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通過仿真計算優(yōu)化SLM 3D打印過程中鋪粉的粉末均勻程度

魔猴君行業(yè)資訊 2027天前

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選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting；SLM）作為金屬增材制造技術(shù)中備受關(guān)注的一類代表性技術(shù)，能夠制造出傳統(tǒng)加工方式難以實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件。SLM 金屬3D打印技術(shù)正在航空航天、醫(yī)療、液壓、換熱器、能源等領(lǐng)域不斷地實現(xiàn)對產(chǎn)品的重塑能力，為我們展現(xiàn)了一個以功能實現(xiàn)為導(dǎo)向的設(shè)計未來。

然而，要獲得質(zhì)量合格的金屬3D打印產(chǎn)品需要需要對加工的過程有著高人一籌的把控能力，這其中，仿真為SLM選區(qū)金屬熔化金屬3D打印的方案設(shè)計及工藝路線優(yōu)化提供了方向，提高對裝置的設(shè)計優(yōu)化能力及對工藝的控制能力。安世亞太的仿真專家曾經(jīng)在專欄文章《仿真計算在SLM 3D打印機(jī)鋪粉裝置設(shè)計中的應(yīng)用》中談到了基于Ansys workbench軟件對SLM打印機(jī)鋪粉過程、鋪粉裝置與變形件發(fā)生碰磨的過程如何進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析，并針對不同形狀刮刀進(jìn)行了對比，為鋪粉裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及選材提供一定的參考依據(jù)。

本期的《仿真計算優(yōu)化SLM 3D打印過程中鋪粉的粉末均勻程度》一文將針對撒粉器落粉過程進(jìn)行仿真分析，通過研究金屬粉末在送粉器、分粉器和鋪粉器中的運動過程，研究落粉的概率性以及分布，以優(yōu)化鋪粉器出口的粉末均勻程度，指導(dǎo)SLM撒粉器結(jié)構(gòu)的設(shè)計與改進(jìn)。

撒粉器的設(shè)計問題

SLM選區(qū)金屬熔化3D打印機(jī)中撒粉器的設(shè)計是生產(chǎn)過程中的難點，針對不同形狀的打印平臺，研究其落粉規(guī)律對后續(xù)的鋪粉，刮刀的設(shè)計以及粉末的回收均具有指導(dǎo)意義。

圖片：SLM選區(qū)金屬熔化3D打印工作原理

本文針對某款金屬打印機(jī)的圓形打印平臺做了落粉研究，鋪粉器的理想設(shè)計是剛好把打印平臺（紅圈位置）范圍鋪滿，而其他區(qū)域（黑色框線位置）沒有粉末。撒粉器的理想出粉分布應(yīng)該與圓形的面積成比例，這樣能最大程度減小粉末回收量。理想落粉分布的換算方法見圖2、3。

圖1：撒粉器設(shè)計問題，來源安世亞太

圖2：圓形平臺分區(qū)示意，，來源安世亞太

圖3：理想落粉分布比例，來源安世亞太

顆粒運動仿真分析

SLM選區(qū)金屬熔化3D打印機(jī)中的金屬粉末可以認(rèn)為是金屬顆粒，粉末在撒粉器中的流動可以認(rèn)為是流體（氣體）與金屬顆粒之間相互作用的運動?！傲黧w-顆?！毕到y(tǒng)研究難點在于：

1. 流體本身形態(tài)不固定，難以觀察和測量。

2. 顆粒相互碰撞，不同時刻和位置，單個顆粒的運動、受力都不同。

3. 流體與顆粒的相互作用形成強(qiáng)烈的耦合作用，加大了系統(tǒng)計算的復(fù)雜度。

當(dāng)顆粒密度較低時，不用考慮顆粒間的相互作用，當(dāng)顆粒較多時，需要考慮顆粒間的碰撞作用，當(dāng)顆粒非常稠密時，顆粒間的摩擦力是流體的主導(dǎo)作用力。

圖4：顆粒流流型結(jié)構(gòu)，來源安世亞太

大規(guī)模的金屬粉末的流動難以用精準(zhǔn)的連續(xù)性方程求解，離散元DEM法通過模擬感興趣的系統(tǒng)中的每一個固體顆粒的運動，來模擬整個顆粒物料的流動。DEM離散元求解法的主要優(yōu)勢在粒子尺度上獲取信息，可以預(yù)測顆粒破碎、粘合等現(xiàn)象。

Ansys Fluent提供了一些方法處理流體中的顆粒運動問題，然而每種方法有各自的適用性。

- DPM模型適用于稀薄顆粒，顆粒體積不能超過總體積的20%。

- DDPM模型可以考慮稠密顆粒相，但是不能考慮顆粒形狀或顆粒間相互作用。

- DEM模型可以模擬簡單的顆粒作用，但是對于顆粒數(shù)量有限制，另外DEM 模型不能配合動網(wǎng)格使用。

- 歐拉-顆粒法是將顆粒平均成一種流體的相態(tài)，用流體的特性代表顆粒特性，后處理中不能看到顆粒，而是作為一個相態(tài)的平均屬性。

針對SLM金屬打印機(jī)撒粉器落粉量及金屬顆粒的大小，使用DDPM-DEM方法做仿真處理對設(shè)計做指導(dǎo)并于DPM方法得到的結(jié)果進(jìn)行了對比（DPM是fluent較成熟的方法）。

表格 1 Fluent中顆粒流分析方法總結(jié)

Fluent中不單獨追蹤所有顆粒，所以算法中把顆粒打成粒子包，以粒子包的性質(zhì)代表一個粒子團(tuán)的位置和屬性，計算速度較快。

圖5：顆粒包概念，來源安世亞太

仿真結(jié)果提升設(shè)計效率

研究的某款SLM打印機(jī)中粉末的運動主要經(jīng)過4個部件，見圖6。藍(lán)色的給粉器、綠色的分粉器、粉色的鋪粉器和黃色的打印室上下平臺。

圖6：撒粉器結(jié)構(gòu)，來源安世亞太

圖7：新撒粉器結(jié)構(gòu)幾何模型，來源安世亞太

圖8：簡化過的內(nèi)流道幾何模型，來源安世亞太

模型簡化將分粉器和鋪粉器的不必要零部件去除，抽取內(nèi)部流道部分。

圖9：整體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，來源安世亞太

模型簡化將分粉器和鋪粉器的不必要零部DPM模型計算出的自由落粉時間為0.41秒。從YZ截面的顆粒Y坐標(biāo)云圖可以看出，顆粒貼近分粉器內(nèi)板，有一定的揚粉效果，撒粉出口顆粒分布較均勻。從XY截面的顆粒Y坐標(biāo)云圖可以看出，粉末主要從X正方向的出口流出，但另一側(cè)也有粉末堆積。

圖10：自由落粉時間，來源安世亞太

圖11：YZ截面顆粒Y坐標(biāo)-1s狀態(tài)，來源安世亞太

圖12：XY截面顆粒Y坐標(biāo)-1s狀態(tài)，來源安世亞太

DDPM-DEM模型計算出的自由落粉時間為1.0秒，Y位置呈現(xiàn)非常明顯的波動下降趨勢，代表了顆粒相互作用明顯且將已經(jīng)下落的粉末撞擊造成位置上升。從YZ截面的顆粒Y坐標(biāo)云圖可以看出，顆粒分布均勻，可以觀察到顆粒間，顆粒與壁面間的相互作用。從XY截面的顆粒Y坐標(biāo)云圖可以看出，粉末從兩側(cè)流出，兩側(cè)分配的流量比較均勻。