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(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的重塑能力，為我們展現(xiàn)了一個(gè)以功能實(shí)現(xiàn)為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)及工藝路線優(yōu)化提供了方向，提高對(duì)裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化能力及對(duì)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(jì)算在SLM 3D打印機(jī)鋪粉裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》中談到了基于Ansys workbench軟件對(duì)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(duì)不同形狀刮刀進(jìn)行了對(duì)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(jì)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(duì)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(yùn)動(dòng)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(jì)與改進(jìn)。

撒粉器的設(shè)計(jì)問題

SLM選區(qū)金屬熔化3D打印機(jī)中撒粉器的設(shè)計(jì)是生產(chǎn)過程中的難點(diǎn)，針對(duì)不同形狀的打印平臺(tái)，研究其落粉規(guī)律對(duì)后續(xù)的鋪粉，刮刀的設(shè)計(jì)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(duì)某款金屬打印機(jī)的圓形打印平臺(tái)做了落粉研究，鋪粉器的理想設(shè)計(jì)是剛好把打印平臺(tái)（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(jì)問題，來源安世亞太

圖2：圓形平臺(tái)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(yùn)動(dòng)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(dòng)可以認(rèn)為是流體（氣體）與金屬顆粒之間相互作用的運(yùn)動(dòng)。“流體-顆?！毕到y(tǒng)研究難點(diǎn)在于：

1. 流體本身形態(tài)不固定，難以觀察和測(cè)量。

2. 顆粒相互碰撞，不同時(shí)刻和位置，單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)、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(jì)算的復(fù)雜度。

當(dāng)顆粒密度較低時(shí)，不用考慮顆粒間的相互作用，當(dāng)顆粒較多時(shí)，需要考慮顆粒間的碰撞作用，當(dāng)顆粒非常稠密時(shí)，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(dòng)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(gè)固體顆粒的運(yùn)動(dòng)，來模擬整個(gè)顆粒物料的流動(dòng)。DEM離散元求解法的主要優(yōu)勢(shì)在粒子尺度上獲取信息，可以預(yù)測(cè)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(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單的顆粒作用，但是對(duì)于顆粒數(shù)量有限制，另外DEM 模型不能配合動(dòng)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(gè)相態(tài)的平均屬性。

針對(duì)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(duì)設(shè)計(jì)做指導(dǎo)并于DPM方法得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)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(dú)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(gè)粒子團(tuán)的位置和屬性，計(jì)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(jì)效率

研究的某款SLM打印機(jī)中粉末的運(yùn)動(dòng)主要經(jīng)過4個(gè)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(tái)。

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(jiǎn)化過的內(nèi)流道幾何模型，來源安世亞太

模型簡(jiǎn)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(jiǎn)化將分粉器和鋪粉器的不必要零部DPM模型計(jì)算出的自由落粉時(shí)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(yáng)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(shí)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(jì)算出的自由落粉時(shí)間為1.0秒，Y位置呈現(xiàn)非常明顯的波動(dòng)下降趨勢(shì)，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。

圖13：自由落粉時(shí)間，來源安世亞太

圖14：YZ截面顆粒Y坐標(biāo)-1s狀態(tài)，來源安世亞太

圖15：XY截面顆粒Y坐標(biāo)-1s狀態(tài)，來源安世亞太

提取瞬態(tài)計(jì)算中0.7s之后的狀態(tài)結(jié)果，將分粉器和鋪粉器內(nèi)的體積沿Z軸等分為10份，統(tǒng)計(jì)單位體積內(nèi)的顆粒數(shù)量，最終回歸為每個(gè)區(qū)域顆粒質(zhì)量與總質(zhì)量的比例，對(duì)比見圖16。

圖16：體積分份示意圖，來源安世亞太

圖17：DDPM+DEM耦合與文獻(xiàn)1，2中改進(jìn)后Fluent DPM方法結(jié)果對(duì)比，來源安世亞太

總結(jié)

本研究對(duì)Fluent軟件對(duì)撒粉器結(jié)構(gòu)的仿真效果。總結(jié)如下：

相比于Fluent軟件較成熟的模型DPM得到的結(jié)構(gòu)，DDPM-DEM模型仿真考慮了顆粒間的碰撞，顆粒與壁面碰撞，從鋪粉器出口得到的分布結(jié)果看與理想狀況較為接近，兩側(cè)量較少從而減少了鋪粉過程中浪費(fèi)的回收粉量，粉多集中在中部區(qū)域，呈正態(tài)分布。

DDPM-DEM模型更接近實(shí)際的稠密顆粒流的情況，相較于理想情況的分布，兩側(cè)粉末的數(shù)量較少說明撒粉器的分粉槽在設(shè)計(jì)中存在缺陷，對(duì)撒粉器的設(shè)計(jì)提出了指導(dǎo)性意見。

綜上所述，選擇正確的流體仿真模型可以對(duì)實(shí)際設(shè)備的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)性的改進(jìn)意見，提高設(shè)計(jì)的效率。

來源：3D科學(xué)谷