基于FLUENT的小型激光選區(qū)熔化設(shè)備氣氛保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海200237）

0 前言

激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）是一種基于激光成型的增材制造技術(shù)，加工過程中金屬粉末在極高的溫度（3 000℃以上）下瞬間熔化、凝固，因此熔融金屬材料對環(huán)境氧分子極為敏感[1-3]。諸多學(xué)者對現(xiàn)有SLM設(shè)備進(jìn)行了改進(jìn)或優(yōu)化，如Li Z等[4]優(yōu)化了SLM設(shè)備結(jié)構(gòu)，在提高密封效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了陶瓷材料成型過程中的氣氛保護(hù)；李金梁等[5]從理論上分析了SLM設(shè)備氣氛保護(hù)系統(tǒng)的原理構(gòu)造及相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；劉仁洪等[6]對大型送粉式SLM設(shè)備中的大容器氣氛保護(hù)環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，用ANSYS軟件對系統(tǒng)的核心部件進(jìn)行了穩(wěn)定性、可靠性模擬計(jì)算分析，優(yōu)化了保護(hù)性氣體環(huán)境形成的工藝過程，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證；Huang W等[7]改進(jìn)了現(xiàn)有氣氛保護(hù)系統(tǒng)，減小了對設(shè)備組件性能的影響，降低了SLM氣氛保護(hù)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本。上述報(bào)道中涉及氣氛保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)多從結(jié)構(gòu)和控制著手，較少涉及保護(hù)性氣體在成型腔中的流動狀態(tài)分析。

筆者認(rèn)為還可通過調(diào)節(jié)保護(hù)性氣體進(jìn)氣口和出氣口布局及幾何構(gòu)型，模擬氣體在成型腔中的流動狀態(tài)，進(jìn)而研究氣體流場狀態(tài)對SLM成型過程的影響?；诖?，本文通過改變保護(hù)性氣體進(jìn)氣口數(shù)量和排布，借助FLUENT商業(yè)模擬軟件對保護(hù)性氣體在成型腔中流場狀態(tài)進(jìn)行模擬，重點(diǎn)研究保護(hù)性氣體在成型腔中的流場狀態(tài)及其對SLM成型過程的影響，并確定了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

1 SLM設(shè)備與氣氛保護(hù)系統(tǒng)

以YIBO RP SLM80小型SLM打印機(jī)為研究對象，示意如圖1所示。SLM成型設(shè)備一般包括以下單元：送粉-鋪粉系統(tǒng)，包括送粉、鋪粉裝置、缸體升降裝置三個(gè)部分；激光掃描系統(tǒng)，包括激光器、光路系統(tǒng)及調(diào)焦裝置三個(gè)部分；氣氛保護(hù)系統(tǒng)，包括氣體過濾系統(tǒng)及保護(hù)性氣體氛圍保護(hù)系統(tǒng)兩部分；控制系統(tǒng)，包括計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)及控制電路系統(tǒng)兩部分。

氣氛保護(hù)系統(tǒng)是SLM設(shè)備的重要功能單元，采用保護(hù)性氣體（本文以N2為例）進(jìn)行氛圍保護(hù)，持續(xù)通入的N2將氧含量降至0.1%以下，降低冶金過程中的氧化作用。

圖1 YIBO RP SLM80小型SLM打印機(jī)示意

2 設(shè)計(jì)方案

采用半包覆式氛圍保護(hù)，將鋪、送粉裝置包覆在密封腔體內(nèi)，工作缸升降裝置放置在外側(cè)，氛圍保護(hù)腔體體積小，更容易保證加工區(qū)域的低氧環(huán)境，且進(jìn)、排氣效率高。密封腔體尺寸為60 mm（長）×50 mm（寬）×20 mm（高）。

不同方案進(jìn)氣口設(shè)計(jì)如圖2所示。方案一：1個(gè)進(jìn)氣口，位于正面右側(cè)底部；方案二：1個(gè)進(jìn)氣口，位于背面右側(cè)底部；方案三：1個(gè)進(jìn)氣口，位于頂部前側(cè)右邊；方案四：4個(gè)進(jìn)氣口，均勻分布于頂面透光鏡周圍，且勻速進(jìn)氣。

圖2 不同方案進(jìn)氣口設(shè)計(jì)

3 流場分析及方案優(yōu)化

采用湍流和組分模型，借助Mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為兼顧計(jì)算精度和運(yùn)算效率，選擇適應(yīng)性最好的四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分[8]（以方案二為例）。進(jìn)出氣孔位置氣流變化劇烈，網(wǎng)格劃分更加細(xì)小，而遠(yuǎn)離進(jìn)出氣口的區(qū)域網(wǎng)格會略大，最小網(wǎng)格尺寸1 mm，共產(chǎn)生網(wǎng)格單元205 519個(gè)（其余方案與方案二相差不大），劃分好的網(wǎng)格如圖3所示。初始條件設(shè)定為：進(jìn)出氣為常壓N2，密度1.138kg/m3。由于僅模擬N2在腔體內(nèi)分布和流動狀態(tài)，因此入口為質(zhì)量流量邊界，N2流量0.000 569 kg/s，出口為壓力流出邊界。

圖3 網(wǎng)格劃分示意

3.1 不同方案流場分析

不同方案N2含量與充氣時(shí)間的關(guān)系如表1所示。N2含量的增加速率隨時(shí)間逐漸減緩，與實(shí)際相符。雖然方案四有4個(gè)進(jìn)氣口，但最終充滿N2需要700.9 s，高于前3種方案。其原因是：方案四的進(jìn)氣口位于腔體上方中心，N2進(jìn)入后在腔體前部分為左右兩部分流動，靠近出氣孔的氣體流出距離短，所需時(shí)間短；遠(yuǎn)離出氣口的氣流距離出口遠(yuǎn)、阻礙多，故將空氣全部排出所需時(shí)間高于前3種方案。對比4種方案充氣時(shí)間，方案三最優(yōu)。

表1 不同方案N2含量與充氣時(shí)間關(guān)系

方案一流場模擬分析結(jié)果如圖4所示。打印區(qū)域N2含量低于出口處，腔體右側(cè)及后側(cè)為N2主要聚集處。N2在腔體內(nèi)部主要沿腔體右側(cè)向后側(cè)流動，碰到后壁面后一部分變向沿頂部平面向左前方流動，在左前方轉(zhuǎn)向沿底面向右后方流動；另一部分沿后壁面流向出口。此方案的N2分布未達(dá)到SLM成型過程所需低氧要求，雖然圖4b所示A區(qū)域有N2均勻地水平流動，但打印區(qū)域上方的B區(qū)域存在部分渦旋氣流，導(dǎo)致在此滯留的部分煙塵無法被過濾裝置有效清除。

圖4 方案一流場分析

方案二流場模擬分析結(jié)果如圖5所示。打印區(qū)域和整個(gè)腔體N2含量均高于出口處。N2在腔體內(nèi)部主要沿腔體右側(cè)向前側(cè)流動，碰到前壁面后一部分變向沿頂部平面向左后方流動，在左后方轉(zhuǎn)向沿底面向前方流動；另一部分沿前壁面流向左側(cè)區(qū)域，隨后流向出口。此方案N2分布達(dá)到了SLM成型過程所需低氧要求，且在圖5b中A區(qū)域有N2均勻地水平流動，但與方案一相同，B區(qū)域渦旋氣流的存在對加工過程產(chǎn)生不良影響。

圖5 方案二流場分析

方案三流場模擬分析結(jié)果如圖6所示。打印區(qū)域N2含量低于出口處。N2沿進(jìn)氣口流入后沖擊底面形成兩部分氣流，一部分沿腔體右側(cè)向后面流動，碰到后壁面后，少部分流向出口，大部分沿上壁面向左前方流動；另一部分沿腔體前側(cè)向左流動，部分流向出口，部分流向打印區(qū)域，與之前的氣流相遇，并在打印區(qū)域右上方形成大渦旋。此方案N2分布未達(dá)到SLM成型過程所需低氧要求，雖然在圖6b中A區(qū)域有N2均勻地水平流動，但在打印區(qū)域右上方B區(qū)域存在著較大的渦旋氣流，對加工過程產(chǎn)生不良影響。

圖6 方案三流場分析

方案四流場模擬分析結(jié)果如圖7所示。腔體右側(cè)N2含量低，但打印區(qū)域N2含量遠(yuǎn)高于出口處。N2沿進(jìn)氣口流入后沖擊打印區(qū)域底面，中心位置形成反沖氣流向上流動，其余四方反沖氣流沿四周壁面向出氣口流動。此方案的N2分布達(dá)到了SLM成型過程所需低氧要求，雖然圖7b中D區(qū)域有微量氣流向下流動，但C區(qū)域的反沖氣流會將加工過程中產(chǎn)生的煙塵帶入到打印區(qū)域的上空并在此滯留，對加工過程產(chǎn)生不良影響。

圖7 方案四流場分析

從不同方向綜合評估4種方案設(shè)計(jì)，結(jié)果如表2所示。4種設(shè)計(jì)方案均存在缺陷，為獲得更短的充氣時(shí)間、更好的煙塵清除效果和N2分布，需改進(jìn)以上方案。

表2 4種方案設(shè)計(jì)評估結(jié)果

3.2 方案優(yōu)化

圖8a為改進(jìn)后的N2氛圍保護(hù)系統(tǒng)腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案（記作方案五）。結(jié)合方案二和方案四優(yōu)點(diǎn)，采用5個(gè)進(jìn)氣口：1個(gè)位于右后側(cè)，4個(gè)均勻分布在頂部；頂部圓柱形進(jìn)氣口改為圓臺形進(jìn)氣口，增加了氣流分散程度；頂部進(jìn)氣量占比1/4，防止過于快速的氣流沖擊底面而反沖，右后側(cè)進(jìn)氣量占比3/4。

對改進(jìn)后的方案進(jìn)行流場分析，其N2含量增加至99.99%僅需577.2 s，優(yōu)于之前的所有方案。圖8b和8c為優(yōu)化方案流場模擬分析結(jié)果。腔體內(nèi)N2含量高于出口處，且中央?yún)^(qū)域N2含量略高于方案二的中央?yún)^(qū)域，N2分布也優(yōu)于之前的所有方案。圖8b中A區(qū)域存在向下流動的N2氣流，B區(qū)域有從左向右流動的氣流，SLM成型產(chǎn)生的煙塵受到A區(qū)域向下氣流的影響被壓至B區(qū)域附近，隨后過濾器與B區(qū)域的橫向氣流共同作用將煙塵等懸浮物一起帶入過濾器中凈化，提高成形質(zhì)量。故此方案對煙塵的清除優(yōu)于之前的所有方案。

由上述分析可知，利用FLUENT模擬分析方法對降低SLM成型環(huán)境中的氧含量，進(jìn)而提升SLM成型件的性能具有一定的參考價(jià)值，對YIBORPSLM80小型SLM打印機(jī)氣氛保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

（1）當(dāng)進(jìn)氣口數(shù)量為1個(gè)、位于頂部前側(cè)右邊時(shí)充氣最快，僅需578.3 s；進(jìn)氣口數(shù)量為4個(gè)、位于頂部透光鏡四周時(shí)充氣最慢，需700.9 s，但此時(shí)N2分布達(dá)到了SLM成型過程所需低氧要求。4種方案對打印產(chǎn)生的煙塵清除效果均不完善。

圖8 方案五設(shè)計(jì)與流場分析

（2）優(yōu)化方案采用5個(gè)進(jìn)氣口：1個(gè)位于右后側(cè)，4個(gè)分布在頂部；頂部采用圓臺形進(jìn)氣口，進(jìn)氣量占比1/4，右后側(cè)進(jìn)氣量占比3/4。

（3）優(yōu)化方案充氣僅需577.2s，N2分布達(dá)到SLM成型過程所需低氧要求，無渦旋和反沖氣流存在，平穩(wěn)的N2氣流對打印產(chǎn)生的煙塵有良好的清除效果，提高了成形質(zhì)量。