選區激光熔化金屬三維打印設備的風場仿真與優化

□ 肖建軍 □ 謝洋生

湖南華曙高科技有限責任公司 長沙 410205

1 研究背景

選區激光熔化是增材制造技術的一種,具有數字化制造、高度柔性、高適應性、計算機輔助設計模型直接驅動、材料類型豐富多樣等特點,通過專用軟件對零件三維數字模型進行切片分層,獲得各截面的輪廓數據,利用高能量激光束根據輪廓數據逐層選擇性地熔化金屬粉末,逐層鋪粉,逐層熔化凝固堆積,制造三維實體零件。選區激光熔化不受零件形狀復雜程度的限制,不需要任何工裝模具,應用范圍廣,是近年來一種發展迅速的先進制造技術[1-2]。在選區激光熔化制件過程中,不可避免地會有飛濺物產生,如果這些飛濺物不能被及時帶離燒結區域,那么會對成型工件的質量產生影響[3]。制件通常在一個充滿保護氣體的封閉打印腔體內進行,為了帶走制件過程中產生的飛濺物,在燒結區域上方建立有效流動的保護氣流十分重要[4]。Ferrar等[5]在研究中發現,保護氣體的流動會對成型工件的密度和表面形貌產生影響,均勻流動的保護氣體能有效提高成型工件的質量。Anwar等[6]研究發現,飛濺物的質量和大小會隨著與掃描區域間距離的減小而減小,飛濺物的質量分布與氣流速度不成正相關,在氣流速度較高的情況下,較大的飛濺顆粒會較早地沉積于燒結區域。梁平華等[7]研究發現,打印腔內燒結區域的黑煙殘留問題主要由掃描區域內風場不均勻引起,通過對風場流道優化,可大幅減小吹風口截面風速標準差,更為有效地去除打印腔內的黑煙。通過文獻檢索,認為在現有選區激光熔化風場研究中,對風場風速及飛濺物的試驗研究較多,而對飛濺物與風場結構關聯性的研究則較少。

筆者基于計算流體動力學,運用Flow Simulation軟件對選區激光熔化金屬三維打印設備打印腔體內的風場進行仿真,從風場均勻性與飛濺物攜帶能力兩方面對風場結構進行評估和優化,并進行試驗驗證。結果表明,結構優化有效提高了燒結區域風場的均勻性和氣流攜帶飛濺物的能力,減小了飛濺顆粒對成型工件質量的影響。

2 選區激光熔化金屬三維打印設備組成

選區激光熔化金屬三維打印設備由打印腔體、激光振鏡系統、氣流循環系統、過濾系統等組成。打印腔體是一個充滿保護氣體的封閉腔,其內部結構如圖1所示。氣流循環系統由風機提供動力,主要作用是在燒結區域上方形成穩定均勻的保護氣流,將制件過程中產生的飛濺物、氧化黑煙及金屬羽流等有害物質帶離燒結區域,最終由過濾系統收集。為了使風機產生的氣流能夠在打印腔體內循環,在打印腔體的吹風口和吸風口增加連接管道,如圖2所示。

圖1 打印腔體結構

圖2 連接管道

3 風場仿真

制件過程中產生的飛濺物如果掉落在燒結區域,會對工件的致密度、力學性能等產生影響。能否將制件時產生的飛濺物帶離燒結區域,主要取決于燒結區域上方的保護氣流。能否建立有效流動的保護氣流,由吹風口、吸風口及相關流道的結構決定。因此,在研究過程中首先對打印腔體內的風場進行仿真分析,然后應用粒子示蹤法對飛濺物在保護氣流中的運動情況進行追蹤。

3.1 風場仿真建模

先建立選區激光熔化金屬三維打印設備打印腔體模型,再根據分析條件和狀態對模型進行適當簡化,得到便于分析的模型。利用Flow Simulation軟件建立流道模型,進行網格劃分,在細小結構處進行網格加密,最終得到用于仿真分析的打印腔體流道網格模型,如圖3所示。

圖3 打印腔體流道網格模型

設備正常燒結時的工作參數見表1,這些參數作為風場仿真計算時的邊界條件,由此計算得到相應的湍流參數,湍動能為0.063 3 J/kg,湍流耗散為0.039 7 W/kg。

表1 正常燒結時工作參數

3.2 風場仿真結果

對打印腔體內的風場進行分析,設定吹風口氣流流量為0.018 m3/s。由于制件時飛濺物主要分布在燒結區域上方20 mm附近的區域,因此在仿真結果中插入二維截面,利用切面圖來觀察打印腔體內氣流的速度分布。最終得到燒結區域上方20 mm平面風場速度分布云圖和打印腔體切面風場速度分布云圖,分別如圖4、圖5所示。

圖4 燒結區域上方20 mm平面風場速度分布云圖

由圖4可見,在靠近吹風口的燒結區域上方,氣流速度分布不均勻,從而導致整個燒結區域內風速不均勻,最終使成型工件的一致性變差。

由圖5可見,吹風口與打印腔體的底板在高度上存在一定距離,當氣流從吹風口出來后,氣流在垂直方向受到擾動,氣流主體向燒結區域靠近,同時向吸風口流動。氣流在進入吸風管道前發生了抬升,進而在打印腔體內產生回流現象,這會使飛濺物隨氣流擴散至整個打印腔體,從而對制件產生影響。

圖5 打印腔體切面風場速度分布云圖

4 飛濺物追蹤研究

相比整體氣流,飛濺物的質量很小,對氣體流動的影響很小,因此采用粒子示蹤法對飛濺物在氣流中的運動進行研究。采用粒子示蹤法進行數值模擬分析時,進行如下假設:物理粒子是指定材料的恒定質量球形粒子,物理粒子對氣體流動無影響,物理粒子的運動完全由流場決定。

為了定量分析選區激光熔化金屬三維打印設備打印腔體內氣流對飛濺物的攜帶能力,將燒結區域劃分為四個部分——S1～S4,如圖6所示。

圖6 燒結區域劃分

在每個區域中注入100個物理粒子,分別提取每個區域內飛濺物從吸風口離開的百分比,從而對打印腔體內氣流攜帶飛濺物的能力進行評估。物理粒子的初始條件中,直徑為4×10-5m,材料為鋁合金,密度為2 688.9 kg/m3,質量流量為0.001 kg/s,初始速度為9 m/s[8],方向為燒結區域的法線方向,與壁面的碰撞條件為反射,正常恢復因數為1,切向恢復因數為1。選取燒結區域中S1與S2部分的飛濺物進行分析,結果分別如圖7、圖8所示。

圖7 S1部分飛濺物軌跡

圖8 S2部分飛濺物軌跡

由圖7可見,靠近吸風口處上方的風速較低,飛濺物在沖出保護氣流的高速區域后,會在打印腔體內擴散,然后在自身重力和腔內氣流的雙重作用下,重新回到保護氣流的主體區域,之后由保護氣流攜帶進入吸風口。

由圖8可見,靠近吹風口處上方的風速較高,飛濺物運動至保護氣流的高速區域后降速很快,在自身重力和保護氣流的雙重作用下,向吸風口方向運動。由于燒結區域上方的保護氣流有貼近壁面運動的趨勢,因此一部分飛濺物掉落在靠近吸風口的燒結區域內,另一部分飛濺物隨氣流在吸風口下方聚集。

燒結區域各部分產生的飛濺物被保護氣流攜帶進入吸風口的百分比見表2。

表2 飛濺物進入吸風口百分比

5 風場結構優化

通過分析選區激光熔化金屬三維打印設備打印腔體內的風場仿真情況和燒結區域內飛濺物追蹤仿真情況,可以發現要想有效地將制件過程中產生的飛濺物帶走,必須使燒結區域上方的風場分布更加均勻,同時需要改變吸風口的結構,使吸風口區域的飛濺物能被有效帶走。

為了使燒結區域上方的風場分布更均勻,在吹風口處增加均分柵格罩,同時縮短吹風口到燒結區域的距離。吹風口柵格罩如圖9所示。為了使吸風口區域內的飛濺物能夠被有效帶走,改變吸風口形狀,并使其下端與燒結區域平齊。改進后吸風口如圖10所示。

圖9 吹風口柵格罩

圖10 改進后吸風口

風場結構優化后,在相同的邊界條件下進行流體仿真分析,得到優化后燒結區域上方20 mm平面風場速度分布云圖和打印腔體切面風場速度分布云圖,分別如圖11、圖12所示。

圖11 優化后燒結區域上方20 mm平面風場速度分布云圖

圖12 優化后打印腔體切面風場速度分布云圖

由圖11可見,在吹風口處增加均分柵格罩后,燒結區域的上方產生了更為均勻的風場,從而提升了整個燒結區域內成型工件的一致性。

由圖12可見,縮短吹風口到燒結區域的距離后,保護氣流的核心區域更多地集中在燒結區域上方,能更好地將制件時產生的飛濺物帶離燒結區域。同時可以發現,氣流在打印腔體內存在一定的二次回流現象,說明對于大型三維打印成型設備而言,增大燒結區域后,需要增加更多的分支氣流來減小打印腔體內的回流。

6 優化后飛濺物追蹤研究

在相同的邊界條件和初始條件下對飛濺物進行粒子追蹤研究,同樣取燒結區域S1、S2部分的飛濺物進行分析,結果分別如圖13、圖14所示。

圖13 優化后S1部分飛濺物軌跡

圖14 優化后S2部分飛濺物軌跡

優化后燒結區域各部分產生的飛濺物被保護氣流攜帶進入吸風口的百分比見表3。

表3 優化后飛濺物進入吸風口百分比

由圖13可見,風場結構優化后,打印腔體內二次回流產生變化,使燒結區域S1部分飛濺物漂浮至吸風口上方。

由圖14可見,風場結構優化后,燒結區域S2部分產生的飛濺物穿過保護氣流的高速區域,大部分可以在氣流的攜帶下進入吸風口。

對比表2和表3,可以看出風場結構優化后,燒結區域靠近吹風口處產生的飛濺物被保護氣流攜帶走的百分比有較為明顯的提高,燒結區域靠近吸風口處產生的飛濺物被保護氣流攜帶走的百分比則由于二次回流的變化而產生變化。風場結構優化后能夠使燒結區域內產生的飛濺物更多地被保護氣流攜帶走,從而提高成型工件的質量和一致性。

7 試驗驗證

為了驗證選區激光熔化金屬三維打印設備打印腔體內風場仿真結果的準確性及風場結構優化的正確性,利用某款金屬三維打印設備在原有結構和優化結構下進行驗證試驗。制件時,打印腔體吹風口流量為0.018 m3/s,在該流量下進行AlSi10Mg鋁合金材料試樣打印,試樣規格為10 mm×10 mm×10 mm。制件完成后,利用金相法測得每個試樣的致密度,最終得到試樣致密度結果,如圖15、圖16所示。

圖15 原有結構試樣致密度結果

圖16 優化后試樣致密度結果

由圖15可見,原有結構下試樣致密度相對較低,且分布不均勻,試樣的平均致密度為99.901%,最低致密度為99.840%,出現在燒結區域中部靠近吸風口處。結合原有結構下飛濺物追蹤仿真結果,推測是燒結區域靠近吹風口處產生的一部分飛濺物在氣流的作用下掉落在靠近吸風口處的燒結區域,從而使該區域內試樣的致密度偏低。

由圖16可見,風場結構優化后試樣致密度整體得到提高,試樣平均致密度為99.960%,最低致密度為99.912%,同樣出現在燒結區域中部靠近吸風口處。由此說明,風場結構優化后可以減小因飛濺物掉落在靠近吸風口處的燒結區域而出現的致密度降低的情況。

8 結束語

選區激光熔化金屬三維打印過程中,飛濺物殘留會對成型工件的質量產生影響。為了提高成型工件的質量,運用Flow Simulaton軟件對風場結構優化前后選區激光熔化金屬三維打印設備打印腔體內風場及飛濺物運動進行仿真,并通過試驗驗證了優化方案的有效性。風場結構優化后,提高了氣流對飛濺物的攜帶能力,試樣的平均致密度從99.901%提高至99.960%,進而提高了成型工件的質量。