進(jìn)/出氣流道結(jié)構(gòu)對(duì)SLM增材設(shè)備成形艙內(nèi)氣體流場(chǎng)行為的影響

王德寶 劉凱歌 李懷學(xué) 楊膠溪

（1．中國(guó)航空制造技術(shù)研究院國(guó)家級(jí)高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；2．中國(guó)航空制造技術(shù)研究院增材制造航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；3．中國(guó)航空制造技術(shù)研究院高能束流增量制造工藝及裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；4．北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124）

0 引言

激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)是一種增材制造技術(shù)。其原理是將三維數(shù)模進(jìn)行切片處理后變成若干二維的CAD路徑，高能激光束流通過(guò)振鏡系統(tǒng)，按照CAD路徑作用于粉末床，被掃掠的粉末受到光熱作用熔化并快速凝固，層層掃描堆疊，最終獲得具備一定尺寸精度和表面粗糙度的三維實(shí)體零件[1-2]。

在SLM成形的過(guò)程中，由于高能激光束流功率密度較高，因此當(dāng)掃掠粉末床時(shí)，在其作用區(qū)域會(huì)形成微小的高溫熔池，熔池形成過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生飛濺、黑煙及納米級(jí)金屬氣等有害物質(zhì)。一方面，當(dāng)這類(lèi)物質(zhì)聚集在熔池上方時(shí)會(huì)吸收和反射激光能量，從而降低作用于粉末床上的激光功率密度；另一方面，這些物質(zhì)二次沉積在粉末床上的激光掃掠區(qū)域，在后續(xù)的成形過(guò)程中變成打印零件內(nèi)的雜質(zhì)、缺陷，導(dǎo)致最終成形的零件致密度降低，力學(xué)性能發(fā)生變化[3-4]。

因此，合理的流道設(shè)計(jì)可以形成高質(zhì)量的惰性氣體流場(chǎng)，提高SLM成形零件的質(zhì)量，減少成形過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物、煙塵等雜質(zhì)對(duì)成形零件的不良影響。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

Bean G E等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在SLM成形過(guò)程中，氬氣可以極大地避免零件在成形過(guò)程中發(fā)生氧化，使最終成形的零件具有更強(qiáng)的微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。Nguyen 等[6]研究了保護(hù)氣體的流量改變對(duì)成形零件孔隙率的影響，結(jié)果表明，增加保護(hù)氣體的流量可以降低零件的孔隙率，提高零件的均勻性和致密度。梁平華等[7]研究發(fā)現(xiàn)成形艙內(nèi)黑煙殘留問(wèn)題是由成形艙內(nèi)風(fēng)場(chǎng)分布不均導(dǎo)致的，通過(guò)優(yōu)化進(jìn)氣口的結(jié)構(gòu)、改善風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速分布可以減少黑煙雜質(zhì)在粉末床上的殘留量。采用CFD模擬的方法研究成形艙內(nèi)惰性氣體的流動(dòng)狀態(tài)和速度分布狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整、優(yōu)化氣體通道、進(jìn)氣口和出氣口的流速，較好地消除了成形過(guò)程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)。孫宏睿[8]基于Solidworks Flow Simulation對(duì)SLM設(shè)備吹風(fēng)系統(tǒng)的流道及風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行仿真，并對(duì)進(jìn)、出氣流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化后的流道及風(fēng)場(chǎng)有效降低了飛濺物雜質(zhì)對(duì)成形零件力學(xué)性能及致密度的影響。

2 計(jì)算物理模型

風(fēng)場(chǎng)系統(tǒng)在SLM設(shè)備中具有重要的作用，它在成形艙粉末床上方形成穩(wěn)定、均勻的惰性氣體流場(chǎng)，不僅在成形過(guò)程中起到降低氧化的作用，而且還能將產(chǎn)生的雜質(zhì)裹挾帶離，減少其對(duì)激光能量的反射和在粉末床上的二次沉積量。

首先，該文利用ANSYS Fluent流體仿真軟件分別對(duì)某型激光選區(qū)熔化成形的進(jìn)/出氣口流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體仿真計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)，在得到較好的計(jì)算結(jié)果后，對(duì)進(jìn)/出氣流道結(jié)構(gòu)和成形艙形成組合體進(jìn)行整體流場(chǎng)仿真計(jì)算，考察成形艙粉末床上方煙塵飛濺區(qū)的氣體流動(dòng)行為。

對(duì)SLM設(shè)備來(lái)說(shuō)，其保護(hù)氣循環(huán)系統(tǒng)一般有上、下2個(gè)進(jìn)氣口，上進(jìn)氣口可以保護(hù)振鏡窗口鏡，減少鏡片上煙塵的吸附量，下進(jìn)氣口在粉末床上方形成穩(wěn)定的氣流場(chǎng)，吹走煙塵雜質(zhì)。由于在實(shí)際成形過(guò)程中激光與粉末相互作用產(chǎn)生的黑煙、雜質(zhì)富集飛濺高度約為20 mm（垂直于粉末床處的區(qū)域），因此只對(duì)下進(jìn)氣口進(jìn)行研究。

成形艙是SLM設(shè)備的主要工作區(qū)域，下進(jìn)氣口吹入的惰性氣體進(jìn)入成形艙后，在粉末床上方區(qū)域形成氣流場(chǎng)，將成形過(guò)程中產(chǎn)生的煙塵等雜質(zhì)裹挾而出，流入出氣口，然后進(jìn)入氣體循環(huán)過(guò)濾裝置，過(guò)濾后的干凈惰性氣體再次由進(jìn)氣口吹入成形艙，如此循環(huán)往復(fù)。下面要進(jìn)行流體仿真計(jì)算的模型是將上文中結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的進(jìn)氣口、出氣口和成形艙室進(jìn)行組合的模型，對(duì)組合體整體進(jìn)行仿真，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 成形艙組合體結(jié)構(gòu)

2.1 建立進(jìn)氣口仿真計(jì)算模型

在SLM設(shè)備中，進(jìn)氣口負(fù)責(zé)向艙室內(nèi)提供氣流量，艙室內(nèi)粉末床上方的氣流場(chǎng)分布是否均勻主要取決于進(jìn)氣口是否能向艙室內(nèi)提供穩(wěn)定、均勻的風(fēng)速場(chǎng)。該文建立的進(jìn)氣口模型采用分級(jí)縮小出氣口截面積的方法和長(zhǎng)度不同的導(dǎo)板，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，使惰性氣體流經(jīng)的截面積逐級(jí)變小，從而氣流速度逐漸提高，氣流更穩(wěn)定。

圖2 進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)

2.2 吸氣口仿真計(jì)算模型

SLM設(shè)備中出氣口處形成負(fù)壓，用于接收、收集從進(jìn)氣口方向被惰性氣體裹挾吹來(lái)的煙塵、雜質(zhì)等物質(zhì)，該文初步研究的出氣口結(jié)構(gòu)為在偏矩形端增加了2個(gè)導(dǎo)流板，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 出氣口結(jié)構(gòu)

3 流場(chǎng)仿真分析理論

該文基于ANSYS Fluent流體仿真軟件對(duì)相關(guān)零部件流場(chǎng)的瞬態(tài)、不可壓縮以及湍流進(jìn)行CFD模擬計(jì)算，由于研究?jī)?nèi)容不涉及溫度場(chǎng)，因此不考慮能量方程。基于Navier-Stokes方程中的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程，選擇K-ε湍流模型分別對(duì)下進(jìn)氣口、出氣口以及艙室組合體內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行迭代計(jì)算求解[9]。

質(zhì)量守恒控制方程如公式（1）所示。

式中：ρ為流體微元體密度；t為時(shí)間；u、v和w分別為微元體在x、y和z方向的速度分量。

該方程表示流場(chǎng)中單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加量等于該單位時(shí)間內(nèi)流入微元體的質(zhì)量。

動(dòng)量守恒控制方程如公式（2）所示。

式中：U為微元體速度矢量；P為作用于微元體上的壓力；τxx、τyx和τzx分別為微元體所受到的黏性切應(yīng)力分量；Fx為微元體所受體積力分量。

該方程表示微元體流體動(dòng)量的變化量等于作用在微元體上的合力。

控制方程通式如公式（3）所示。

式中：φ為通用變量；r為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源。

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 進(jìn)氣流道結(jié)構(gòu)氣體流動(dòng)特征

仿真基本參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 流體計(jì)算參數(shù)設(shè)置

將建立好的模型導(dǎo)入ANSYS軟件，首先通過(guò)體積抽取得到流體域，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于結(jié)構(gòu)中存在狹長(zhǎng)的板，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)采取高級(jí)尺寸函數(shù)捕捉鄰近度。將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fluent進(jìn)行參數(shù)和邊界條件設(shè)置后，得到的流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果如圖4所示。另外，在計(jì)算結(jié)果的后處理中，在該結(jié)構(gòu)中插入1個(gè)二維平面，該平面為實(shí)際工作時(shí)粉末床上方20 mm的平面，得到該平面的流速分布，如圖5所示。

由圖4可知，進(jìn)氣口的風(fēng)速分布均勻性很好，而且從圖5中可以看出，當(dāng)惰性氣體流經(jīng)最短的末級(jí)導(dǎo)板時(shí)，平均流速由3.54 m/s升至4.10 m/s，流速明顯提高且分布均勻。因此，在流場(chǎng)的均勻性方面，進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)優(yōu)化的必要性不高，但是在提高氣體流速方面，在原有的基礎(chǔ)上再增加一級(jí)導(dǎo)流板，共有3組不同長(zhǎng)度的導(dǎo)流板，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖4 進(jìn)氣口流速分布流線圖及渲染圖

圖5 進(jìn)氣口截面流速分布圖

圖6 優(yōu)化進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)

根據(jù)原有的仿真參數(shù)對(duì)新優(yōu)化的進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體仿真計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 優(yōu)化進(jìn)氣口流速分布

由圖8可知，由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的進(jìn)氣口增加了一級(jí)導(dǎo)板，因此整個(gè)進(jìn)氣口的寬度與未優(yōu)化的進(jìn)氣口相比發(fā)生了較大的變化，當(dāng)氣流流經(jīng)末級(jí)導(dǎo)板時(shí)，由于截面積變小、流速變大，因此最大風(fēng)速為4.91 m/s（比未優(yōu)化前的最大風(fēng)速值（4.24 m/s）大），但是均勻性比之前略差。經(jīng)CFD-POST處理后得到三級(jí)導(dǎo)流板進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)的氣體流出口截面平均風(fēng)速值為4.83 m/s，比二級(jí)導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)的平均風(fēng)速值（3.97 m/s）大。

圖8 優(yōu)化進(jìn)氣口截面速度分布

4.2 出氣口流道結(jié)構(gòu)氣體流動(dòng)特征

仿真基本參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 流體計(jì)算參數(shù)設(shè)置

將建立好的模型導(dǎo)入ANSYS軟件，首先通過(guò)體積抽取得到流體域，然后通過(guò)網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fluent進(jìn)行參數(shù)和邊界條件設(shè)置后，得到流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果。如圖9、圖10所示。

由圖9、圖10可知，該出氣口結(jié)構(gòu)內(nèi)流道的風(fēng)速分布不均勻，在2個(gè)導(dǎo)流板外的兩側(cè)“腋窩”處形成了2個(gè)低風(fēng)速區(qū)，最低風(fēng)速接近0 m/s，這是因?qū)Я靼宓脑O(shè)置角度不合理導(dǎo)致出氣口在工作時(shí)會(huì)擋住一部分氣流。因此，對(duì)該出氣口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改變導(dǎo)流板的位置和角度，增加導(dǎo)流板數(shù)量，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖9 出氣口風(fēng)速分布流線圖

圖10 出氣口風(fēng)速分布圖

圖11 優(yōu)化出氣口結(jié)構(gòu)

將改良后的出氣口結(jié)構(gòu)按照表2中的參數(shù)進(jìn)行流體模擬計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果如圖12所示。計(jì)算結(jié)果的后處理與進(jìn)氣口的計(jì)算后處理一樣，在該結(jié)構(gòu)中插入1個(gè)二維平面，得到該平面的風(fēng)速分布，如圖13所示。

由圖12可知，由于經(jīng)過(guò)改良后的出氣口改變了導(dǎo)板的形式和數(shù)量，因此出氣口風(fēng)速分布相當(dāng)均勻，在圖13展示的截面流速分布數(shù)據(jù)中，忽略靠近出氣口拐彎處的亂流區(qū)，最大風(fēng)速為6.02 m/s，最小風(fēng)速為4.08 m/s，氣體吸入口截面上流速平均值為0.83 m/s，流速分布標(biāo)準(zhǔn)差為0.19 m/s，風(fēng)場(chǎng)分布的均勻性增強(qiáng)。

圖12 優(yōu)化出氣口流速分布圖

圖13 優(yōu)化出氣口截面流速分布圖

4.3 艙室組合體的風(fēng)場(chǎng)仿真

仿真基本參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 流體計(jì)算參數(shù)設(shè)置

將組合體模型導(dǎo)入ANSYS軟件，首先通過(guò)體積抽取得到流體域，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于結(jié)構(gòu)中存在狹長(zhǎng)的板，且在進(jìn)氣口和艙室的連接處有陣列分布直徑為9 mm的小孔，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)采取高級(jí)尺寸控制函數(shù)捕捉鄰近度和曲率，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖14所示。

圖14 組合體模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fluent進(jìn)行參數(shù)和邊界條件設(shè)置后，得到流場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果，為了研究粉末床上方區(qū)域的流場(chǎng)分布狀況，當(dāng)對(duì)處理計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理時(shí)，插入二維截面，得到該界面上的流速分布，如圖15所示。

由圖15可知，在成形艙室粉末床區(qū)域的氣流場(chǎng)風(fēng)速分布均勻性較好。當(dāng)進(jìn)氣口容積流量為0.7 kg/s時(shí)，該區(qū)域氣流速度最大值為3.72 m/s，最小值為1.47 m/s，在CFD-POST中進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得到該區(qū)域風(fēng)速分布標(biāo)準(zhǔn)差為0.43 m/s，最小值出現(xiàn)在粉末創(chuàng)區(qū)域的最邊緣處，對(duì)粉末床主要區(qū)域的影響很小。且在該區(qū)域氣體流速明顯高于進(jìn)氣口和出氣口的流速，這說(shuō)明優(yōu)化后的進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)可以均勻地向艙室內(nèi)提供氣流場(chǎng)，而且還可以增強(qiáng)氣體流速的效果。

圖15 艙室截面風(fēng)速分布圖

試驗(yàn)證明（如圖16所示），優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠在成形艙設(shè)備的粉末床上方形成穩(wěn)定的氣流場(chǎng)，將成形時(shí)產(chǎn)生的灰塵、黑煙等雜物裹挾帶走，未在粉末床表面觀察到明顯的雜質(zhì)殘留，有利于提高打印零件的成形質(zhì)量和力學(xué)性能。

圖16 成形艙設(shè)備內(nèi)部粉末床區(qū)域

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，該文得出以下4個(gè)結(jié)論：1） 進(jìn)氣口采用逐級(jí)導(dǎo)流板設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的模擬結(jié)構(gòu)采用三級(jí)導(dǎo)流板，即惰性氣體將流經(jīng)3個(gè)截面積逐級(jí)變小的流道，與優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)相比，流出口截面的平均流速值從3.97 m/s升至4.83 m/s，氣體流速明顯提高，有利于向艙室內(nèi)提供均勻穩(wěn)定的氣流場(chǎng)。2） 優(yōu)化后的出氣口流道模擬結(jié)構(gòu)在氣體吸入口截面上流速平均值為0.83 m/s，流速分布標(biāo)準(zhǔn)差為0.19 m/s，優(yōu)化導(dǎo)流板的位置和角度，避免出現(xiàn)阻擋氣流的情況。3） 對(duì)進(jìn)/出氣流道模擬結(jié)構(gòu)與成形艙組合體模擬結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行仿真計(jì)算，成形艙粉末床區(qū)域的平均流速為3.46 m/s，流速分布標(biāo)準(zhǔn)差值僅為0.43 m/s。采用優(yōu)化后的進(jìn)/出氣流道結(jié)構(gòu)可以使成形艙內(nèi)氣流場(chǎng)風(fēng)速穩(wěn)定且較均勻地分布。4） 通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)基本滿足成形工藝需要。