激光選區(qū)熔化增材制造低壓降過濾器：設(shè)計(jì)、制造與仿真分析*

王 迪，馮永偉 ，葉光照，楊永強(qiáng) ，李 陽(yáng)， NEIL Burns，王家淳，韓昌駿

（1. 華南理工大學(xué)， 廣州 510641；2. Croft Filters Limited, Warrington WA36BL；3. 廣州城市理工學(xué)院，廣州 510800）

隨著航空事業(yè)的不斷發(fā)展，航空過濾器的種類愈來愈多，結(jié)構(gòu)也愈來愈復(fù)雜，其主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)中，保證潤(rùn)滑油在系統(tǒng)工作狀態(tài)下始終維持著優(yōu)良的潤(rùn)滑質(zhì)量，對(duì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)揮重要作用[1]。但是目前航空過濾器多采用網(wǎng)式和離心式，很少涉及徑向梯度深層過濾結(jié)構(gòu)。一般過濾器的中心區(qū)域流速過大會(huì)導(dǎo)致部分雜質(zhì)被沖擊到潤(rùn)滑系統(tǒng)當(dāng)中，因此需要對(duì)過濾器進(jìn)行梯度化設(shè)計(jì)，使中心區(qū)域網(wǎng)格更緊密，達(dá)到更好的過濾效果。同時(shí)，多孔過濾結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法不僅達(dá)到使航空過濾器輕量化的目的，還能實(shí)現(xiàn)流體在過濾過程中的低壓降和低阻力。

過濾器是一種通過過濾介質(zhì)對(duì)固液混合物中的固體顆粒進(jìn)行分離的裝置[2–3]。過濾器按照過濾介質(zhì)可分為多孔金屬板、金屬編織網(wǎng)、燒結(jié)多孔介質(zhì)和新型結(jié)構(gòu)[4]。多孔金屬板可通過沖壓板件獲得；金屬編織網(wǎng)則有多種編織方法，具有很好的柔韌性以及高的過濾精度，但是封口處會(huì)增大流體的流動(dòng)阻力；燒結(jié)多孔介質(zhì)具有深層過濾的優(yōu)點(diǎn)，但是其燒結(jié)的強(qiáng)度較低會(huì)導(dǎo)致在流體連續(xù)沖擊下脫落[5–6]；新型結(jié)構(gòu)是指摒除傳統(tǒng)工藝的制造方法，使用增材制造技術(shù)對(duì)過濾結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，獲得低壓降、低阻力的過濾器結(jié)構(gòu)[7]。

增材制造的原理是通過軟件將零件的三維模型進(jìn)行分層離散，然后自下而上逐層打印，最終疊加成型[8–9]。激光選區(qū)熔化 （Selective laser melting，SLM）技術(shù)具有設(shè)計(jì)自由、一體成形、零件性能一致性高等優(yōu)點(diǎn)，其使用激光束快速掃描熔化金屬粉末達(dá)到冶金結(jié)合效果，成形件的致密度近乎100%，是金屬增材制造領(lǐng)域最具發(fā)展前景的技術(shù)之一[10]。SLM 技術(shù)可加工材料包括高溫鎳基合金、鈦合金、不銹鋼、銅合金、鋁合金等，可以成形出隨流的孔向分布，同時(shí)能夠獲得尺寸精度小于0.1 mm 和Ra30～50 μm 的表面[11]。因此，航空過濾器受不符合傳統(tǒng)制造工藝所限的結(jié)構(gòu)問題通過SLM 技術(shù)能夠得到有效的解決，其結(jié)構(gòu)創(chuàng)新不僅免除過濾介質(zhì)封口工藝，增加過濾器整體強(qiáng)度，而且可以提高過濾效率，降低壓降。

近幾年不斷有學(xué)者開展3D 打印過濾器的研究。Withell 等[12]研究了工藝參數(shù)對(duì)陶瓷材料打印過濾器的影響。Yadroitsev 等[13]討論了采用SLM 技術(shù)制造薄壁過濾介質(zhì)和微米級(jí)流道過濾器的問題，研究了多孔結(jié)構(gòu)對(duì)材料過濾性能的影響。Croft Filters 公司通過SLM 技術(shù)制造了多孔結(jié)構(gòu)過濾器[14–15]，并對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度和壓降測(cè)試，結(jié)果表明，采用SLM 技術(shù)制造的過濾器擁有同等金屬材料的強(qiáng)度，并且雙層過濾介質(zhì)的過濾器具有更好的過濾效果[16–17]。

在金屬增材制造領(lǐng)域， SLM 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)過濾器高精度制造，但關(guān)于梯度多孔結(jié)構(gòu)型過濾器的研究較少。本文基于SLM 技術(shù)探究梯度多孔結(jié)構(gòu)過濾器的設(shè)計(jì)方法，并制造梯度多孔結(jié)構(gòu)過濾器，不僅可以降低過濾器的重量，還能降低流動(dòng)阻力和能源消耗、提升過濾性能，在航空過濾器的深層過濾和輕量化上具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 梯度多孔過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

梯度多孔結(jié)構(gòu)是指多孔結(jié)構(gòu)參數(shù)在一個(gè)或多個(gè)維度方向上發(fā)生梯度式改變。由流體力學(xué)可知，流體進(jìn)入管道時(shí)，由于管壁的摩擦力以及流體具有黏性，管壁的流體流速比管內(nèi)的流體流速低。對(duì)于普通的圓盤狀多孔結(jié)構(gòu)過濾器，中央?yún)^(qū)域流速更快，導(dǎo)致其阻攔的濾渣因流體連續(xù)沖擊發(fā)生變形而穿過過濾器。因此，需對(duì)圓盤狀多孔結(jié)構(gòu)過濾器進(jìn)行梯度化設(shè)計(jì)，使過濾器的孔隙率沿徑向?qū)崿F(xiàn)梯度式的變化。

使用Rhinoceros5 配合grasshopper插件設(shè)計(jì)cross、star 和vintiles 3 種單元體 （圖1）。其中，cross 單元體結(jié)構(gòu)是正方體對(duì)角線相連形成的6 個(gè)“X”形支柱，如圖1（a）所示；star 單元體結(jié)構(gòu)由體心立方結(jié)構(gòu)和正方體的十二棱柱組成，如圖1（b）所示；vintiles 單元體結(jié)構(gòu)分別由上下4 個(gè)正六邊形的棱柱連接而成，如圖1（c）所示。設(shè)計(jì)方法如下：對(duì)正多邊形沿著徑向等距獲得多個(gè)環(huán)狀區(qū)域，然后在其周向上平均劃分為相等的區(qū)間，從而得到近似“蜘蛛網(wǎng)狀”的放射型梯度區(qū)間，如圖1（d）所示；把每個(gè)梯度區(qū)間的4 個(gè)頂點(diǎn)與單元體結(jié)構(gòu)的4 個(gè)頂點(diǎn)進(jìn)行一一映射，將單元體結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉伸變形以適應(yīng)網(wǎng)格，從而得到徑向梯度過濾器結(jié)構(gòu)，如圖1（f）～（h）所示，可以看出，離圓心近的地方網(wǎng)孔更小，遠(yuǎn)離圓心的網(wǎng)孔更大；star 單元體結(jié)構(gòu)的電池圖如圖1（e）所示。

上述設(shè)計(jì)方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了過濾器徑向梯度的變化，但是由于梯度程度過大，最內(nèi)層單元體結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生交錯(cuò)重疊，而最外層支柱之間的孔隙太過稀疏而影響過濾精度，因此需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。思路是通過調(diào)控結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)控制單元體數(shù)量，進(jìn)而解決內(nèi)圈重疊密閉、外圈稀疏的問題。比如將最內(nèi)圈的結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)從10 個(gè)降至4 個(gè)，最外圈的結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)從10 個(gè)添加到16 個(gè)，可以得到優(yōu)化后的單元體結(jié)構(gòu)，如圖2（a）～（c）所示。在高度3 mm、直徑20 mm 的圓盤中，分別設(shè)計(jì)3 種單元體結(jié)構(gòu)、 4 種孔隙率的過濾器，結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：徑向分布4 個(gè)單元體；周向分布自內(nèi)而外分別設(shè)計(jì)4 個(gè)、8 個(gè)、12 個(gè)、16 個(gè)單元體；軸向設(shè)計(jì)1 個(gè)單元體。根據(jù)孔隙率的改變，支柱直徑范圍為0.25～0.52 mm，如圖2（d）和（e）所示。

1.2 SLM 打印設(shè)備

基于本文的研究?jī)?nèi)容，激光選區(qū)熔化成形設(shè)備采用華南理工大學(xué)增材制造實(shí)驗(yàn)室的SLM 設(shè)備DiMetal-100。其主要的性能指標(biāo)如表1 所示。

1.3 CFD 仿真

通過XFlow 軟件對(duì)過濾器進(jìn)行壓降–流量模擬仿真分析，建立管徑20 mm、長(zhǎng)40 mm 的管道模型。入口流量范圍為20～100 L/min，出口壓力為0，其余參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值。

1.4 壓降–流量測(cè)試平臺(tái)

本研究根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17486—1998，搭建了一套過濾器的壓降–流量測(cè)試平臺(tái)，如圖3 所示。測(cè)量過濾器壓降如下：當(dāng)流量計(jì)數(shù)值顯示在設(shè)定流量范圍內(nèi)時(shí)，才可開始記錄過濾器前后壓力表的讀數(shù)，兩個(gè)壓力表的差值即為過濾器壓降。每個(gè)流量對(duì)應(yīng)的壓力表數(shù)值需要維持30 s 以上的讀數(shù)時(shí)間，共采集6 組數(shù)據(jù)，并取其平均值作為該流量的壓降。

2 結(jié)果與討論

2.1 SLM 技術(shù)加工成形效果與后處理

圖4（a）為采用SLM 技術(shù)制造的梯度多孔結(jié)構(gòu)過濾器，可以看出，采用SLM 技術(shù)可以順利成形微小過濾孔徑的過濾器，但是存在明顯的粉末黏附現(xiàn)象，如圖4（b）所示，其可以通過適當(dāng)?shù)暮筇幚斫鉀Q粉末黏附造成的零件表面粗糙增大和小孔堵塞問題。從圖4（c）中可見，過濾器表面粘粉現(xiàn)象通過噴砂處理得到明顯改善，同時(shí)發(fā)現(xiàn)之前被堵住的孔也被重新打開，因此噴砂處理后能夠使過濾器的孔隙率更逼近設(shè)置值。

圖1 梯度多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法Fig.1 Design methods of gradient porous structure

2.2 CFD 仿真分析

圖5 是3 種多孔結(jié)構(gòu)過濾器下不同孔隙率的壓降–流量仿真結(jié)果，壓降測(cè)試方法如1.4 節(jié)所述?？芍琧ross、star 和vintiles 結(jié)構(gòu)的壓降隨著流量的增加而增加，各類多孔結(jié)構(gòu)的壓降值隨著孔隙率的增大逐漸減少，同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，star 與cross 結(jié)構(gòu)的壓降–流量曲線類似，而vintiles結(jié)構(gòu)的壓降表現(xiàn)相較于star 和cross結(jié)構(gòu)更為顯著。在低流量的情況下（q<60 L/min 時(shí)），相同孔隙率不同結(jié)構(gòu)的過濾器的壓降沒有很大的差異，此時(shí)結(jié)構(gòu)上的特征還不占據(jù)主導(dǎo)因素；當(dāng)流量q> 60 L/min 時(shí)，結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)開始凸顯。在孔隙率和流量相同的情況下，star結(jié)構(gòu)的壓降最大，cross 結(jié)構(gòu)的壓降次之，vintiles 結(jié)構(gòu)壓降最小。任意孔隙率vintiles 結(jié)構(gòu)的壓降均比大于該孔隙率10%的star 結(jié)構(gòu)還要小，表明了vintiles 結(jié)構(gòu)過濾器的優(yōu)異性。

2.3 梯度多孔過濾器壓降測(cè)試

圖6 為未噴砂、不同孔隙、不同結(jié)構(gòu)的壓降–流量試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。由圖6（a）可知，cross 結(jié)構(gòu)在不同孔隙率的實(shí)測(cè)壓降值均比仿真壓降值大，并且在100 L/min 流量時(shí)，60%孔隙率的cross 結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)壓降值與CFD仿真壓降值相差最大，實(shí)測(cè)壓降值是仿真壓降值的1.4 倍。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，cross 結(jié)構(gòu)70%孔隙率下的實(shí)測(cè)壓降值與60%孔隙率下的CFD 仿真值較為貼近，類似的，80%、90%孔隙率下的實(shí)測(cè)壓降值對(duì)應(yīng)于70%、80%孔隙率下的CFD 仿真壓降值。同樣地，對(duì)于star、vintiles 結(jié)構(gòu)也具有類似的現(xiàn)象，但是vintiles 結(jié)構(gòu)過濾器顯現(xiàn)出其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，最大壓降值168 kPa 發(fā)生在100 L/min 流量、60%孔隙率下，該值顯著低于cross、star 結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)值，這與CFD 仿真的預(yù)測(cè)結(jié)果相吻合。

圖2 可調(diào)控結(jié)點(diǎn)梯度多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法Fig.2 Design methods of adjustable node gradient porous structure

表1 DiMetal–100 主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of DiMetal–100

圖3 壓降–流量測(cè)試平臺(tái)Fig.3 Pressure drop-flow test platform

圖4 采用SLM 技術(shù)制造的梯度多孔結(jié)構(gòu)過濾器及其表面形貌Fig.4 Gradient porous structure filter made by SLM and its surface morphology

圖7 是3 種結(jié)構(gòu)過濾器噴砂處理后的壓降–流量測(cè)試結(jié)果，經(jīng)過噴砂處理后壓降實(shí)測(cè)值與CFD 仿真值誤差范圍在10%～20%。每種孔隙率的cross 結(jié)構(gòu)過濾器通過噴砂處理后的壓降均獲得改善，且60%孔隙率下壓降值更接近CFD 仿真預(yù)估的壓降值；相較于cross 結(jié)構(gòu)，star 結(jié)構(gòu)過濾器經(jīng)過噴砂處理后的試驗(yàn)值更貼近于CFD 仿真值，尤其是90%孔隙率的star 結(jié)構(gòu)過濾器與CFD 仿真預(yù)測(cè)壓降結(jié)果近乎一致；vintiles 結(jié)構(gòu)過濾器經(jīng)過噴砂處理后的壓降改善效果沒有cross 和star 結(jié)構(gòu)顯著。

圖5 3 種結(jié)構(gòu)過濾器在不同孔隙率下的壓降–流量仿真結(jié)果Fig.5 Pressure drop-flow simulation results of three filter structures under different porosities

圖6 未噴砂的3 種結(jié)構(gòu)過濾器在不同孔隙率下的壓降–流量的測(cè)試結(jié)果Fig.6 Pressure drop-flow test results of three filter structures without sandblasting under different porosities

2.4 討論

根據(jù)cross、star 和vintiles 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析流體經(jīng)過不同結(jié)構(gòu)過濾器的壓降變化，如圖8 所示。根據(jù)cross、star 和vintiles 結(jié)構(gòu)特性，將cross、star結(jié)構(gòu)分成3 層、vintiles 結(jié)構(gòu)劃分為兩層進(jìn)行分析。流體經(jīng)過cross 的第1 層“X”形結(jié)構(gòu)時(shí)，正面沖擊支柱而發(fā)生較多的壓力損耗，而第2 層的“X”形結(jié)構(gòu)為流體的切向方向，因此對(duì)流體的阻力相對(duì)較少，故此時(shí)壓降變化不大，流體進(jìn)入第3 層的流動(dòng)情況與流經(jīng)第1 層類似，此時(shí)流體再度被分割成多股小流體，壓力又一次明顯降低，如圖8（a）所示。流體經(jīng)過star 結(jié)構(gòu)的流動(dòng)狀況與corss 結(jié)構(gòu)是類似的，壓降同樣集中在第1 層和第3 層，如圖8（b）所示。star 結(jié)構(gòu)和cross 結(jié)構(gòu)的壓降–流量曲線表現(xiàn)較為相似，但是由于star 結(jié)構(gòu)的中間層為體心立方結(jié)構(gòu)，對(duì)流體流動(dòng)阻力阻礙更大，因此會(huì)產(chǎn)生更多的壓力損耗，從而導(dǎo)致star 結(jié)構(gòu)整體的壓降比cross 結(jié)構(gòu)大一些。對(duì)于vintiles結(jié)構(gòu)，流體先經(jīng)過vintiles 結(jié)構(gòu)的邊緣支柱，產(chǎn)生少量壓降，隨后流體進(jìn)入中間區(qū)域，該區(qū)域?yàn)? 個(gè)支柱形成的四邊形，是流體的法向方向，因此在該區(qū)域產(chǎn)生較大壓降，如圖8（c）所示。與cross 結(jié)構(gòu)和star 結(jié)構(gòu)分為3 層產(chǎn)生兩次大壓降的情況相比，vintiles 結(jié)構(gòu)只在兩層之間產(chǎn)生一次大的壓降，隨后幾乎不會(huì)產(chǎn)生壓降，故vintiles 結(jié)構(gòu)過濾器的壓降表現(xiàn)優(yōu)于cross 結(jié)構(gòu)和star 結(jié)構(gòu)。

圖7 噴砂處理后3 種結(jié)構(gòu)過濾器在不同孔隙率下的壓降–流量測(cè)試結(jié)果Fig.7 Pressure drop-flow test results of three filter structures after sandblasting under different porosities

由于激光功率過低，不能及時(shí)熔化激光光斑掃掠區(qū)域中的粉末，粉末就會(huì)以近似燒結(jié)的形式黏附在金屬實(shí)體的表面，導(dǎo)致表面出現(xiàn)粘粉現(xiàn)象。該現(xiàn)象使得實(shí)際孔隙率偏低，導(dǎo)致過濾器的實(shí)測(cè)壓降值與CFD 仿真結(jié)果存在較大的差距。過濾器經(jīng)過噴砂處理后，其堵塞的小孔被打通，同時(shí)進(jìn)行了表面強(qiáng)化，提高了支柱表面質(zhì)量，使得過濾器更逼近理想設(shè)計(jì)模型。盡管噴砂處理可以降低過濾器的壓降，但是與CFD 仿真壓降值還存在一定的偏差，因?yàn)橥ㄟ^噴砂處理后并不能使過濾器與設(shè)計(jì)的三維模型完全吻合，存在制造缺陷導(dǎo)致的幾何結(jié)構(gòu)誤差。vintiles 結(jié)構(gòu)較難通過噴砂沖擊打開被堵塞的小四邊形，而且其在不噴砂處理時(shí)壓降已經(jīng)比另外兩種結(jié)構(gòu)低，因此噴砂后的壓降變化小于cross 結(jié)構(gòu)和star 結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

本文探索了基于SLM 工藝梯度多孔結(jié)構(gòu)過濾器的設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)了3 種不同單元體、不同孔隙率的過濾器，再利用激光選區(qū)熔化進(jìn)行加工，成形出具有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的新型過濾器。

（1）采用SLM 制造技術(shù)可以順利成形出3 種不同單元體結(jié)構(gòu)的徑向梯度多孔過濾器，但是成形支柱存在粘粉現(xiàn)象，使表面較為粗糙，同時(shí)一些細(xì)小孔洞也會(huì)因此被堵塞，這些加工缺陷大大降低了過濾器的性能。

（2）后處理工藝可以很好地修復(fù)表面缺陷，使零件更逼近理想設(shè)計(jì)模型。經(jīng)過噴砂處理后，過濾性能均得到很大改善，其中vintiles 結(jié)構(gòu)過濾器由于自身結(jié)構(gòu)特性擁有優(yōu)異的過濾性能，在3 種結(jié)構(gòu)過濾器中 （同等孔隙率下）壓降和能耗最小，90%孔隙率下的vintiles 結(jié)構(gòu)過濾器壓降僅為70 kPa。

（3）CFD 仿真技術(shù)對(duì)過濾器壓降情況的預(yù)估效果很好，最終3 種不同單元體、不同孔隙率的過濾器壓降試驗(yàn)值與CFD 仿真值偏差范圍為10%～20%。

圖8 3 種結(jié)構(gòu)過濾器在80%孔隙率和100 L/min 下壓力云圖Fig.8 Pressure cloud diagrams of three filter structures at 80% porosity filter and 100 L/min