流體仿真在SLM 3D打印機(jī)箱內(nèi)部流場及散熱性能領(lǐng)域的應(yīng)用

作者：李菁
來源：安世亞太

選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，以下簡稱 SLM）作為金屬增材制造的一種主要手段，能夠制備出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，提高材料的利用率，減少后續(xù)加工流程，節(jié)省制備時間。該技術(shù)所采用的激光光斑直徑較小，成形精度較高，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)零件的近凈成形，因此選擇性激光熔化技術(shù)近些年來越來越受到關(guān)注且已經(jīng)得到的廣泛應(yīng)用。

選區(qū)激光熔化過程中鋪粉環(huán)節(jié)對成型過程和最終的成型件質(zhì)量有著重要的影響，鋪粉裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，鋪粉過程的參數(shù)優(yōu)化都需要進(jìn)行大量的研究。采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方法對這些過程進(jìn)行研究需要花費(fèi)大量的時間、人力和物力，且很難從微觀的尺度對這一過程進(jìn)行詳細(xì)的描述。而針對該過程建立相應(yīng)的模型，采用有限單元法或離散單元法對鋪粉過程進(jìn)行相應(yīng)的仿真，并結(jié)合一定的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證可以從微觀尺度更好的理解這一過程，對鋪粉裝置和鋪粉工藝進(jìn)行更好的優(yōu)化。

在本期增材專欄，安世亞太基于Ansys軟件對選區(qū)激光熔化3D打印機(jī)機(jī)箱散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)的分析，為機(jī)箱散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。

圖1 水冷空調(diào)在機(jī)箱中的位置及水冷空調(diào)邊界條件示意圖

在進(jìn)行機(jī)箱散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)時考慮的因素：
1.考慮市場上相同類型和尺寸的金屬打印機(jī)的散熱設(shè)計(jì)
2.考慮工控機(jī)、mcp、激光器中含有對溫度較為敏感的電子器件（電子器件的壽命與工作環(huán)境溫度成反比），工作環(huán)境溫度（包括固體溫度）不超過40℃
3.盡量提高冷空氣的利用率，使機(jī)箱內(nèi)盡量大部分被氣流覆蓋
4.考慮改造的難易程度及潛在風(fēng)險
仿真內(nèi)容
SLM 3D打印設(shè)備機(jī)箱整體尺寸較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且?guī)缀纬叽缈缍群艽�，簡化難度較高。因此在保證準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，為減少網(wǎng)格數(shù)量，主要保留尺寸較大、對流動有明顯影響的結(jié)構(gòu)，如機(jī)箱架子、隔板、各種發(fā)熱件、管道、尺寸較大的非發(fā)熱件等影響流動的固體配件，去掉倒角及螺孔。

其中根據(jù)某種機(jī)型的發(fā)熱件的發(fā)熱功率和表面溫度，保留的發(fā)熱件有：mcp、機(jī)控項(xiàng)、激光器、電機(jī)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、氧氣傳感器（兩個）、電磁閥（2個）、電源（3+2個）。

   

圖2 簡化前幾何模型及剖面圖

圖3 簡化后幾何模型

圖4 整體網(wǎng)格劃分及局部加密情況

圖4為機(jī)箱網(wǎng)格示意及局部加密情況圖。本次計(jì)算使用四面體加棱柱層劃分網(wǎng)格，在細(xì)小結(jié)構(gòu)附近采用1mm的小尺寸捕捉曲率變化和接近率, 在入口附近使用棱柱層網(wǎng)格以保證流場計(jì)算精度。
仿真結(jié)果

圖5 X方向中截面速度矢量示意圖

由于機(jī)箱內(nèi)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，氣流受到的阻礙較多，但是總來說氣流在機(jī)箱內(nèi)還是形成了一個覆蓋了機(jī)箱大部分區(qū)域的氣流循環(huán)。由于入口處增加了一個向壁面收攏的擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致剛進(jìn)入機(jī)箱的氣流豎直向下流動，觸底后流向改變（這會導(dǎo)致大量的動量損失），大量的氣流從機(jī)箱底部擋板下流過，進(jìn)入左側(cè)室。這一部分氣流沒能起到良好的對流換熱作用，所以應(yīng)該考慮調(diào)整進(jìn)氣的方向，或者在機(jī)箱的入口下方位置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，不要讓氣流直接貼地面流通。

圖6 X方向中截面流線圖

圖7 X方向中截面溫度云圖

從圖可以看出經(jīng)過打印室下方的氣流較少，且從溫度場可以看出，打印室周圍的溫度較高，且由于打印室附近還有一個發(fā)熱量較大的電機(jī)，導(dǎo)致此處的溫度聚集較為嚴(yán)重。可以考慮在打印室下方位置增加風(fēng)扇，增強(qiáng)氣流流動性。

圖8 優(yōu)化方案改進(jìn)意見示意

針對現(xiàn)有模型和模擬條件，得到的模擬結(jié)果，分析后可以得出以下方向性改進(jìn)意見：
1. 打印室下方區(qū)域可以在側(cè)壁上增加一個風(fēng)扇來提高打印室下放區(qū)域的氣流流通性；
2. 左右側(cè)室的隔板上增加幾個可以進(jìn)行氣流交換的孔，增強(qiáng)兩側(cè)的對流；
3. 機(jī)箱入口下方角落的零件需要重新布置，以防止氣流直接向機(jī)箱底部沖入，而不經(jīng)過機(jī)箱內(nèi)部區(qū)域。

圖9  原方案結(jié)果

圖10  優(yōu)化方案結(jié)果

通過各發(fā)熱件體積平均溫度數(shù)據(jù)對比可以看出，安裝擋風(fēng)板的機(jī)箱，在隔板上打兩層孔、新增一風(fēng)扇后，激光器、MCP、工控機(jī)、工作腔室的溫度均有明顯下降。

圖11 原方案-水冷風(fēng)扇出口速度比例與主要關(guān)注發(fā)熱件溫度關(guān)系曲線

圖12 優(yōu)化方案-水冷風(fēng)扇出口速度比例與主要關(guān)注發(fā)熱件溫度關(guān)系曲線

水冷風(fēng)扇制冷功率和風(fēng)量的曲線統(tǒng)計(jì)

1. 原方案水冷風(fēng)扇的制冷功率不變，風(fēng)扇出口速度由100%（8.9m/s）下降到0%（即停止工作）的10個工況；
2. 優(yōu)化方案水冷風(fēng)扇的制冷功率不變，打印腔室附近的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不變，水冷風(fēng)扇的出口速度由100%（8.9m/s）下降到0%（即停止工作）的10個工況。

由于SLM機(jī)箱內(nèi)部零部件非常多，支撐架子也很多，機(jī)箱內(nèi)有很多小的流域沒有足夠的氣流通過，并且大量的動量被阻力消耗，造成機(jī)箱內(nèi)的氣流速度較低。

從目前的模擬結(jié)果看來：

1.不做任何優(yōu)化時，當(dāng)水冷空調(diào)以最大制冷功率、最大風(fēng)量工作時，可以滿足冷卻機(jī)箱的要求；

2.通過在隔板上增加幾個可以進(jìn)行氣流交換的孔，可以有效增進(jìn)左右側(cè)室內(nèi)的氣流交換，將機(jī)箱內(nèi)的流體溫度有一定程度降低。而原有的水冷風(fēng)扇入口下方的擋風(fēng)板可以將氣流的速度迅速提升一倍（提升的比例與擋風(fēng)板的出口面積有關(guān)），提升入口的氣流速度也可以提高水冷風(fēng)扇的制冷效率，降低機(jī)箱內(nèi)元器件的溫度；

3.在工作腔體左側(cè)增加一個風(fēng)扇可以有效降低工作腔室的溫度；

4.優(yōu)化方案中，只要保證水冷風(fēng)扇的風(fēng)扇出口速度不小于某一速度值時就可以保證MCP、工控機(jī)、激光器的溫度在目標(biāo)溫度以下；在原方案中，需要保證水冷風(fēng)扇的風(fēng)扇出口速度不小于某一速度值時才可以保證MCP、工控機(jī)、激光器的溫度在要求溫度。

綜上所述，流體仿真的應(yīng)用可以避免在機(jī)箱流場的設(shè)計(jì)中出現(xiàn)不必要的資源浪費(fèi)問題，起到到簡化設(shè)計(jì)思路、縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)效率的作用。

—作者—
李菁
安世亞太流體咨詢專家，航天工程專業(yè)，碩士學(xué)位，4年數(shù)值仿真經(jīng)驗(yàn)，涉及高超聲速、多相流、顆粒物、燃燒、傳熱分析等多個領(lǐng)域，目前主要參與多個增材設(shè)備流體仿真分析項(xiàng)目，積累了大量3D打印設(shè)備流體優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。