大幅面激光選區(qū)熔化成型倉(cāng)流場(chǎng)特性研究

劉國(guó)勇 ，張銅鑫，張文鵬，朱冬梅

（北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

隨著傳統(tǒng)的制造業(yè)逐漸向國(guó)際化轉(zhuǎn)型，傳統(tǒng)的制造成型技術(shù)會(huì)暴露出工序繁多、成本較高以及材料利用率低等問(wèn)題，已經(jīng)難以滿足多個(gè)行業(yè)高精度復(fù)雜零件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造要求［1］.增材制造技術(shù)有多種分支［2］，其中金屬增材制造技術(shù)是增材制造技術(shù)中最重要的分支［3］.金屬增材制造技術(shù)可以用于生產(chǎn)復(fù)雜度高、精度高等高要求的金屬部件，比如在航天領(lǐng)域中很多精度要求高的微小零件［4］.

激光選區(qū)熔化（Selective Laster Melting，SLM）技術(shù)是金屬增材制造領(lǐng)域里最有前景的主流技術(shù)之一［5］.該技術(shù)在理論上可以加工出任何形狀的零件，極大地提高了金屬零件的制造效率［6］.目前，激光選區(qū)熔化技術(shù)愈發(fā)成熟，在國(guó)內(nèi)外都得到了廣泛應(yīng)用.肖建軍等［7］、孫宏睿等［8］通過(guò)改進(jìn)成型倉(cāng)進(jìn)氣口的結(jié)構(gòu)來(lái)研究煙塵顆粒在成型倉(cāng)內(nèi)部的分布規(guī)律.蒲志新等［9］建立了小型SLM成型倉(cāng)，使用Fluent通過(guò)離散顆粒模型（Discrete Phase Model，DPM）對(duì)煙塵顆粒進(jìn)行追蹤，通過(guò)改變保護(hù)氣體吹氣和吸氣結(jié)構(gòu)的位置來(lái)分析對(duì)成型倉(cāng)內(nèi)部煙塵的影響.Ladewig 等［10］研究了激光與粉末作用過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物、噴射的粉末、冷凝液等副產(chǎn)品對(duì)SLM 工藝的影響.Gunenthiram等［11］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用低體積能量密度和大斑點(diǎn)結(jié)合的方法，用來(lái)確保足夠深的熔池穿透，可以完全抑制飛濺.Bin Anwar等［12-13］對(duì)SLM280成型倉(cāng)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)值模擬仿真.Ly 等［14］總結(jié)了粉末顆粒與蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)的氬氣流的相互作用.

目前，對(duì)于SLM 成型倉(cāng)內(nèi)部流場(chǎng)的研究，大多涉及小型SLM 成型倉(cāng)，有關(guān)大幅面成型倉(cāng)流場(chǎng)仿真的報(bào)道較少，并且對(duì)于保護(hù)氣體流場(chǎng)的考慮都只針對(duì)成型倉(cāng)面上方位置，沒(méi)有關(guān)注保護(hù)氣體在成型倉(cāng)內(nèi)部整體形成的流場(chǎng)及激光振鏡下方等關(guān)鍵位置的流動(dòng)情況.本文通過(guò)建立多種典型的大幅面成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)，利用Fluent 流體力學(xué)軟件研究保護(hù)氣體在成型倉(cāng)內(nèi)部空間的流動(dòng)規(guī)律，通過(guò)分析成型臺(tái)面上方和激光鏡頭下方保護(hù)氣體的流動(dòng)，說(shuō)明保護(hù)氣體流場(chǎng)的合理性，得到最優(yōu)的成型倉(cāng)結(jié)構(gòu).

1 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真模型建立

保護(hù)氣體在SLM 成型倉(cāng)內(nèi)部的流動(dòng)有很多影響因素.進(jìn)氣結(jié)構(gòu)和出氣結(jié)構(gòu)等對(duì)于保護(hù)氣體的流場(chǎng)均勻性有很大影響，尤其是進(jìn)氣結(jié)構(gòu)在SLM 成型倉(cāng)流場(chǎng)設(shè)計(jì)中占有重要地位.本文擬分析多種1 000 mm×1 000 mm×600 mm 大幅面成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)，成型臺(tái)面大小為500 mm×500 mm.根據(jù)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)與出氣結(jié)構(gòu)的不同，參考常用成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)4 種成型倉(cāng)模型.為了對(duì)其分類方便，4種成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)均按照保護(hù)氣體進(jìn)氣方式對(duì)成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行命名，分別是分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)，優(yōu)點(diǎn)是成型倉(cāng)進(jìn)口處氣流比單獨(dú)進(jìn)口更加均勻進(jìn)入成型倉(cāng)；阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)，與分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)相比，在進(jìn)氣處設(shè)置阻尼板，利用阻尼板使進(jìn)入成型倉(cāng)內(nèi)部的氣流流場(chǎng)穩(wěn)定；上進(jìn)下出式成型倉(cāng)，優(yōu)點(diǎn)是保護(hù)氣體在重力的作用下，從上至下將成型倉(cāng)內(nèi)部的顆粒吹出；多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)，不僅增加了進(jìn)氣面積，并且利用風(fēng)墻使保護(hù)氣體更加均勻地進(jìn)入成型倉(cāng).

1.1 分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)流場(chǎng)模型建立

分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)三維模型如圖1 所示，主要包括進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、出氣結(jié)構(gòu)、成型倉(cāng)頂部的激光振鏡.進(jìn)氣結(jié)構(gòu)由半徑為3 cm 的進(jìn)氣口，為了提高保護(hù)氣體流動(dòng)均勻性以及進(jìn)氣效率，設(shè)置5塊進(jìn)氣擋板形成6個(gè)獨(dú)立腔體輸運(yùn)保護(hù)氣體，單個(gè)腔體尺寸為50 mm×100 mm，達(dá)到分腔進(jìn)氣目的.通過(guò)SpaceClaim 中的體積抽取工具獲取分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)流場(chǎng)模型，如圖2所示.

圖1 分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)三維模型Fig.1 3D model of multi-cavity inlet forming bin

圖2 分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)流場(chǎng)模型Fig.2 Flow field model of multi-cavity inlet forming bin

1.2 阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)流場(chǎng)模型建立

圖3 為阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)三維模型，主要包括多孔阻尼進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、出氣結(jié)構(gòu)、成型倉(cāng)頂部的激光振鏡.

圖3 阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)三維模型Fig.3 3D model of damping plate inlet forming bin

設(shè)置3 排半徑為5 mm 的阻尼孔，阻尼槽尺寸為710 mm×60 mm，這種多孔阻尼的形式能夠進(jìn)一步提高保護(hù)氣體的進(jìn)氣效率，同樣可以提高流動(dòng)均勻性.出口仍采用分腔出氣的結(jié)構(gòu)，主要包括多孔阻尼進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、出氣結(jié)構(gòu)、成型倉(cāng)頂?shù)募す庹耒R.通過(guò)SpaceClaim 中的體積抽取工具獲取阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)流場(chǎng)模型，如圖4所示.

圖4 阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)流場(chǎng)模型Fig.4 Flow field model of damping plate inlet forming bin

1.3 上進(jìn)下出式成型倉(cāng)流場(chǎng)模型建立

圖5 為上進(jìn)下出式成型倉(cāng)三維模型，主要包括進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、出氣結(jié)構(gòu)、成型倉(cāng)頂部的多激光振鏡.進(jìn)氣口設(shè)計(jì)在成型倉(cāng)上方，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后采用的是橢圓形進(jìn)氣口，出氣結(jié)構(gòu)在成型倉(cāng)底端兩側(cè)，多激光鏡頭加工時(shí)，此種結(jié)構(gòu)適合于多激光加工形成一個(gè)上方進(jìn)氣，下兩側(cè)出氣的保護(hù)氣體流場(chǎng).其中出氣結(jié)構(gòu)和分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)相同，進(jìn)氣結(jié)構(gòu)為橢圓形進(jìn)氣口.通過(guò)SpaceClaim 中的體積抽取工具獲取上進(jìn)下出式成型倉(cāng)流場(chǎng)模型，如圖6所示.

圖5 上進(jìn)下出式成型倉(cāng)三維模型Fig.5 3D model of top-in and bottom-out forming bin

圖6 上進(jìn)下出式成型倉(cāng)流場(chǎng)模型Fig.6 Flow field model of top-in and bottom-out forming bin

1.4 多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)流場(chǎng)模型建立

圖7 為多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)三維模型，這種模型的結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)不能在保護(hù)氣體進(jìn)入時(shí)覆蓋成型倉(cāng)底面的缺點(diǎn)，并且在進(jìn)氣口采用了更優(yōu)良的分腔進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，矩形進(jìn)氣口可以保護(hù)氣體在進(jìn)入擋板之前有更充分的流動(dòng)，可以穩(wěn)定地流入分腔結(jié)構(gòu)中.風(fēng)墻尺寸為1 000 mm×600 mm，孔的半徑為10 mm，孔按照一排14 個(gè)，一排13 個(gè)交替布置，共布置15排.

圖7 多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)三維模型Fig.7 3D model of porous wind wall forming bin

保護(hù)氣體通過(guò)多孔風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，讓成型倉(cāng)內(nèi)部形成大面積的前置氣流，有利于提高排煙效率.這種成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)主要包括上部的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)、多孔風(fēng)墻結(jié)構(gòu)、出氣結(jié)構(gòu)以及成型倉(cāng)頂部的激光振鏡部分.通過(guò)SpaceClaim 中的體積抽取工具獲取多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)流場(chǎng)模型，如圖8所示.

圖8 多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)流場(chǎng)模型Fig.8 Flow field model of porous wind wall forming bin

1.5 網(wǎng)格劃分與無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

對(duì)建立的4 種成型倉(cāng)流場(chǎng)模型劃分網(wǎng)格，均采用先Mesh 劃分再使用多面體優(yōu)化網(wǎng)格的方式.由于采用的劃分方法一致，下面僅展示分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)流場(chǎng)模型的網(wǎng)格，其他成型倉(cāng)流場(chǎng)網(wǎng)格不再贅述.分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)流場(chǎng)網(wǎng)格模型如圖9所示.

圖9 分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)流場(chǎng)網(wǎng)格模型Fig.9 Grid model of multi-cavity inlet forming bin

流場(chǎng)數(shù)值模擬精度受網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量的影響，而網(wǎng)格數(shù)量和質(zhì)量又受到計(jì)算機(jī)資源配置的限制，因此，需要進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證.采用Fluent 流體仿真軟件對(duì)成型倉(cāng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，根據(jù)網(wǎng)格數(shù)量與出口流量的關(guān)系來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性.結(jié)果如表1所示.

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Tab.1 Grid independence validation

由表1 可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于146 萬(wàn)時(shí)，成型倉(cāng)出口流量的誤差值在1.0%以內(nèi)，且隨著網(wǎng)格數(shù)量增多誤差越來(lái)越小，基本可以認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到146萬(wàn)后，仿真結(jié)果與網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān).在保證精度的前提下，為了節(jié)省資源，故選取方案d 作為后續(xù)仿真模擬的網(wǎng)格數(shù)量.4種結(jié)構(gòu)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證如表2所示.

表2 4種結(jié)構(gòu)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證Tab.2 Grid independence validation of four structures

1.6 邊界條件及求解器設(shè)置

采用Fluent 軟件對(duì)多種成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全流場(chǎng)仿真，邊界條件的設(shè)置在整個(gè)流場(chǎng)模擬中有重要影響，能夠直接影響模擬結(jié)果.成型倉(cāng)純流場(chǎng)仿真的邊界條件主要包括保護(hù)氣體入口，保護(hù)氣體流動(dòng)出口和壁面邊界.各邊界條件如下：保護(hù)氣體采用氬氣（Ar），密度為1.622 8 kg/m3，全局設(shè)置重力9.81 m/s2，黏性系數(shù)為2.1×10-5Pa·s，方向?yàn)閆方向向下，進(jìn)氣口采用速度入口（Velocity Inlet），出氣位置處采用壓力出口（Pressure Outlet）.成型倉(cāng)最適宜速度根據(jù)文獻(xiàn)［9］得到.由于本文分析的4 種結(jié)構(gòu)從進(jìn)氣口到進(jìn)入成型倉(cāng)的距離并不相同，為了使4 種結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)具有可比性，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)仿真，各個(gè)成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)采用的進(jìn)氣速度分別為：分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)3 m/s、阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)1 m/s、上進(jìn)下出式成型倉(cāng)1 m/s、多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)3 m/s.利用公式（1）計(jì)算雷諾數(shù)Re來(lái)判斷成型倉(cāng)的流動(dòng)狀態(tài).

式中：ρ、v、μ、d分別為流體的密度、流速、黏度系數(shù)和特征尺寸.分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)、阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)、上進(jìn)下出式成型倉(cāng)和多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)的特征尺寸分別為50 mm、110 mm、75 mm、114 mm，利用公式（1），得到4 種成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)的雷諾數(shù)分別為11 591、25 640、17 387、26 428，均大于雷諾數(shù)臨界值4 000［15］，所以4種結(jié)構(gòu)均采用湍流模型計(jì)算.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)保護(hù)氣體流動(dòng)特性分析

分腔進(jìn)氣結(jié)構(gòu)在保護(hù)氣體進(jìn)入空間的基礎(chǔ)上，能保證一定的氣流穩(wěn)定性.通過(guò)穩(wěn)態(tài)仿真模擬，當(dāng)?shù)諗繒r(shí)，得到分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)中間截面流場(chǎng)速度矢量圖如圖10 所示.保護(hù)氣體從右側(cè)底部分腔進(jìn)氣口射入，首先向前形成一股射流，流速及流向比較穩(wěn)定.由于成型倉(cāng)壁面的限制，有一部分保護(hù)氣流沿著壁面向上運(yùn)動(dòng)，到成型倉(cāng)左側(cè)隅角處向右側(cè)折返，流速減慢后保護(hù)氣流擴(kuò)散，形成回流.由于倉(cāng)體壁面的限制，有一小部分保護(hù)氣體在進(jìn)入倉(cāng)體時(shí)，向成型倉(cāng)頂部運(yùn)動(dòng)，最終與經(jīng)過(guò)壁面折返的保護(hù)氣流匯聚形成小部分漩渦.

圖10 分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)中間截面流場(chǎng)速度矢量圖Fig.10 Velocity vector diagram of the middle section of multi-cavity inlet forming bin

SLM 加工過(guò)程中，煙塵一般產(chǎn)生在成型臺(tái)面上方10～30 mm 處.分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm 處截面氣體速度矢量圖如圖11 所示.從圖11可以看出，此保護(hù)氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入后，一部分氣流可以到達(dá)出氣口，形成以入口主流為軸線，左右兩側(cè)有小型湍流的流動(dòng)現(xiàn)象.由于進(jìn)氣口氣流的不均勻性，會(huì)有部分氣流在進(jìn)入成型倉(cāng)時(shí)向周圍擴(kuò)散，最終會(huì)在壁面隅角處形成小型漩渦.由此可以看出，進(jìn)氣裝置對(duì)保護(hù)氣體形成的流場(chǎng)有重要影響.

圖11 分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處截面氣體速度矢量圖Fig.11 Velocity vector diagram of 20 mm section above forming table of multi-cavity inlet forming bin

圖12為分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處氣體平均流速曲線.從圖12 中可以看出，在成型臺(tái)面上方，最低流速為145 mm/s，最高流速為250 mm/s，流速在145～250 mm/s 內(nèi)，整個(gè)平面內(nèi)氣流均勻性有待提高.其原因在于，分腔式進(jìn)氣結(jié)構(gòu)仍然會(huì)引起部分氣流在進(jìn)入成型倉(cāng)體前導(dǎo)致氣流的不均勻，與圖11得到的結(jié)論一致.

圖12 分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處氣體的平均流速曲線Fig.12 Average velocity curve of 20 mm above forming table of multi-cavity inlet forming bin

圖13為分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)激光鏡頭下方20 mm處氣體平均流速曲線.從圖13 中可以看出，在激光鏡頭下方，最低流速為11 mm/s，最高流速達(dá)到24 mm/s，整體流速在11～24 mm/s 內(nèi).保護(hù)氣流需要在激光鏡頭下方流動(dòng)，目的是不讓煙塵顆粒滯留在鏡頭下方，導(dǎo)致激光在達(dá)到成型臺(tái)面前受到衰減，所以在鏡頭下方只需要小流速的保護(hù)氣體，因此，本結(jié)構(gòu)在該位置處的流速是合理的.

圖13 分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)激光鏡頭下方20 mm處氣體的平均流速曲線Fig.13 Average velocity curve of 20 mm under the laser lens of multi-cavity inlet forming bin

2.2 阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)保護(hù)氣體流動(dòng)特性分析

通過(guò)穩(wěn)態(tài)仿真模擬，當(dāng)?shù)諗坎⑶疫M(jìn)、出口流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)中間截面的氣體流速矢量圖如圖14 所示.由圖14 可知，保護(hù)氣體從成型倉(cāng)底端阻尼板進(jìn)氣后，沿著成型倉(cāng)壁面向前射流，隨著流速逐漸衰減，大部分保護(hù)氣體從成型倉(cāng)出氣位置處排出.剩余部分的保護(hù)氣流沿著成型倉(cāng)壁面向上運(yùn)動(dòng)，到成型倉(cāng)左側(cè)隅角處向右側(cè)折返，由于內(nèi)部空間較大，流速減慢后保護(hù)氣流擴(kuò)散，形成回流.阻尼板結(jié)構(gòu)增加了氣流穩(wěn)定性，在保護(hù)氣體從進(jìn)氣口進(jìn)氣后小范圍擴(kuò)散，相比分腔進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，成型倉(cāng)上部隅角處的渦流消失.可以看出這種進(jìn)氣結(jié)構(gòu)對(duì)于保護(hù)氣體形成的流場(chǎng)有重要影響.

圖14 阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)中間截面的氣體流速矢量圖Fig.14 Velocity vector diagram of the middle section of damping plate inlet

阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm 處截面氣體速度矢量圖如圖15 所示.保護(hù)氣流從阻尼板進(jìn)氣口進(jìn)入成型倉(cāng)后，可以向前形成均勻的流場(chǎng)，隨著氣流衰減，可以看出，成型倉(cāng)中心氣體流速較快，形成了以入口主流為軸線，左右兩側(cè)有小型湍流的流動(dòng)現(xiàn)象.由于阻尼板邊緣氣體流速較低，在成型倉(cāng)末端隅角處形成了兩個(gè)小型渦流，可以看出，進(jìn)氣結(jié)構(gòu)對(duì)于保護(hù)氣體形成的流場(chǎng)有重要影響.在成型臺(tái)面上方流場(chǎng)中，進(jìn)入成型倉(cāng)前保護(hù)氣體流速較大，流速為750～1 000 mm/s，經(jīng)過(guò)分流進(jìn)入倉(cāng)內(nèi)后，風(fēng)速逐漸降低，在成型臺(tái)中心面上方最大流速為810 mm/s，最小流速為710 mm/s.整個(gè)成型倉(cāng)臺(tái)面上方流速為715～810 mm/s.從出口流出的保護(hù)氣體流速在500～750 mm/s 內(nèi)，形成回流的氣體流速為250～500 mm/s，渦流處的保護(hù)氣體流速較小，容易滯留小部分煙塵.

圖15 阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處截面的氣體速度矢量圖Fig.15 Velocity vector diagram of 20 mm section above forming table of damping plate inlet forming bin

圖16為阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處氣體平均流速曲線.從圖16 中可以看出，在成型臺(tái)面上方，最低流速為728 mm/s，最高流速為791 mm/s，流速在728～791 mm/s 內(nèi)，可以看出整個(gè)平面內(nèi)氣流均勻性有明顯提高.成型臺(tái)面上方中間部分流速較大，兩側(cè)較低，和截面速度矢量圖得到的規(guī)律一致.多孔阻尼板進(jìn)氣口可以獲得比較均勻的保護(hù)氣體氣流，但是成型倉(cāng)兩側(cè)仍有部分回流.

圖16 阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處氣體的平均流速曲線Fig.16 Average velocity curve of 20 mm above forming table of damping plate inlet forming bin

圖17為阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)激光鏡頭下方20 mm處氣體的平均流速曲線.由圖17 可知，保護(hù)氣體流速最小為225 mm/s，最高為320 mm/s，流速在225～320 mm/s內(nèi)，激光鏡頭下方的保護(hù)氣體流場(chǎng)是由保護(hù)氣體沿著成型倉(cāng)壁面向上流動(dòng)經(jīng)過(guò)形成的，由于保護(hù)氣體流速衰減程度不同，導(dǎo)致鏡頭下方的Y方向的流速略有不同，形成了沿Y方向遞增的趨勢(shì).

圖17 阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)激光鏡頭下方20 mm處氣體的平均流速曲線Fig.17 Average velocity curve of 20 mm under the laser lens of damping plate inlet forming bin

2.3 上進(jìn)下出式成型倉(cāng)保護(hù)氣體流動(dòng)特性分析

上進(jìn)下出式成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是它可以減少由于大幅面成型倉(cāng)內(nèi)部空間過(guò)大而導(dǎo)致的保護(hù)氣體衰減的影響，保護(hù)氣體從頂部中間位置向兩邊擴(kuò)散，在一定程度上減少了保護(hù)氣體流出至出氣口的行程.這種結(jié)構(gòu)能形成大面積的保護(hù)氣體流場(chǎng)，覆蓋整個(gè)成型臺(tái)面，減少煙塵對(duì)材料加工的影響.通過(guò)穩(wěn)態(tài)仿真模擬，當(dāng)?shù)諗坎⑶疫M(jìn)出口流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，獲得上進(jìn)下出式成型倉(cāng)中間截面的保護(hù)氣體流速矢量圖如圖18所示.

圖18 上進(jìn)下出式成型倉(cāng)中間截面的氣體流速矢量圖Fig.18 Velocity vector diagram of the middle section of top-in and bottom-out forming bin

由圖18 可知，保護(hù)氣體從成型倉(cāng)頂端進(jìn)氣口進(jìn)入成型倉(cāng)后，保護(hù)氣體會(huì)向成型倉(cāng)底端流動(dòng)，形成向下的保護(hù)氣體射流，隨著速度逐漸衰減，到達(dá)成型倉(cāng)底面后，會(huì)沿著成型倉(cāng)底面平鋪擴(kuò)散，然后從成型倉(cāng)底面兩側(cè)的出氣口處流出.由于成型倉(cāng)壁面的限制，導(dǎo)致保護(hù)氣體不會(huì)全部流出，部分保護(hù)氣體會(huì)沿著成型倉(cāng)側(cè)壁向上流動(dòng)，到達(dá)成型倉(cāng)頂端隅角后，向出氣口方向流動(dòng)，最終同進(jìn)氣口保護(hù)氣體匯聚，形成循環(huán)氣流.但是由于保護(hù)氣體流速的衰減，部分沿成型倉(cāng)側(cè)壁流動(dòng)的保護(hù)氣體無(wú)法流向成型倉(cāng)頂端出氣口，最終在成型倉(cāng)兩側(cè)形成渦流.

上進(jìn)下出式成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm 處截面的氣體流速矢量圖如圖19 所示.由圖19 可知，保護(hù)氣流從成型倉(cāng)頂端橢圓形進(jìn)氣口進(jìn)入成型倉(cāng)并向下射流后，成型臺(tái)面中間位置處的速度最大，由于成型壁面的限制，保護(hù)氣流向四周擴(kuò)散，部分氣流從兩側(cè)出氣結(jié)構(gòu)中排出，還有部分氣流流至成型倉(cāng)4 個(gè)隅角處，形成小型渦流，此渦流容易造成煙塵的滯留，不利于煙塵排出.在成型臺(tái)面上方流場(chǎng)中，形成從成型臺(tái)面中心向四周擴(kuò)散的保護(hù)氣體流場(chǎng)，流速?gòu)闹行南蛩闹芩p，在成型臺(tái)中心面上方最大流速為325 mm/s，整個(gè)成型倉(cāng)臺(tái)面上方流速在150～325 mm/s內(nèi).從出口流出的保護(hù)氣體流速在20～200 mm/s 內(nèi)，形成回流的氣體流速在20～80 mm/s 內(nèi).此渦流容易滯留小部分煙塵.

圖19 上進(jìn)下出式成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處截面的氣體流速矢量圖Fig.19 Velocity vector diagram of 20 mm section above forming table of top-in and bottom-out forming bin

圖20為上進(jìn)下出式成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處氣體的平均流速曲線.由圖20 可知，在成型臺(tái)面上方，最低流速為160 mm/s，最高流速為280 mm/s，流速在160～280 mm/s 內(nèi)，成型臺(tái)面上方形成了中心流速高，兩邊流速低，由中心向四周擴(kuò)散的趨勢(shì).此類型成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)可以保證整個(gè)成型臺(tái)面上方均有保護(hù)氣流的覆蓋，減小煙塵對(duì)加工影響，但是由于兩側(cè)存在回流，仍無(wú)法高效地將煙塵排出成型倉(cāng).

圖20 上進(jìn)下出式成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處氣體的平均流速曲線Fig.20 Average velocity curve of 20 mm above forming table of top-in and bottom-out forming bin

圖21為上進(jìn)下出式成型倉(cāng)激光鏡頭下方20 mm處氣體的平均流速曲線.由圖21 可知，在該位置處流速最大為160 mm/s，最小為56 mm/s，整體流速在56～160 mm/s內(nèi)，保證了激光鏡頭下方有保護(hù)氣流流動(dòng)，減少煙塵對(duì)該位置的影響；但是從圖21 中看出，受到空間中湍流的影響，當(dāng)保護(hù)氣體到達(dá)激光鏡頭下方位置時(shí)，整體的流速均勻性一般，造成該位置處氣流不穩(wěn)定.

圖21 上進(jìn)下出式成型倉(cāng)激光鏡頭下方20 mm處氣體的平均流速曲線Fig.21 Average velocity curve of 20 mm under the laser lens of top-in and bottom-out forming bin

2.4 多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)保護(hù)氣體流動(dòng)特性分析

多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)可以形成大面積保護(hù)氣體前置氣流，有助于煙塵的流動(dòng)排出，并且內(nèi)部可以形成從進(jìn)口到出口的循環(huán)氣流，將沒(méi)有及時(shí)排出的煙塵在多次流動(dòng)后排出成型倉(cāng).進(jìn)氣口結(jié)構(gòu)大小為200 mm×80 mm，通過(guò)穩(wěn)態(tài)仿真模擬，當(dāng)?shù)諗繒r(shí)，得到多孔風(fēng)墻流場(chǎng)流速矢量圖，為更加方便地看出中間截面流場(chǎng)速度變化過(guò)程，調(diào)整圖例的上限至1 000 mm/s，如圖22所示.

圖22 多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)中間截面流場(chǎng)速度矢量圖Fig.22 Velocity vector diagram of the middle section of porous wind wall forming bin

由圖22 可知，保護(hù)氣體從進(jìn)氣結(jié)構(gòu)中進(jìn)入成型倉(cāng)，流速沿著結(jié)構(gòu)由上到下逐漸衰減，慣性氣流向成型倉(cāng)底端流動(dòng)，并流入多孔風(fēng)墻進(jìn)入成型倉(cāng)體.從多孔風(fēng)墻進(jìn)入成型倉(cāng)的保護(hù)氣體沿著成型倉(cāng)壁向出氣口流動(dòng).由于倉(cāng)體壁面的限制，部分保護(hù)氣體沿著成型倉(cāng)壁向成型倉(cāng)頂端流動(dòng)，經(jīng)過(guò)激光鏡頭向出氣結(jié)構(gòu)流動(dòng)，最終與從多孔風(fēng)墻上端孔流出的保護(hù)氣體匯聚，并向成型倉(cāng)下端流動(dòng)，沒(méi)有形成渦流并且形成循環(huán)氣流.

由此可以看出，在成型臺(tái)面上方有均勻的保護(hù)氣體流動(dòng)，能形成均勻的保護(hù)氣體流場(chǎng).并且在激光鏡頭下方，也有低流速的氣流均勻流過(guò)，整個(gè)平面沒(méi)有形成小型渦流，可以看出多孔風(fēng)墻結(jié)構(gòu)較好.

圖23為多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處截面的氣體流速矢量圖.由圖23可知，保護(hù)氣流從多孔風(fēng)墻進(jìn)入后，整個(gè)平面可以獲得沿著成型倉(cāng)壁向前的前置氣流，形成流速較均勻的保護(hù)氣體流場(chǎng)，并且平面內(nèi)沒(méi)有形成小型渦流，保護(hù)氣流能夠良好地?cái)y帶加工煙塵，有良好排出效果，不會(huì)導(dǎo)致煙塵的滯留.在整個(gè)成型倉(cāng)流場(chǎng)中，進(jìn)入成型倉(cāng)前保護(hù)氣體流速較大，流速在180～450 mm/s內(nèi).經(jīng)過(guò)多孔風(fēng)墻進(jìn)入倉(cāng)內(nèi)后，整個(gè)平面向前形成前置氣流，保護(hù)氣體向前流動(dòng)并且風(fēng)速逐漸降低，在成型臺(tái)面上方流速為200～340 mm/s.出口位置的保護(hù)氣體流速為80～225 mm/s.

圖23 多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處截面的氣體流速矢量圖Fig.23 Velocity vector diagram of 20 mm section above forming table of porous wind wall forming bin

圖24為多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處氣體的平均流速曲線.由圖24可知，在成型臺(tái)面上方，最低平均流速為284 mm/s，最高流速為308 mm/s，流速在284～308 mm/s 內(nèi)，可以看出整個(gè)平面內(nèi)氣流均勻性有明顯提高.多孔風(fēng)墻結(jié)構(gòu)可以獲得比較均勻的保護(hù)氣體氣流.

圖24 多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)成型臺(tái)面上方20 mm處氣體的平均流速曲線Fig.24 Average velocity curve of 20 mm above forming table of porous wind wall forming bin

圖25為多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)激光鏡頭下方20 mm處氣體的平均流速曲線.由圖25 可知，最低的平均流速為142 mm/s，最高流速為175 mm/s，整體保護(hù)氣體流速在142～175 mm/s 內(nèi).可以看出在激光鏡頭下方位置整體氣流的均勻性較其他幾種結(jié)構(gòu)有明顯提高，保護(hù)氣體更利于形成穩(wěn)定均勻的氣體流場(chǎng).

圖25 多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)激光鏡頭下方20 mm處氣體的平均流速曲線Fig.25 Average velocity curve of 20 mm under the laser lens of porous wind wall forming bin

3 多種成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

為了對(duì)比各個(gè)成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)形成的保護(hù)氣體流場(chǎng)均勻性，參考《電除塵器》（GB/T GB/T 40514―2021），流場(chǎng)的均勻性可以通過(guò)分析區(qū)域流過(guò)的流量差異性，所以本文選擇對(duì)成型臺(tái)面上方區(qū)域進(jìn)行線性切分，通過(guò)流速波動(dòng)比的方式來(lái)表征均勻性分析.

利用Fluent 中流體的標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計(jì)功能，結(jié)合所分析成型臺(tái)面上方斷面流速，得到斷面流速波動(dòng)比如式（2）所示.根據(jù)式（2）得到的波動(dòng)比越接近1，說(shuō)明該斷面處氣流速度越均勻；波動(dòng)比大于1，說(shuō)明該位置處流速大于平均流速；小于1則反之.

式中：vi為成型臺(tái)面上方進(jìn)氣口至出氣口方向保護(hù)氣體速度，i=1，2，3，…，n；為平面的平均速度；λi為對(duì)應(yīng)位置處的波動(dòng)比；共分割n塊平面區(qū)域.

基于以上對(duì)分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)、阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)、上進(jìn)下出式成型倉(cāng)以及多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)4 種結(jié)構(gòu)保護(hù)氣體流場(chǎng)的分析，根據(jù)公式（2）可以得到成型臺(tái)面上方保護(hù)氣體波動(dòng)比曲線，如圖26所示.由圖26可知，分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)的波動(dòng)比為0.70～1.15，并且形成多次波動(dòng)，這是由于保護(hù)氣體進(jìn)氣的不均勻性導(dǎo)致波動(dòng)較大.阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)波動(dòng)比為0.95～1.02，可以在成型臺(tái)面上方形成穩(wěn)定的保護(hù)氣體流場(chǎng)，氣流均勻性較好.上進(jìn)下出式成型倉(cāng)的波動(dòng)比為0.75～1.25，該成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)從頂部中間位置進(jìn)氣，在300～500 mm內(nèi)速度最大，兩側(cè)速度較小，所以會(huì)形成中間高，兩側(cè)低的波動(dòng)曲線.多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)波動(dòng)比為0.97～1.01，波動(dòng)范圍很小，可以在成型臺(tái)面上方形成穩(wěn)定的保護(hù)氣體流場(chǎng)，從而利于煙塵向出口流動(dòng).

圖26 成型臺(tái)面上方保護(hù)氣體波動(dòng)比曲線Fig.26 The fluctuation ratio curves of the shielding gas above the forming table

激光鏡頭下方保護(hù)氣體波動(dòng)比曲線如圖27 所示.由圖27 可知，分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)波動(dòng)比為0.60～1.25，波動(dòng)范圍較大，這是由于在進(jìn)口處進(jìn)氣的不均勻?qū)е職饬餮刂诿嫦蛏狭鲃?dòng)至激光鏡頭下方處時(shí)，形成了不穩(wěn)定的保護(hù)氣體流場(chǎng).阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)波動(dòng)比為0.81～1.42，相比成型臺(tái)面上方位置波動(dòng)范圍擴(kuò)大，原由是阻尼板進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的寬度可以覆蓋成型臺(tái)面的寬度，但是針對(duì)大幅面成型倉(cāng)，成型倉(cāng)兩側(cè)空間不能在進(jìn)氣時(shí)被保護(hù)氣體覆蓋，而是由保護(hù)氣體的擴(kuò)散形成兩側(cè)流場(chǎng)，所以當(dāng)保護(hù)氣體沿著成型倉(cāng)壁面向上流動(dòng)至激光下方時(shí)，會(huì)形成不穩(wěn)定的保護(hù)氣體流場(chǎng)，造成波動(dòng)范圍擴(kuò)大.上進(jìn)下出式成型倉(cāng)的波動(dòng)比為0.50～1.50，進(jìn)氣由頂部中間位置垂直進(jìn)氣，并且激光振鏡在頂部中間位置，所以會(huì)形成方向相反的氣流在鏡頭下方位置匯聚.多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)波動(dòng)比為0.95～1.10，多孔風(fēng)墻結(jié)構(gòu)可以保證氣流覆蓋整個(gè)成型倉(cāng)底部，向上可以形成循環(huán)氣流，在激光鏡頭下方可以形成相對(duì)穩(wěn)定的保護(hù)氣體流場(chǎng).

圖27 激光鏡頭下方保護(hù)氣體波動(dòng)比曲線Fig.27 The fluctuation ratio curves of the shielding gas under the laser lens

在SLM 加工過(guò)程中，成型臺(tái)面上方位置處需要保證有平穩(wěn)的保護(hù)氣流攜帶走加工產(chǎn)生的煙塵，激光鏡頭下方需要有保護(hù)氣流攜帶走擴(kuò)散的煙塵，防止煙塵黏附在鏡頭下方，對(duì)激光造成衰減而影響加工質(zhì)量，綜合以上對(duì)兩個(gè)位置處的保護(hù)氣流波動(dòng)分析，多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)更有利于形成穩(wěn)定可靠的保護(hù)氣體流場(chǎng).基于對(duì)純流場(chǎng)特性的仿真分析，可以確定多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)是4種結(jié)構(gòu)中最合理的結(jié)構(gòu).

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)多種成型倉(cāng)流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行定常仿真模擬分析，研究保護(hù)氣體在不同成型倉(cāng)內(nèi)部的流動(dòng)規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1）分腔進(jìn)氣成型倉(cāng)、阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)、上進(jìn)下出式成型倉(cāng)中的保護(hù)氣體最終均會(huì)在成型倉(cāng)中形成渦流，導(dǎo)致煙塵顆粒無(wú)法順利排出.多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)保護(hù)氣體從進(jìn)氣結(jié)構(gòu)中進(jìn)入成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)，保護(hù)氣體沿著結(jié)構(gòu)由上到下流動(dòng)，流速逐漸衰減流至成型倉(cāng)底端，并流入多孔風(fēng)墻進(jìn)入成型倉(cāng)體.從多孔風(fēng)墻進(jìn)入成型倉(cāng)的保護(hù)氣體沿著成型倉(cāng)壁向出氣口流動(dòng).由于倉(cāng)體壁面的限制，部分保護(hù)氣體沿著成型倉(cāng)壁向成型倉(cāng)頂端流動(dòng)，經(jīng)過(guò)激光鏡頭向出氣結(jié)構(gòu)流動(dòng)，最終與從多孔風(fēng)墻上端孔流出的保護(hù)氣體匯聚，并繼續(xù)向成型倉(cāng)下端流動(dòng)至出口，沒(méi)有形成渦流并且形成循環(huán)氣流.

2）通過(guò)對(duì)多種成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)保護(hù)氣體波動(dòng)對(duì)比分析，在成型臺(tái)面上方位置阻尼板進(jìn)氣成型倉(cāng)波動(dòng)比為0.95～1.02，多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)波動(dòng)比為0.97～1.01，兩種結(jié)構(gòu)波動(dòng)較小.在激光鏡頭下方位置多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)波動(dòng)比為0.95～1.10，相比其他3 種結(jié)構(gòu)波動(dòng)范圍最小.綜合對(duì)比考慮，多孔風(fēng)墻成型倉(cāng)是4 種成型倉(cāng)結(jié)構(gòu)中最合理結(jié)構(gòu).