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通過仿真計算優化SLM 3D打印過程中鋪粉的粉末均勻程度

魔猴君行業資訊 2062天前

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選區激光熔化（Selective Laser Melting；SLM）作為金屬增材制造技術中備受關注的一類代表性技術，能夠制造出傳統加工方式難以實現的復雜結構的零件。SLM 金屬3D打印技術正在航空航天、醫療、液壓、換熱器、能源等領域不斷地實現對產品的重塑能力，為我們展現了一個以功能實現為導向的設計未來。

然而，要獲得質量合格的金屬3D打印產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選區金屬熔化金屬3D打印的方案設計及工藝路線優化提供了方向，提高對裝置的設計優化能力及對工藝的控制能力。安世亞太的仿真專家曾經在專欄文章《仿真計算在SLM 3D打印機鋪粉裝置設計中的應用》中談到了基于Ansys workbench軟件對SLM打印機鋪粉過程、鋪粉裝置與變形件發生碰磨的過程如何進行相應的力學分析，并針對不同形狀刮刀進行了對比，為鋪粉裝置的結構優化及選材提供一定的參考依據。

本期的《仿真計算優化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，以優化鋪粉器出口的粉末均勻程度，指導SLM撒粉器結構的設計與改進。

撒粉器的設計問題

SLM選區金屬熔化3D打印機中撒粉器的設計是生產過程中的難點，針對不同形狀的打印平臺，研究其落粉規律對后續的鋪粉，刮刀的設計以及粉末的回收均具有指導意義。

圖片：SLM選區金屬熔化3D打印工作原理

本文針對某款金屬打印機的圓形打印平臺做了落粉研究，鋪粉器的理想設計是剛好把打印平臺（紅圈位置）范圍鋪滿，而其他區域（黑色框線位置）沒有粉末。撒粉器的理想出粉分布應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：撒粉器設計問題，來源安世亞太

圖2：圓形平臺分區示意，，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選區金屬熔化3D打印機中的金屬粉末可以認為是金屬顆粒，粉末在撒粉器中的流動可以認為是流體（氣體）與金屬顆粒之間相互作用的運動。“流體-顆粒”系統研究難點在于：

1. 流體本身形態不固定，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烈的耦合作用，加大了系統計算的復雜度。

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

圖4：顆粒流流型結構，來源安世亞太

大規模的金屬粉末的流動難以用精準的連續性方程求解，離散元DEM法通過模擬感興趣的系統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勢在粒子尺度上獲取信息，可以預測顆粒破碎、粘合等現象。

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，但是對于顆粒數量有限制，另外DEM 模型不能配合動網格使用。

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

針對SLM金屬打印機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計做指導并于DPM方法得到的結果進行了對比（DPM是fluent較成熟的方法）。

表格 1 Fluent中顆粒流分析方法總結

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

圖5：顆粒包概念，來源安世亞太

仿真結果提升設計效率

研究的某款SLM打印機中粉末的運動主要經過4個部件，見圖6。藍色的給粉器、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：撒粉器結構，來源安世亞太

圖7：新撒粉器結構幾何模型，來源安世亞太

圖8：簡化過的內流道幾何模型，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，抽取內部流道部分。

圖9：整體網格結構，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坐標云圖可以看出，顆粒貼近分粉器內板，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坐標云圖可以看出，粉末主要從X正方向的出口流出，但另一側也有粉末堆積。

圖10：自由落粉時間，來源安世亞太

圖11：YZ截面顆粒Y坐標-1s狀態，來源安世亞太

圖12：XY截面顆粒Y坐標-1s狀態，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下落的粉末撞擊造成位置上升。從YZ截面的顆粒Y坐標云圖可以看出，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坐標云圖可以看出，粉末從兩側流出，兩側分配的流量比較均勻。