激光選區(qū)熔化的風(fēng)場仿真與流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

梁平華 唐 倩 余志強 馮琪翔

劉 威11.重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室，重慶,4000442.成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，成都,610092

0 引言

金屬增材制造技術(shù)可分為同步送粉/送絲成形技術(shù)和預(yù)鋪粉床成形技術(shù)兩種，預(yù)鋪粉床成形技術(shù)可分為選擇性激光熔化(selective laser melting, SLM) 和電子束選區(qū)熔化(electron beam melting, EBM)[1]，兩者都是將高能激光束或電子束通過激光振鏡或偏轉(zhuǎn)線圈投射到金屬粉床平面上，使局部金屬粉末迅速熔化而成形。在加工前建立零件的三維結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入STL文件后，根據(jù)材料的屬性和打印機的規(guī)格對其進行分層切片，并添加必要的支撐結(jié)構(gòu)[2]。激光熔化金屬粉末時間很短，許多基于激光的加工過程都伴隨有飛濺現(xiàn)象[3]，形成大量黑煙。為有效去除加工過程中產(chǎn)生的黑煙，同時也為了防止金屬高溫時被氧化，必須在加工面上形成有效流動的惰性保護氣風(fēng)場[3]。FERRAR等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在成形缸基板面上的惰性氣體風(fēng)場分布會對成形試件力學(xué)性能和可重復(fù)性產(chǎn)生顯著影響；李金梁等[5]研究了金屬選區(qū)燒結(jié)過程中氣氛保護系統(tǒng)的原理構(gòu)造；ANWAR等[6]研究了AlSi10Mg合金在SLM成形過程中惰性保護氣流速度對成形質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)相同風(fēng)速下激光掃描方向與風(fēng)場方向相反時能更有效地去除黑煙雜質(zhì)；宋長輝等[7]研究了激光掃描間距和風(fēng)場對CoCrMo合金成形質(zhì)量的綜合影響。然而，對SLM設(shè)備風(fēng)場的相關(guān)研究大都集中在風(fēng)場風(fēng)速、激光相對風(fēng)向掃描策略等對成形質(zhì)量的影響，較少有運用CFD流體仿真技術(shù)對形成風(fēng)場的流道進行優(yōu)化改進以實現(xiàn)內(nèi)部風(fēng)場布局優(yōu)化。

本文基于流體仿真技術(shù)對激光選區(qū)熔化過程中的風(fēng)場布局進行仿真，并對保護氣流道結(jié)構(gòu)進行了多次改進優(yōu)化和仿真檢驗。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的保護氣流道結(jié)構(gòu)能更有效地去除黑煙。

1 SLM設(shè)備成形系統(tǒng)組成

1.回風(fēng)軌道 2.成形缸 3.下進風(fēng)口 4.激光振鏡 5.上進風(fēng)口 6.料缸圖1 成形倉Fig.1 Forming chamber

1.與循環(huán)風(fēng)機相連的總進風(fēng)口 2.上進風(fēng)口 3.下進風(fēng)口圖2 循環(huán)保護氣分支流道Fig.2 Branch runner of the circulating protective gas

以E-Plus-M250激光選區(qū)熔化設(shè)備為研究對象，測量提取得到其成形倉和循環(huán)保護氣分支流道模型，如圖1和圖2所示。成形倉整體為一個長方體空間，基本尺寸為110 mm×42 mm×48 mm，主要包括回風(fēng)軌道、成形缸、下進風(fēng)口、上進風(fēng)口、激光振鏡、料缸、鋪粉車等基本結(jié)構(gòu)。其中,上進風(fēng)口布置在激光振鏡正下方，主要是為了避免減小加工過程中黑煙吸附在激光振鏡上而影響激光正常入射。下進風(fēng)口布置在成形缸加工粉床平面上方19 mm處，主要功能是去除加工過程中產(chǎn)生的黑煙雜質(zhì)。循環(huán)保護氣分支流道由一個總進風(fēng)口和兩個出風(fēng)口(成形倉上下進風(fēng)口)構(gòu)成，作用是將來自循環(huán)風(fēng)機的保護氣分成兩路,分別送入成形倉對應(yīng)位置。

E-Plus-M250設(shè)備的保護氣循環(huán)系統(tǒng)由一臺帶過濾功能的循環(huán)風(fēng)機提供動力，使成形倉在工作時保持保護氣(氮氣)循環(huán)流動，從而去除激光掃描粉床面時產(chǎn)生的黑煙，同時帶走一部分激光熔化金屬粉末而產(chǎn)生的熱量。

2 SLM成形倉風(fēng)場仿真

經(jīng)由循環(huán)風(fēng)機過濾后的氮氣從成形倉背后的與循環(huán)風(fēng)機相連的總進風(fēng)口進入，一部分進入上進風(fēng)口，一部分進入下進風(fēng)口。然而，在正常加工過程中，激光掃射粉床面時產(chǎn)生的黑煙并不能有效地被去除，仍有大量黑煙雜質(zhì)直接掉落在粉床表面，這對加工零件的致密度、力學(xué)性能都有很大的影響；掉落在粉床上的黑煙雜質(zhì)會參混在金屬粉末中而不能去除，對加工金屬粉料的純凈度也會產(chǎn)生影響。通過查看激光掃描后粉床上黑煙殘留情況，發(fā)現(xiàn)成形缸中的黑煙殘留主要集中在右側(cè)部分，甚至發(fā)現(xiàn)當激光掃略軌跡偏右時，在料缸粉床面上也有殘留黑煙，這說明在成形缸上方的循環(huán)保護氣速度分布不均勻。

2.1 流場仿真分析理論

由于仿真模擬未涉及溫度場的模擬，故在模擬時不考慮能量方程?；贜-S方程中的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程，對E-Plus-M250金屬3D打印機成形倉內(nèi)的風(fēng)場分布情況進行速度場模擬。選擇k-ε湍流模型分別對保護氣分支流道和成形倉整體內(nèi)部的風(fēng)場進行迭代求解[8-9]。

質(zhì)量守恒控制方程如下：

(1)

式中，ρ為流體微元體密度；t為時間；u、v、w分別為微元體在x、y、z方向的速度分量。

該方程表示流場中單位時間流體微元體中質(zhì)量的增加都等于該時間段內(nèi)流入微元體的質(zhì)量。

動量守恒控制方程(x方向)如下：

(2)

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、τzx分別為微元體所受的黏性切應(yīng)力分量；Fx為微元體所受體積力分量。

式(2)表示微元體流體動量的變化等于作用在微元體上的合力。

控制方程通式為

(3)

式中，φ為通用變量；Г為廣義擴散系數(shù)；S為廣義源。

2.2 建立分支流道計算模型

激光加工過程中不能有效去除黑煙雜質(zhì)，是成形倉中的循環(huán)保護氣進風(fēng)、回風(fēng)口空間布局或結(jié)構(gòu)不合理造成的。為了探究成形缸加工粉床面上方流場具體分布情況，并根據(jù)流場分布對保護氣分支流道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，首先對循環(huán)保護氣分支流道進行了計算流體力學(xué)仿真分析，得到了成形倉上進風(fēng)口、下進風(fēng)口截面的風(fēng)場分布情況。

提取E-Plus-M250循環(huán)保護氣分支流道結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)后，在ANSYS ICEM CFD中建立等效流道模型并進行網(wǎng)格劃分，由于流道結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則，因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格建立流道網(wǎng)格模型，建立的流道網(wǎng)格模型見圖3。

圖3 循環(huán)保護氣分支流道網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model of gas branche

將建立好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入ANSYS FLUENT中進行計算。將本設(shè)備在加工時的實際工作條件作為計算仿真時的邊界條件和相關(guān)設(shè)定值，如表1所示。

表1 仿真基本參數(shù)

2.3 成形倉整體風(fēng)場仿真

為了探究成形倉工作平面上方產(chǎn)生黑煙區(qū)域的流場具體分布情況，為后續(xù)循環(huán)保護氣分支流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，在ICEM CFD中建立了成形倉和循環(huán)保護氣分支流道的整體流場分析模型。同樣以26 m3/h的風(fēng)場總流量進行仿真迭代計算，得到成形倉內(nèi)風(fēng)場的速度場分布，見圖4。上進風(fēng)口對應(yīng)的流場主要是為了保證漂浮在艙室內(nèi)的冷凝物及時從激光振鏡附近移除，減少漂浮物在激光振鏡上的吸附量；下進風(fēng)口主要是為了去除激光掃描成形缸粉床面時產(chǎn)生的大量黑煙雜質(zhì)。

激光掃描粉床面時產(chǎn)生的黑煙主要分布在距離粉床面上方20 mm附近的區(qū)域[4]，圖5為成形缸粉床面上方20 mm(Y=4 mm)平面上的風(fēng)場速度分布云圖，云圖中左側(cè)矩形框為成形缸所在平面域，即激光掃描區(qū)域，也是黑煙產(chǎn)生區(qū)域；右側(cè)矩形框為料缸所在平面域?？擅黠@看出，在成形缸平面上方右側(cè)區(qū)域風(fēng)場的速度場明顯偏向料缸一側(cè)，沒有垂直于前后壁面，這導(dǎo)致黑煙不能被有效去除甚至有部分黑煙被吹入右側(cè)料缸的粉床面上。

1.成形缸區(qū)域(黑煙產(chǎn)生區(qū)域) 2 料缸區(qū)域圖5 成形倉黑煙區(qū)域截面速度云圖Fig.5 Velocity contour of the black smoke area

2.4 成形倉風(fēng)場仿真結(jié)果分析

將ANSYS FLUENT仿真計算得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CFD POST中進行分析。圖6所示是循環(huán)保護氣分支流道在總進風(fēng)口流量為26 m3/h時的流場流線分布情況，可以明顯看出，經(jīng)分支流道分流后，氣體流速降低至1.5 m/s，在下進風(fēng)口處流線分布不均勻，且在流道局部形成了渦流。進一步分析上下進風(fēng)口的截面流體流速，如圖7所示，下進風(fēng)口由于橫向尺寸過大，經(jīng)分支流道分流后的流體很難在此截面上均勻分布。由圖7可以看出，靠成形倉右側(cè)(遠離總進風(fēng)口一側(cè))的流速較左側(cè)的流速偏大。

圖6 循環(huán)保護氣分支流道流場Fig.6 The flow field of gas branch

圖7 下進風(fēng)口截面速度云圖Fig.7 The speed contour of down gas inlet

如圖1所示，下進風(fēng)口與成形缸粉床平面中心均在垂直于成形倉前后壁面的同一直線上，因此較為理想的下進風(fēng)口截面風(fēng)速應(yīng)當盡可能均勻分布,才能更有效地去除激光掃描成形缸粉床面所產(chǎn)生的黑煙。為獲取下進風(fēng)口流速分布定量數(shù)據(jù)，并為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供定量評價參考，將下進風(fēng)口沿長度方向離散化為面積相等的6個小部分，計算各部分的平均風(fēng)速,結(jié)果如圖8所示。

圖8 下進風(fēng)口截面流速分布Fig.8 The flow velocity distribution at the down gas inlet

將得到的下進風(fēng)口各部分風(fēng)速進行整理可得到表 2所示分布情況。

表2下進風(fēng)口截面風(fēng)速分布情況

Tab.2Windspeeddistributionatdowngasinletm/s

最大風(fēng)速最小風(fēng)速平均風(fēng)速風(fēng)速分布標準差黑煙殘留情況2.158 40.976 81.532 70.516 8成形缸右側(cè)偏多

在劃分的下進風(fēng)口的6個部分中，第5部分風(fēng)速最大，第1部分風(fēng)速最小。這說明在成形倉中成形缸粉床面上方右側(cè)部分風(fēng)場分布不均勻，實際中黑煙殘留也主要集中在這些地方,如圖9中標注區(qū)域所示，這說明了黑煙殘留問題確實是由于下進風(fēng)口風(fēng)速分布不均造成的。

1.下進風(fēng)口 2.黑煙主要殘留區(qū)域圖9 成形缸粉床面黑煙殘留情況Fig.9 Black smoke on the surface of the forming cylinder

通過對保護氣分支流道和成形倉與保護氣分支流道整體的流場仿真分析，黑煙殘留的原因可歸納為以下兩個方面：

(1)保護氣分支流道的下進風(fēng)口不能形成流速均勻的風(fēng)場，成形缸左側(cè)區(qū)域風(fēng)速不足;

(2)保護氣下進風(fēng)口形成的風(fēng)場在局部(右側(cè))出現(xiàn)傾斜，使得下進風(fēng)口對面的回風(fēng)軌道很難將這部分黑煙排出。

3 保護氣分支流道結(jié)構(gòu)改進

從上述保護氣分支流道和成形倉整體流場仿真可看出，要想有效去除激光熔化粉末過程中產(chǎn)生的黑煙，就要使成形倉下進風(fēng)口的風(fēng)場分布更加均勻，并使其在成形缸上方產(chǎn)生的風(fēng)場盡量垂直于成形倉前后壁面。

為使得下進風(fēng)口風(fēng)場分布均勻，考慮將成形倉的上下進風(fēng)口分開單獨送風(fēng)，這里只針對下進風(fēng)口結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。將下進風(fēng)口流道單獨設(shè)計成對稱的分叉結(jié)構(gòu),如圖10所示,內(nèi)部用5組柵格沿出風(fēng)口長度方向?qū)⑾鲁鲲L(fēng)口截面分成6個部分，從左到右依次命名為S1～S6。

圖10 改進后的下進風(fēng)口流道結(jié)構(gòu)Fig.10 Optimized structure of down gas inlet

改進后的下進風(fēng)口流道在出風(fēng)口處保持各部分截面積相同，通過調(diào)整上游柵格的分布間距進行流場仿真迭代計算,以得到流道柵格最佳間距布置形式，使得S1～S6位置處平均風(fēng)速標準差盡可能小。原流道和優(yōu)化流道仿真迭代結(jié)果如表3所示。上述各柵格間距值如表 4所示(S1～S6對應(yīng)上游柵格間距)。

表3 下進風(fēng)口截面風(fēng)速分布對比

表4 柵格間距系列

(a)原廠狀態(tài)

(b)有柵格(間距1)

(c)有柵格(間距2)

(d)有柵格(間距3)

(e)有柵格(間距4)

(f)有柵格(間距5)圖11 下進風(fēng)口截面風(fēng)速分布Fig.11 Wind speed distributions at the down gas inlet

圖11所示為原廠無柵格狀態(tài)和有柵格狀態(tài)的下進風(fēng)口截面風(fēng)場風(fēng)速分布情況，在柵格間距3情況下，下進風(fēng)口截面風(fēng)速分布標準差最小，能達到較為理想的風(fēng)速均勻分布效果。

對下進風(fēng)口流道結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化，使得下進風(fēng)口截面風(fēng)速分布更加均勻，在成形倉中激光掃描區(qū)域產(chǎn)生均勻的風(fēng)場，從而更有效地去除激光燒結(jié)金屬粉末時產(chǎn)生的黑煙。如圖 12所示，在柵格間距3時的流道柵格布置方式能在下進風(fēng)口截面產(chǎn)生比較均勻的風(fēng)場，截面風(fēng)速分布標準差降至0.182 1 m/s，相比原無柵格狀態(tài)時的截面風(fēng)速分布有了顯著的提高。成形缸粉床面上方20 mm處風(fēng)場分布明顯較圖5有了很大改進，風(fēng)場風(fēng)速分布更加均勻。

圖12 改進后成形倉黑煙區(qū)域截面速度云圖Fig.12 Speed contour of the black smoke area of the optimized one

利用ANSYS FLUENT對成形倉保護氣系統(tǒng)進行多次仿真模擬驗證，根據(jù)仿真結(jié)果對成形倉循環(huán)保護氣供氣系統(tǒng)中的供氣流道進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，柵格間距3時(表 4)，下進風(fēng)口截面風(fēng)速分布標準差值理論上從原廠狀態(tài)的0.472 7 m/s降低到0.182 1 m/s。對比圖5和圖 12在原廠狀態(tài)和優(yōu)化流道狀態(tài)下成形倉中黑煙產(chǎn)生區(qū)域風(fēng)場分布情況，明顯后者分布更加均勻，能更有效地去除激光燒結(jié)過程中產(chǎn)生的黑煙。

4 流道風(fēng)速分布實驗驗證

為驗證原廠進風(fēng)流道結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)流場仿真分析的正確性，說明優(yōu)化風(fēng)場分布實際的優(yōu)化效果，仍以規(guī)定的總風(fēng)速流量26 m3/h分別對原廠流道和優(yōu)化后的流道進風(fēng)口進行風(fēng)速測量分析。

優(yōu)化后的流道結(jié)構(gòu)采用光固化成形(SLA)的方法獲得。以進風(fēng)口處的風(fēng)速分布為測量對象，圖13所示為進風(fēng)流道風(fēng)速分布測量現(xiàn)場。

圖13 流道風(fēng)速分布測量現(xiàn)場Fig.13 Flow velocity distribution measurement site

多次測量S1～S6對應(yīng)進風(fēng)口位置處的風(fēng)速分布，取其平均風(fēng)速值，可得到表5所示的風(fēng)速分布數(shù)據(jù)。

表5 優(yōu)化前后流道風(fēng)速分布

整理上述原廠流道和優(yōu)化流道的進風(fēng)口S1～S6各個位置處的風(fēng)速分布實驗結(jié)果，數(shù)據(jù)如表 6所示。

表6 流道風(fēng)速分布統(tǒng)計值

實驗測得的原廠流道風(fēng)速分布與原廠流道仿真分析結(jié)果基本一致，優(yōu)化后的流道風(fēng)速分布與仿真結(jié)果也比較吻合。實驗表明：在流道柵格間距為表4中的間距3時，下進風(fēng)口處產(chǎn)生更加均勻的風(fēng)場。

5 結(jié)論

(1)成形倉黑煙殘留問題是由于成形倉內(nèi)風(fēng)場風(fēng)速分布不均勻造成的。下進風(fēng)口形成的風(fēng)場左側(cè)風(fēng)速偏低且風(fēng)場向料缸側(cè)傾斜，這與粉床面上的黑煙殘留情況是相吻合的。

(2)通過優(yōu)化下進風(fēng)口流道結(jié)構(gòu)實現(xiàn)風(fēng)場均勻化。在供氣流道中布置分流柵格。仿真和實驗表明，在柵格間距為13.5 mm的等間距分布時，下進風(fēng)口截面處風(fēng)速分布標準差值明顯降低。

(3)原廠流道下進風(fēng)口截面風(fēng)速分布標準差仿真值為0.472 7 m/s，實驗值為0.595 6 m/s，相同條件下優(yōu)化后的流道形成的風(fēng)場風(fēng)速分布的標準差仿真值為0.182 1 m/s、實驗值為0.196 7 m/s。優(yōu)化后風(fēng)場風(fēng)速分布明顯得到改善。