǎng)格線是由熔化的粉末彼此熔合達到冶金結(jié)合而成形的，但由于部分區(qū)域（如左網(wǎng)格的左下角、兩網(wǎng)格間的上交點）出現(xiàn)較明顯的球化現(xiàn)象，使該區(qū)域吸引、熔化的粉末過多而導致尺寸過大，相鄰區(qū)域因粉末不足而導致尺寸偏小。由圖3c、圖3d可看出，網(wǎng)格結(jié)點處的尺寸普遍偏大且趨向球狀，這可歸因于球化問題，也可能由于該處受熱影響所致。如圖4所示，由于網(wǎng)格結(jié)點是多根金屬絲的相交點，當SLM加工時，激光束會從至少兩個方向接近網(wǎng)格結(jié)點，從而對該處產(chǎn)生多次熱影響，致使該處的金屬粉末發(fā)生多次重熔，形成更大的熔池并吸引更多的粉末參與成形，最終導致節(jié)點處的體積偏大且趨于球狀。需要指出的是，激光束多次接近網(wǎng)格結(jié)點并不等同于激光束對網(wǎng)格結(jié)點處的某點進行重疊性的重復掃描，激光束的熱影響區(qū)和光斑面積的相對大小還取決于掃描速度、激光功率和粉末層厚度等因素，因此，只要激光束的熱影響區(qū)對網(wǎng)格結(jié)點產(chǎn)生多次有效影響，即可能產(chǎn)生網(wǎng)格結(jié)點重熔偏大的現(xiàn)象。此外，圖3還顯示部分粉末粘附的現(xiàn)象，將在后文進一步討論。

圖4 I型過濾器網(wǎng)格及結(jié)點處尺寸偏大分析示意圖

圖3c是Ⅱ型過濾器的超景深顯微圖像，所示網(wǎng)格也達到較高的尺寸精度，其誤差小于0.1 mm。左網(wǎng)格的左邊兩結(jié)點和右網(wǎng)格的右邊兩結(jié)點均出現(xiàn)了前文討論的網(wǎng)格結(jié)點尺寸偏大的現(xiàn)象。和I型過濾器相比，Ⅱ型過濾器網(wǎng)格球化現(xiàn)象不太明顯，但其零件表面有大量粉末粘附，這通常是因為激光功率偏低而無法使金屬粉末完全熔化，致使粉末以燒結(jié)或半熔化狀態(tài)粘附于成形零件的表面。同時，激光功率偏低也可能引起球化現(xiàn)象，圖4所示的球化現(xiàn)象不如圖3明顯，原因可能是：為了觀察網(wǎng)格特征，圖4所示圖像僅放大100倍，粉末聚集程度看起來更高，顯示的球化現(xiàn)象更小、更不易察覺；或是因為粘附的粉末遮擋了球化現(xiàn)象。

圖4所示的絲徑設計得更粗，即金屬絲的橫截面積更大。在激光熔化粉末的過程中，熔池的熱量主要以熱傳導的方式傳遞。因此，在被同樣功率的激光掃描時，粗的金屬絲可將更多的熱量傳導至熔池外側(cè)，使溫度能滿足金屬熔化區(qū)域變小的要求，導致粉末粘附現(xiàn)象更明顯。粉末粘附通常被視為SLM成形缺陷，但過濾器中粘附的粉末可使過濾介質(zhì)表面更粗糙，有助于攔截固體雜質(zhì)，從而提高過濾器的納污量和過濾精度，但應防止粉末因粘附不牢而在流體沖刷過程中脫落，成為過濾器后端的污染源。因此，粉末粘附現(xiàn)象仍需采用提高激光功率、適當降低掃描速度和減小鋪粉層厚的優(yōu)化手段。

2.2 壓降與流速特性仿真分析

Ⅱ型過濾器結(jié)構(gòu)的壓降和流速仿真結(jié)果見圖5?？梢?，管道左側(cè)為流體入口，因為濾網(wǎng)阻礙了流體前進運動，而后續(xù)的流體又不斷地向前推進，導致濾網(wǎng)前部分液體受壓，流體在該處的壓力有所增大。同時，濾網(wǎng)處有固體阻礙，流體通過時消耗了動能，壓力隨即下降；在通過濾網(wǎng)后，流體壓力隨行程而減少。在流速變化方面，濾網(wǎng)使管道中流體域的橫截面積減少，在流量不變的情況下，該處流速將急劇增加；在通過濾網(wǎng)后，流體域截面積恢復為管內(nèi)大小，流速也隨之回到過濾前的水平，但過濾過程令流體的紊流加劇，后續(xù)的流體流速分布不如過濾前的均勻。I型過濾器的仿真結(jié)果與之類似，但由于孔隙率更低，故其壓降和流速損失表現(xiàn)更差。

圖5 Ⅱ型過濾器CFD分析結(jié)果

圖6是對二種過濾器進行的壓降-流量測試結(jié)果[2]。將過濾器分別沿著軸向相反的兩個方向安裝于管道中，以測試過濾器在相反的流動條件下的阻力。由圖6可見，在相同的安裝方向和流量條件下，Ⅱ型過濾器從整體上可比I型過濾器產(chǎn)生更低的壓降，這是因為其結(jié)構(gòu)具有更高的篩分面積百分率。此外，二種過濾器均在流體反向流動（流體從圓錐頂一側(cè)向法蘭側(cè)流動）時產(chǎn)生更低的壓降，其中Ⅱ型過濾器在反向安裝時具有最低壓降。

圖6 二種類型過濾器的壓降-流量測試結(jié)果[2]

2.3 討論

2.3.1 基于SLM技術(shù)的過濾器設計制造關(guān)鍵技術(shù)

目前在過濾器定向設計方面，關(guān)鍵技術(shù)是計算流體力學技術(shù)（computational fluid dynamics，CFD）。傳統(tǒng)的過濾器受限于制造工藝，其結(jié)構(gòu)造型的變化有限，即使采用CFD技術(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，最終也不得不向制造工藝妥協(xié)，優(yōu)化效果未能最大化。而應用制造靈活性很強的SLM技術(shù)則突破了這種設計的限制，使過濾器幾乎完全依照CFD仿真結(jié)果的最優(yōu)解制造，且過濾器在流場中的工作情況也可得到更多的側(cè)重。另外，過濾器的性能檢驗在傳統(tǒng)上采用實際測試的方式進行，綜合成本較高，且研究成果大多為特定條件下的結(jié)論，經(jīng)驗的可借鑒性較差。而運用CFD技術(shù)可對不同流體流經(jīng)過濾器的任意區(qū)域做精細研究，便于探明過濾介質(zhì)不同區(qū)域的具體流動情況，按需設計出過濾可靠、對流體阻力最低、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固又節(jié)省材料的新型過濾器。

制造過濾器的關(guān)鍵技術(shù)因過濾介質(zhì)的不同而有所區(qū)別，可總結(jié)為二點：一是制造多孔過濾介質(zhì)的技術(shù)；二是將過濾介質(zhì)封裝成過濾器的技術(shù)。SLM技術(shù)一體成形過濾器的特點從原理上克服了上述難點。比如，制造多孔過濾介質(zhì)要求多孔結(jié)構(gòu)孔隙率高、孔隙大小可控、保證足夠的有效過濾面積（如打褶）、有一定的強度、便于生產(chǎn)等。在使用SLM技術(shù)制造過濾器時，網(wǎng)格零件表面質(zhì)量和結(jié)構(gòu)成形質(zhì)量是關(guān)鍵。過濾器的表面質(zhì)量可通過加工前合理設置加工參數(shù)得到改善，還可在加工后使用激光熔覆、激光拋光的手段進行后處理，如通過毫秒激光對表層數(shù)十微米厚的金屬進行重熔，平滑表面形貌，降低表面粗糙度值[20-21]；對于網(wǎng)格結(jié)構(gòu)質(zhì)量，網(wǎng)格型過濾器涉及微細支柱的縱向成形，Wang[22]指出在設計和放置零件模型并準備打印時，應盡量避免細支柱的傾斜角度小于40°、微細支柱直徑不小于0.15 mm。如圖7、圖8所示，當支柱傾斜角度θ過小時，支柱的層間重疊面積隨之減少，非重疊部分的下一層頂部可被上一層的激光熱影響區(qū)所重熔，并與上一層融合繼續(xù)成形；而另一側(cè)非重疊部分是懸空的，當激光加工該區(qū)域時產(chǎn)生的熱影響會熔化下一層的粉末，更易導致粉末粘結(jié)，嚴重時從宏觀上就可觀察到“掛渣”現(xiàn)象。“掛渣”缺陷將影響支柱的形狀精度和表面質(zhì)量，進而影響支柱強度，最終會影響過濾器的過濾精度、壓降與強度。

圖7 傾斜支柱成形實驗（傾斜角15°～60°）[22]

圖8 傾斜支柱懸空側(cè)掛渣（粉末粘附）現(xiàn)象示意圖

2.3.2 基于金屬3D打印技術(shù)的過濾器發(fā)展方向

充分利用金屬3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，有利于拓展過濾器的功能。

（1）適應耐高溫、耐腐蝕等極端環(huán)境。這是金屬型過濾器的特點，如316L不銹鋼的熔點為1375～1450℃，若使用其他金屬材料，則溫度上限還可拓展?；诖?，以鎳基合金為材料的金屬增材制造過濾器具有良好的應用前景。

（2）高過濾精度和低流動阻力。利用CFD技術(shù)模擬仿真，研究出低阻、高效的過濾結(jié)構(gòu)，再使用金屬3D打印技術(shù)進行制造，可使過濾效果和流體能量損失得到保障。

（3）定制過濾器快速生產(chǎn)。目前已有許多過濾器的標準，廠家生產(chǎn)的也多為標準型過濾器，其研發(fā)制造周期較長，而3D打印技術(shù)可快速響應定制型過濾器的要求。

（4）可維護性更優(yōu)。通過優(yōu)化設計，可從提高納污量、降低清洗難度（如反沖清洗、虹吸清洗）、方便拆裝和回收利用或降解等方向出發(fā)，對過濾器進行優(yōu)化設計，以提高維護性和環(huán)境友好性。2.3.3本研究的不足

由過濾單元體陣列而成的過濾器模型較復雜，面數(shù)很多，對整個過濾器進行CFD仿真分析的求解量異常龐大，因此本研究只對單層過濾結(jié)構(gòu)進行仿真。另外，如圖3、圖4所示，利用SLM技術(shù)制造的過濾器表面會產(chǎn)生金屬粉末粘附現(xiàn)象，導致表面更粗糙，而仿真過程中并未考慮由此帶來的影響。

3 結(jié)論

SLM技術(shù)作為金屬3D打印技術(shù)的重要分支，在制造新型過濾器上擁有顯著優(yōu)勢。經(jīng)過兩型過濾器的設計、制造、分析與討論，得出以下結(jié)論：

（1）SLM技術(shù)可直接成形復雜多孔過濾結(jié)構(gòu)及制造無支撐件的過濾器。過濾介質(zhì)中的網(wǎng)孔尺寸和金屬絲徑的誤差均小于0.1 mm，成形精度高。

（2）SLM技術(shù)成形過濾網(wǎng)格的結(jié)點尺寸易偏大且趨于球狀，網(wǎng)格線表面有金屬粉末粘附現(xiàn)象，細金屬絲的粉末粘附現(xiàn)象更嚴重，故需通過提高激光功率、適當降低掃描速度和減小鋪粉層厚等優(yōu)化手段加以改善。

（3）過濾介質(zhì)的更高的篩分面積百分率有利于減少流動阻力，在相同的安裝方向和流量條件下，Ⅱ型過濾器整體上比I型過濾器產(chǎn)生更低的壓降。

（4）SLM技術(shù)制造的過濾介質(zhì)較粗糙，其表面形貌有利于提高過濾精度，但要防止粘附粉末脫落而形成新的污染源。

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