選區(qū)激光熔化金屬三維打印設(shè)備的風(fēng)場(chǎng)仿真與優(yōu)化

□ 肖建軍 □ 謝洋生

湖南華曙高科技有限責(zé)任公司 長(zhǎng)沙 410205

1 研究背景

選區(qū)激光熔化是增材制造技術(shù)的一種,具有數(shù)字化制造、高度柔性、高適應(yīng)性、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型直接驅(qū)動(dòng)、材料類(lèi)型豐富多樣等特點(diǎn),通過(guò)專(zhuān)用軟件對(duì)零件三維數(shù)字模型進(jìn)行切片分層,獲得各截面的輪廓數(shù)據(jù),利用高能量激光束根據(jù)輪廓數(shù)據(jù)逐層選擇性地熔化金屬粉末,逐層鋪粉,逐層熔化凝固堆積,制造三維實(shí)體零件。選區(qū)激光熔化不受零件形狀復(fù)雜程度的限制,不需要任何工裝模具,應(yīng)用范圍廣,是近年來(lái)一種發(fā)展迅速的先進(jìn)制造技術(shù)[1-2]。在選區(qū)激光熔化制件過(guò)程中,不可避免地會(huì)有飛濺物產(chǎn)生,如果這些飛濺物不能被及時(shí)帶離燒結(jié)區(qū)域,那么會(huì)對(duì)成型工件的質(zhì)量產(chǎn)生影響[3]。制件通常在一個(gè)充滿保護(hù)氣體的封閉打印腔體內(nèi)進(jìn)行,為了帶走制件過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物,在燒結(jié)區(qū)域上方建立有效流動(dòng)的保護(hù)氣流十分重要[4]。Ferrar等[5]在研究中發(fā)現(xiàn),保護(hù)氣體的流動(dòng)會(huì)對(duì)成型工件的密度和表面形貌產(chǎn)生影響,均勻流動(dòng)的保護(hù)氣體能有效提高成型工件的質(zhì)量。Anwar等[6]研究發(fā)現(xiàn),飛濺物的質(zhì)量和大小會(huì)隨著與掃描區(qū)域間距離的減小而減小,飛濺物的質(zhì)量分布與氣流速度不成正相關(guān),在氣流速度較高的情況下,較大的飛濺顆粒會(huì)較早地沉積于燒結(jié)區(qū)域。梁平華等[7]研究發(fā)現(xiàn),打印腔內(nèi)燒結(jié)區(qū)域的黑煙殘留問(wèn)題主要由掃描區(qū)域內(nèi)風(fēng)場(chǎng)不均勻引起,通過(guò)對(duì)風(fēng)場(chǎng)流道優(yōu)化,可大幅減小吹風(fēng)口截面風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)差,更為有效地去除打印腔內(nèi)的黑煙。通過(guò)文獻(xiàn)檢索,認(rèn)為在現(xiàn)有選區(qū)激光熔化風(fēng)場(chǎng)研究中,對(duì)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速及飛濺物的試驗(yàn)研究較多,而對(duì)飛濺物與風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性的研究則較少。

筆者基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué),運(yùn)用Flow Simulation軟件對(duì)選區(qū)激光熔化金屬三維打印設(shè)備打印腔體內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行仿真,從風(fēng)場(chǎng)均勻性與飛濺物攜帶能力兩方面對(duì)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效提高了燒結(jié)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的均勻性和氣流攜帶飛濺物的能力,減小了飛濺顆粒對(duì)成型工件質(zhì)量的影響。

2 選區(qū)激光熔化金屬三維打印設(shè)備組成

選區(qū)激光熔化金屬三維打印設(shè)備由打印腔體、激光振鏡系統(tǒng)、氣流循環(huán)系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)等組成。打印腔體是一個(gè)充滿保護(hù)氣體的封閉腔,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣流循環(huán)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力,主要作用是在燒結(jié)區(qū)域上方形成穩(wěn)定均勻的保護(hù)氣流,將制件過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物、氧化黑煙及金屬羽流等有害物質(zhì)帶離燒結(jié)區(qū)域,最終由過(guò)濾系統(tǒng)收集。為了使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流能夠在打印腔體內(nèi)循環(huán),在打印腔體的吹風(fēng)口和吸風(fēng)口增加連接管道,如圖2所示。

圖1 打印腔體結(jié)構(gòu)

圖2 連接管道

3 風(fēng)場(chǎng)仿真

制件過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物如果掉落在燒結(jié)區(qū)域,會(huì)對(duì)工件的致密度、力學(xué)性能等產(chǎn)生影響。能否將制件時(shí)產(chǎn)生的飛濺物帶離燒結(jié)區(qū)域,主要取決于燒結(jié)區(qū)域上方的保護(hù)氣流。能否建立有效流動(dòng)的保護(hù)氣流,由吹風(fēng)口、吸風(fēng)口及相關(guān)流道的結(jié)構(gòu)決定。因此,在研究過(guò)程中首先對(duì)打印腔體內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行仿真分析,然后應(yīng)用粒子示蹤法對(duì)飛濺物在保護(hù)氣流中的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行追蹤。

3.1 風(fēng)場(chǎng)仿真建模

先建立選區(qū)激光熔化金屬三維打印設(shè)備打印腔體模型,再根據(jù)分析條件和狀態(tài)對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,得到便于分析的模型。利用Flow Simulation軟件建立流道模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在細(xì)小結(jié)構(gòu)處進(jìn)行網(wǎng)格加密,最終得到用于仿真分析的打印腔體流道網(wǎng)格模型,如圖3所示。

圖3 打印腔體流道網(wǎng)格模型

設(shè)備正常燒結(jié)時(shí)的工作參數(shù)見(jiàn)表1,這些參數(shù)作為風(fēng)場(chǎng)仿真計(jì)算時(shí)的邊界條件,由此計(jì)算得到相應(yīng)的湍流參數(shù),湍動(dòng)能為0.063 3 J/kg,湍流耗散為0.039 7 W/kg。

表1 正常燒結(jié)時(shí)工作參數(shù)

3.2 風(fēng)場(chǎng)仿真結(jié)果

對(duì)打印腔體內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行分析,設(shè)定吹風(fēng)口氣流流量為0.018 m3/s。由于制件時(shí)飛濺物主要分布在燒結(jié)區(qū)域上方20 mm附近的區(qū)域,因此在仿真結(jié)果中插入二維截面,利用切面圖來(lái)觀察打印腔體內(nèi)氣流的速度分布。最終得到燒結(jié)區(qū)域上方20 mm平面風(fēng)場(chǎng)速度分布云圖和打印腔體切面風(fēng)場(chǎng)速度分布云圖,分別如圖4、圖5所示。

圖4 燒結(jié)區(qū)域上方20 mm平面風(fēng)場(chǎng)速度分布云圖

由圖4可見(jiàn),在靠近吹風(fēng)口的燒結(jié)區(qū)域上方,氣流速度分布不均勻,從而導(dǎo)致整個(gè)燒結(jié)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速不均勻,最終使成型工件的一致性變差。

由圖5可見(jiàn),吹風(fēng)口與打印腔體的底板在高度上存在一定距離,當(dāng)氣流從吹風(fēng)口出來(lái)后,氣流在垂直方向受到擾動(dòng),氣流主體向燒結(jié)區(qū)域靠近,同時(shí)向吸風(fēng)口流動(dòng)。氣流在進(jìn)入吸風(fēng)管道前發(fā)生了抬升,進(jìn)而在打印腔體內(nèi)產(chǎn)生回流現(xiàn)象,這會(huì)使飛濺物隨氣流擴(kuò)散至整個(gè)打印腔體,從而對(duì)制件產(chǎn)生影響。

圖5 打印腔體切面風(fēng)場(chǎng)速度分布云圖

4 飛濺物追蹤研究

相比整體氣流,飛濺物的質(zhì)量很小,對(duì)氣體流動(dòng)的影響很小,因此采用粒子示蹤法對(duì)飛濺物在氣流中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。采用粒子示蹤法進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí),進(jìn)行如下假設(shè):物理粒子是指定材料的恒定質(zhì)量球形粒子,物理粒子對(duì)氣體流動(dòng)無(wú)影響,物理粒子的運(yùn)動(dòng)完全由流場(chǎng)決定。

為了定量分析選區(qū)激光熔化金屬三維打印設(shè)備打印腔體內(nèi)氣流對(duì)飛濺物的攜帶能力,將燒結(jié)區(qū)域劃分為四個(gè)部分——S1～S4,如圖6所示。

圖6 燒結(jié)區(qū)域劃分

在每個(gè)區(qū)域中注入100個(gè)物理粒子,分別提取每個(gè)區(qū)域內(nèi)飛濺物從吸風(fēng)口離開(kāi)的百分比,從而對(duì)打印腔體內(nèi)氣流攜帶飛濺物的能力進(jìn)行評(píng)估。物理粒子的初始條件中,直徑為4×10-5m,材料為鋁合金,密度為2 688.9 kg/m3,質(zhì)量流量為0.001 kg/s,初始速度為9 m/s[8],方向?yàn)闊Y(jié)區(qū)域的法線方向,與壁面的碰撞條件為反射,正?；謴?fù)因數(shù)為1,切向恢復(fù)因數(shù)為1。選取燒結(jié)區(qū)域中S1與S2部分的飛濺物進(jìn)行分析,結(jié)果分別如圖7、圖8所示。

圖7 S1部分飛濺物軌跡

圖8 S2部分飛濺物軌跡

由圖7可見(jiàn),靠近吸風(fēng)口處上方的風(fēng)速較低,飛濺物在沖出保護(hù)氣流的高速區(qū)域后,會(huì)在打印腔體內(nèi)擴(kuò)散,然后在自身重力和腔內(nèi)氣流的雙重作用下,重新回到保護(hù)氣流的主體區(qū)域,之后由保護(hù)氣流攜帶進(jìn)入吸風(fēng)口。

由圖8可見(jiàn),靠近吹風(fēng)口處上方的風(fēng)速較高,飛濺物運(yùn)動(dòng)至保護(hù)氣流的高速區(qū)域后降速很快,在自身重力和保護(hù)氣流的雙重作用下,向吸風(fēng)口方向運(yùn)動(dòng)。由于燒結(jié)區(qū)域上方的保護(hù)氣流有貼近壁面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),因此一部分飛濺物掉落在靠近吸風(fēng)口的燒結(jié)區(qū)域內(nèi),另一部分飛濺物隨氣流在吸風(fēng)口下方聚集。

燒結(jié)區(qū)域各部分產(chǎn)生的飛濺物被保護(hù)氣流攜帶進(jìn)入吸風(fēng)口的百分比見(jiàn)表2。

表2 飛濺物進(jìn)入吸風(fēng)口百分比

5 風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)分析選區(qū)激光熔化金屬三維打印設(shè)備打印腔體內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)仿真情況和燒結(jié)區(qū)域內(nèi)飛濺物追蹤仿真情況,可以發(fā)現(xiàn)要想有效地將制件過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物帶走,必須使燒結(jié)區(qū)域上方的風(fēng)場(chǎng)分布更加均勻,同時(shí)需要改變吸風(fēng)口的結(jié)構(gòu),使吸風(fēng)口區(qū)域的飛濺物能被有效帶走。

為了使燒結(jié)區(qū)域上方的風(fēng)場(chǎng)分布更均勻,在吹風(fēng)口處增加均分柵格罩,同時(shí)縮短吹風(fēng)口到燒結(jié)區(qū)域的距離。吹風(fēng)口柵格罩如圖9所示。為了使吸風(fēng)口區(qū)域內(nèi)的飛濺物能夠被有效帶走,改變吸風(fēng)口形狀,并使其下端與燒結(jié)區(qū)域平齊。改進(jìn)后吸風(fēng)口如圖10所示。

圖9 吹風(fēng)口柵格罩

圖10 改進(jìn)后吸風(fēng)口

風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,在相同的邊界條件下進(jìn)行流體仿真分析,得到優(yōu)化后燒結(jié)區(qū)域上方20 mm平面風(fēng)場(chǎng)速度分布云圖和打印腔體切面風(fēng)場(chǎng)速度分布云圖,分別如圖11、圖12所示。

圖11 優(yōu)化后燒結(jié)區(qū)域上方20 mm平面風(fēng)場(chǎng)速度分布云圖

圖12 優(yōu)化后打印腔體切面風(fēng)場(chǎng)速度分布云圖

由圖11可見(jiàn),在吹風(fēng)口處增加均分柵格罩后,燒結(jié)區(qū)域的上方產(chǎn)生了更為均勻的風(fēng)場(chǎng),從而提升了整個(gè)燒結(jié)區(qū)域內(nèi)成型工件的一致性。

由圖12可見(jiàn),縮短吹風(fēng)口到燒結(jié)區(qū)域的距離后,保護(hù)氣流的核心區(qū)域更多地集中在燒結(jié)區(qū)域上方,能更好地將制件時(shí)產(chǎn)生的飛濺物帶離燒結(jié)區(qū)域。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),氣流在打印腔體內(nèi)存在一定的二次回流現(xiàn)象,說(shuō)明對(duì)于大型三維打印成型設(shè)備而言,增大燒結(jié)區(qū)域后,需要增加更多的分支氣流來(lái)減小打印腔體內(nèi)的回流。

6 優(yōu)化后飛濺物追蹤研究

在相同的邊界條件和初始條件下對(duì)飛濺物進(jìn)行粒子追蹤研究,同樣取燒結(jié)區(qū)域S1、S2部分的飛濺物進(jìn)行分析,結(jié)果分別如圖13、圖14所示。

圖13 優(yōu)化后S1部分飛濺物軌跡

圖14 優(yōu)化后S2部分飛濺物軌跡

優(yōu)化后燒結(jié)區(qū)域各部分產(chǎn)生的飛濺物被保護(hù)氣流攜帶進(jìn)入吸風(fēng)口的百分比見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化后飛濺物進(jìn)入吸風(fēng)口百分比

由圖13可見(jiàn),風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,打印腔體內(nèi)二次回流產(chǎn)生變化,使燒結(jié)區(qū)域S1部分飛濺物漂浮至吸風(fēng)口上方。

由圖14可見(jiàn),風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,燒結(jié)區(qū)域S2部分產(chǎn)生的飛濺物穿過(guò)保護(hù)氣流的高速區(qū)域,大部分可以在氣流的攜帶下進(jìn)入吸風(fēng)口。

對(duì)比表2和表3,可以看出風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,燒結(jié)區(qū)域靠近吹風(fēng)口處產(chǎn)生的飛濺物被保護(hù)氣流攜帶走的百分比有較為明顯的提高,燒結(jié)區(qū)域靠近吸風(fēng)口處產(chǎn)生的飛濺物被保護(hù)氣流攜帶走的百分比則由于二次回流的變化而產(chǎn)生變化。風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后能夠使燒結(jié)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的飛濺物更多地被保護(hù)氣流攜帶走,從而提高成型工件的質(zhì)量和一致性。

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證選區(qū)激光熔化金屬三維打印設(shè)備打印腔體內(nèi)風(fēng)場(chǎng)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性及風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的正確性,利用某款金屬三維打印設(shè)備在原有結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。制件時(shí),打印腔體吹風(fēng)口流量為0.018 m3/s,在該流量下進(jìn)行AlSi10Mg鋁合金材料試樣打印,試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×10 mm。制件完成后,利用金相法測(cè)得每個(gè)試樣的致密度,最終得到試樣致密度結(jié)果,如圖15、圖16所示。

圖15 原有結(jié)構(gòu)試樣致密度結(jié)果

圖16 優(yōu)化后試樣致密度結(jié)果

由圖15可見(jiàn),原有結(jié)構(gòu)下試樣致密度相對(duì)較低,且分布不均勻,試樣的平均致密度為99.901%,最低致密度為99.840%,出現(xiàn)在燒結(jié)區(qū)域中部靠近吸風(fēng)口處。結(jié)合原有結(jié)構(gòu)下飛濺物追蹤仿真結(jié)果,推測(cè)是燒結(jié)區(qū)域靠近吹風(fēng)口處產(chǎn)生的一部分飛濺物在氣流的作用下掉落在靠近吸風(fēng)口處的燒結(jié)區(qū)域,從而使該區(qū)域內(nèi)試樣的致密度偏低。

由圖16可見(jiàn),風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后試樣致密度整體得到提高,試樣平均致密度為99.960%,最低致密度為99.912%,同樣出現(xiàn)在燒結(jié)區(qū)域中部靠近吸風(fēng)口處。由此說(shuō)明,風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可以減小因飛濺物掉落在靠近吸風(fēng)口處的燒結(jié)區(qū)域而出現(xiàn)的致密度降低的情況。

8 結(jié)束語(yǔ)

選區(qū)激光熔化金屬三維打印過(guò)程中,飛濺物殘留會(huì)對(duì)成型工件的質(zhì)量產(chǎn)生影響。為了提高成型工件的質(zhì)量,運(yùn)用Flow Simulaton軟件對(duì)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后選區(qū)激光熔化金屬三維打印設(shè)備打印腔體內(nèi)風(fēng)場(chǎng)及飛濺物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性。風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,提高了氣流對(duì)飛濺物的攜帶能力,試樣的平均致密度從99.901%提高至99.960%,進(jìn)而提高了成型工件的質(zhì)量。