選區(qū)激光熔化氣氛保護(hù)風(fēng)場仿真及優(yōu)化

謝雪芬，張 豪，章詩婷，魏華賢,2，牛小東,2

（1.汕頭大學(xué) 工學(xué)院機(jī)械工程系，汕頭 515063；2.汕頭大學(xué) 智能制造技術(shù)教育部重點實驗室，汕頭 515063；3.汕頭市瑞博納斯增材制造研究院有限公司，汕頭 515041）

0 引言

選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，簡稱SLM）是一種3D打印工藝，目前廣泛應(yīng)用于金屬和合金的增材制造。該技術(shù)按照預(yù)定的掃描路徑，通過高能量的激光束將金屬粉末完全熔化，經(jīng)散熱凝固后與基體金屬冶金焊合，逐層累積成形出三維零件實體。與傳統(tǒng)的減材制造方法相比，具有可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在航空航天及醫(yī)療等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值[1，2]。

SLM成形過程易產(chǎn)生煙塵等工藝副產(chǎn)物，如圖1所示。在高功率激光作用下，粉床中形成高溫熔池，在激光中心區(qū)域部分合金元素形成金屬蒸汽并快速冷卻和冷凝，產(chǎn)生約10～150納米的粒子；在高功率激光作用下，熔池上方氣體會電離形成等離子體羽流，促進(jìn)微顆粒向外飛濺和擴(kuò)散。冷凝物和飛濺物聚集在熔池上方會反射、吸收激光能量，降低激光功率，擴(kuò)散后在粉床二次沉積會影響后續(xù)成形層的焊合效果，在零件內(nèi)部形成孔隙等工藝缺陷。SLM設(shè)備中的氣氛保護(hù)系統(tǒng)通過向成形區(qū)提供流動的惰性氣體，一方面降低金屬在激光融化過程中的氧化作用，另一方面流動的氣體將熔池飛濺的粒子帶離，減少煙塵在粉床上的二次沉積和在成型倉內(nèi)聚集，對減少金屬蒸汽和飛濺物的不利影響具有重要作用。Bean等人研究發(fā)現(xiàn)，在氬氣氣氛保護(hù)條件下，零件在微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等方面具有更好的強(qiáng)度和塑性[3]。

圖1 激光選區(qū)熔化產(chǎn)生的常見副產(chǎn)物

在SLM設(shè)備開發(fā)過程中，氣氛保護(hù)系統(tǒng)在成型倉內(nèi)形成的風(fēng)場特性對成形質(zhì)量的影響日漸引起重視。Nguyen等人研究了保護(hù)氣體的流量對產(chǎn)品孔隙率的影響，結(jié)果表明增加保護(hù)氣體的流量會增加產(chǎn)品的均勻性[4]。Sun等人通過調(diào)節(jié)保護(hù)氣體流量，獲得了更均勻的表面形貌和更精細(xì)的微觀組織[5]。由于成型倉在成形過程中相對密閉，如何有效評估和改善成型倉內(nèi)風(fēng)場流動特性受到了關(guān)注。梁平華等人針對SLM中的黑煙殘留問題，對E-Plus-M250型號SLM成形裝備的保護(hù)氣供氣流道截面與成型倉黑煙產(chǎn)生區(qū)域的截面進(jìn)行了仿真模擬，實現(xiàn)了供氣流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化[6]。Yu等人采用CFD模擬方法對成型倉內(nèi)惰性氣體的流動進(jìn)行了研究，通過調(diào)整氣體通道、入口和流速，較好地消除了工藝副產(chǎn)物[7]。孫宏睿基于SolidWorks Flow Simulation對SLM裝備氣氛系統(tǒng)的流道及風(fēng)場進(jìn)行模擬仿真，降低了打印范圍內(nèi)風(fēng)場風(fēng)速分布差[8]。

以上研究表明，良好的氣氛保護(hù)氣流可以有效地提高成形件的質(zhì)量，并減少工藝副產(chǎn)物對打印過程的影響。目前，大型復(fù)雜零件的高效SLM成型需求日益增加，要求SLM設(shè)備朝著大型化、智能化發(fā)展，成型穩(wěn)定性要求進(jìn)一步提高，對氣氛保護(hù)系統(tǒng)的風(fēng)場流動特性提出了新的要求[9]。例如大型SLM設(shè)備普遍要求設(shè)置上下兩路進(jìn)風(fēng)及風(fēng)速獨立控制。在SLM設(shè)備開發(fā)過程中，如何快速響應(yīng)發(fā)展需求，設(shè)計高效可行的氣氛保護(hù)風(fēng)場特性具有重要的意義。本文基于ANSYS Fluent軟件，針對某型號SLM設(shè)備的氣氛保護(hù)系統(tǒng)建立了其CFD仿真分析模型，開展了風(fēng)場流動特性分析及優(yōu)化設(shè)計，通過實驗測試驗證分析及設(shè)計方案，實現(xiàn)了新型氣氛保護(hù)系統(tǒng)流道結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用。

1 SLM氣氛保護(hù)風(fēng)場仿真基礎(chǔ)

1.1 選區(qū)激光熔化氣氛保護(hù)系統(tǒng)

本文研究對象是某SLM設(shè)備的氣氛保護(hù)系統(tǒng)，其風(fēng)場結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為成型倉、上下進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口。成型倉外部尺寸為904×812×515mm。成型倉是打印的主要工作區(qū)域，下進(jìn)風(fēng)口吹進(jìn)的氣流在打印區(qū)的金屬粉床表面形成穩(wěn)定均勻的氣流層，而從上進(jìn)風(fēng)口吹進(jìn)的氣流把部分上升到成型倉頂部的金屬煙霧等工藝副產(chǎn)物吹向出風(fēng)口。

圖2 SLM設(shè)備氣氛保護(hù)結(jié)構(gòu)組成

1.2 風(fēng)場數(shù)值仿真設(shè)置

本文基于ANSYS Fluent軟件建立了該SLM設(shè)備氣氛保護(hù)系統(tǒng)的瞬態(tài)、不可壓縮、湍流的CFD模擬，采用平均后的雷諾平均Navier-Stokes方程和湍流模型，實現(xiàn)了上下進(jìn)風(fēng)口流道以及成型倉中的風(fēng)場模擬，可表示：

其中ρ、u、p分別代表流體微團(tuán)的密度、速度以及作用在流體微團(tuán)上的壓力，Rij為雷諾應(yīng)力張量。流體計算仿真的邊界條件如表1所示。

表1 CFD模擬的邊界條件

為了選擇適合的網(wǎng)格密度，驗證方法的準(zhǔn)確性，首先開展網(wǎng)格獨立性分析。由于主要考慮的是成形區(qū)粉床上方的氣流，因此選擇粉床上方10mm平面內(nèi)氣體的平均、最大和最小速度以及速度的標(biāo)準(zhǔn)差作為收斂結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)。如圖3所示，在239萬單元時，速度的值達(dá)到了較好的穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 網(wǎng)格獨立性分析

1.3 原風(fēng)場仿真結(jié)果

首先，基于上述條件對原始成型倉結(jié)構(gòu)內(nèi)的風(fēng)場流體特性進(jìn)行了仿真分析，其速度矢量分布如圖4所示，可發(fā)現(xiàn)原始成型倉結(jié)構(gòu)主要存在兩方面問題：1）進(jìn)風(fēng)流道處風(fēng)速分布不均勻，2）成型倉中尤其成形區(qū)存在明顯亂流。這些流動現(xiàn)象不僅會降低進(jìn)風(fēng)效率，還會導(dǎo)致亂流，使煙塵無法立即有效地排出，影響打印成形效果。

圖4 原始成型倉結(jié)構(gòu)內(nèi)風(fēng)場速度矢量圖

針對上述問題，本文主要從以下兩方面對氣氛保護(hù)風(fēng)場進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：

1）改進(jìn)上下進(jìn)風(fēng)流道結(jié)構(gòu)，保證進(jìn)入成型倉流體的穩(wěn)定性，主要評價標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速的均勻性；

2）調(diào)整上下供風(fēng)的風(fēng)速，調(diào)節(jié)成型倉內(nèi)流場的流動分布特性，一方面在成型區(qū)上方形成穩(wěn)定層流，另一方面避免在成型倉上方出現(xiàn)聚集煙塵的渦流。

2 SLM氣氛保護(hù)風(fēng)場優(yōu)化

2.1 進(jìn)風(fēng)流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了改善進(jìn)風(fēng)口流道內(nèi)的流動特性，保證成型倉進(jìn)風(fēng)平穩(wěn)性，同時考慮到整機(jī)設(shè)備其他結(jié)構(gòu)已定型，即流道整體尺寸相對固定，因此嘗試從兩方面對流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善。以上進(jìn)風(fēng)口為例，首先，在上進(jìn)風(fēng)口流道內(nèi)增設(shè)導(dǎo)流板。對原始流道進(jìn)風(fēng)口分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速不均勻主要出現(xiàn)在兩個中部柵格，因此在兩個中部柵格內(nèi)增加了導(dǎo)流板。然后，對進(jìn)風(fēng)口流道柵格間距進(jìn)行了調(diào)整，上進(jìn)風(fēng)口設(shè)置有四個格柵，從左到右分別為G1～G4。因進(jìn)風(fēng)口整體外形尺寸固定，考慮到結(jié)構(gòu)對稱性，通過逐步增減兩側(cè)柵格間距和中部柵格間距，根據(jù)進(jìn)風(fēng)口流速分布均勻性確定最佳間距，如表2所示。通過以上兩方面結(jié)構(gòu)改進(jìn)，上進(jìn)風(fēng)口內(nèi)總體流動均勻性得到顯著改善，如圖5所示。

表2 上進(jìn)風(fēng)口格柵間距及截面流速分布對比

圖5 上進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)及流動特性對比

與上進(jìn)風(fēng)口類似，對下進(jìn)風(fēng)口流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，柵格有6個，分別為G1～G6，如圖6所示。下進(jìn)風(fēng)口流道尺寸較大，原始流道中進(jìn)風(fēng)截面處中部及兩側(cè)柵格流速均存在不均勻性，因此在中部及兩側(cè)柵格均設(shè)置導(dǎo)流板，同時將各柵格內(nèi)轉(zhuǎn)角區(qū)域設(shè)置為圓角過渡，最后進(jìn)行出風(fēng)口柵格間距優(yōu)化，改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)及流動特性對比如表3和圖6所示。

表3 下進(jìn)風(fēng)口上進(jìn)風(fēng)口格柵間距及截面流速分布對比

圖6 下進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)及流動特性對比

2.2 上下進(jìn)風(fēng)風(fēng)速比優(yōu)化

對于上下進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)，上下進(jìn)風(fēng)的風(fēng)速比對成型倉內(nèi)風(fēng)場流動分布影響較大，實際中上下進(jìn)風(fēng)口為獨立供風(fēng)，因此可根據(jù)需要調(diào)整風(fēng)量的大小來設(shè)定進(jìn)風(fēng)口的進(jìn)風(fēng)速度，獲得合理的上下進(jìn)風(fēng)風(fēng)速比，使成型倉內(nèi)風(fēng)場在成形區(qū)上方實現(xiàn)層流，改善風(fēng)場分布特性。本文通過逐步增加上下進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速比，分析風(fēng)場仿真結(jié)果，確定該設(shè)備在上下進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)速比為1：1.2時，風(fēng)場的風(fēng)速分布均勻性較佳，且亂流明顯減少，如圖7所示，在成型倉內(nèi)成形區(qū)上方層流效果較好。

圖7 上下進(jìn)風(fēng)風(fēng)速比優(yōu)化后成型倉內(nèi)氣流速度矢量圖

經(jīng)過流道結(jié)構(gòu)的改善及上下進(jìn)風(fēng)風(fēng)速比優(yōu)化，成型倉內(nèi)氣氛流動獲得了顯著改善，但圖7結(jié)果顯示成型倉內(nèi)存在明顯的渦流，長時間成形容易導(dǎo)致煙塵聚集，甚至影響透光效率，但該流動狀態(tài)對上述兩個設(shè)計因素較為不敏感。為此，在上進(jìn)風(fēng)口設(shè)計并安裝整流網(wǎng)，整流網(wǎng)為多水平柵格結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整整流網(wǎng)上下導(dǎo)流角度，可把上揚煙塵盡量吹向吸風(fēng)口，防止煙塵濃度增加，影響激光在加工基板上的打印精度。下進(jìn)風(fēng)口仍為平行進(jìn)風(fēng)，以在成形區(qū)形成穩(wěn)定層流，帶走成形飛濺物?；谏鲜龇抡婺Ｐ?，通過逐步改變整流網(wǎng)導(dǎo)向角度，確定整流網(wǎng)向下傾斜24度時，可獲得較滿意的風(fēng)場流動狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 上進(jìn)風(fēng)口整流網(wǎng)導(dǎo)流角度優(yōu)化后成型倉氣流速度矢量圖

3 實驗驗證

根據(jù)上述設(shè)計改進(jìn)及分析結(jié)果建造新型成型倉流道結(jié)構(gòu)，基于該流道結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了SLM設(shè)備樣機(jī)研制。為了驗證本文仿真分析的正確性與優(yōu)化后風(fēng)場分布的實際效果，首先，對優(yōu)化后的裝備成型倉內(nèi)成型區(qū)上方進(jìn)行風(fēng)速測量實驗，圖9為風(fēng)速分布測量現(xiàn)場圖。通過多次測量下進(jìn)風(fēng)口G1-G6對應(yīng)出風(fēng)口位置處的風(fēng)速分布，取其平均值，下進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化后的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，得到表3所示的試驗流速分布數(shù)據(jù)。實驗測得的優(yōu)化后風(fēng)速分布與仿真結(jié)果基本一致，表明對氣氛保護(hù)風(fēng)場的仿真及優(yōu)化可行有效。其次，在新型SLM設(shè)備中開展了樣件成形試驗，與在原有SLM設(shè)備中的樣件進(jìn)行對比，結(jié)果表明氣氛保護(hù)風(fēng)場優(yōu)化前后，所制造樣件的孔隙率從0.019%降低至0.009%，成形質(zhì)量獲得一定改善，驗證了該方法的有效性。最終，基于上述方法實現(xiàn)了該系列多種型號SLM設(shè)備的風(fēng)場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計效果均達(dá)到應(yīng)用要求。

圖9 風(fēng)速測量圖

4 結(jié)語

本文采用ANSYS Fluent流體分析軟件對某型號SLM金屬3D打印設(shè)備中的氣氛保護(hù)風(fēng)場進(jìn)行模擬分析，針對原始設(shè)備成型倉中氣氛保護(hù)風(fēng)場存在的流動不均勻及煙塵聚集問題，首先，通過設(shè)計導(dǎo)流板及優(yōu)化出風(fēng)口柵格間距，實現(xiàn)了上下進(jìn)風(fēng)口流道結(jié)構(gòu)改進(jìn)，改善了進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速分布均勻性，上進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速分布標(biāo)準(zhǔn)差從0.1133m/s下降至0.0154m/s，下進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速分布標(biāo)準(zhǔn)差從0.3916m/s下降至0.0468m/s；其次，通過優(yōu)化上下進(jìn)風(fēng)風(fēng)速比至1∶1.2，設(shè)置和調(diào)整上進(jìn)風(fēng)口整流網(wǎng)導(dǎo)流角，改善了成型倉內(nèi)風(fēng)場整體流動分布，在成形區(qū)上方形成了均勻的氣流層，減少了成型倉中的煙塵聚集。最后，基于改進(jìn)的流道結(jié)構(gòu)及進(jìn)風(fēng)設(shè)計，搭建SLM設(shè)備樣機(jī)，實驗測得進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速分布與仿真結(jié)果基本一致，驗證了氣氛保護(hù)風(fēng)場仿真及優(yōu)化的有效性；基于新型樣機(jī)開展樣件成形試驗，結(jié)果表明所制造樣件的孔隙率獲得較好的改善。基于上述方法實現(xiàn)了多型號SLM設(shè)備的氣氛保護(hù)風(fēng)場分析及優(yōu)化，設(shè)計效果均達(dá)到要求，為相關(guān)設(shè)備的升級改造提供了參考，但在自動化最優(yōu)設(shè)計方面可進(jìn)一步探索，提高設(shè)備定制改造效率。