仿真計(jì)算在SLM 3D打印機(jī)撒粉器優(yōu)化中的應(yīng)用

魔猴君  行業(yè)資訊   2048天前

選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting；SLM）可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造難以實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品，拿一個(gè)典型的發(fā)射器噴嘴來(lái)說(shuō)，原來(lái)需要35個(gè)零件組合而成，通過3D打印可一次性完成，這使得3D打印在制造此類零件的時(shí)候效率比傳統(tǒng)制造模式要快3到4倍，成本要節(jié)約大約3倍。然而要通過SLM選區(qū)激光熔化3D打印技術(shù)制造出理想的零件并非易事。這其中，鋪粉裝置和鋪粉均勻程度是對(duì)打印結(jié)果的一大影響因素。

SLM金屬打印機(jī)中的撒粉器撒粉過程中粉末的運(yùn)動(dòng)需要經(jīng)過4個(gè)部件，給粉器、分粉器、鋪粉器和打印平臺(tái)，撒粉器設(shè)計(jì)過程中需要考慮分粉和鋪粉結(jié)構(gòu)是否合理，合理的撒粉器撒粉過程的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為：

在出粉口撒出粉末的數(shù)量接近；

出粉口長(zhǎng)度方向上的粉末數(shù)量分布均勻；

本文采用Rocky離散元分析軟件對(duì)撒粉器撒粉過程進(jìn)行模擬，并結(jié)合模擬結(jié)果對(duì)撒粉器進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)比分析不同方案下的撒粉結(jié)果，為撒粉器的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

結(jié)構(gòu)模型及粉末參數(shù)確定

圖1左圖為某設(shè)計(jì)型號(hào)撒粉器的外部大致結(jié)構(gòu)，模擬過程中對(duì)撒粉器模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，主要去除了模擬分析過程中不必要的部位，保留了粉末流過的所有腔室結(jié)構(gòu)，并加上了給粉器的相關(guān)結(jié)構(gòu)，模型的簡(jiǎn)化在Ansys SpaceClaim中進(jìn)行，簡(jiǎn)化后的模型如圖1右圖所示。

圖1 撒粉器簡(jiǎn)化模型

在離散元分析中粉末安息角跟粉末顆粒間的靜摩擦系數(shù)、顆粒間滾動(dòng)摩擦系數(shù)、滾動(dòng)阻力系數(shù)、底部平板與粉末摩擦系數(shù)和黏附系數(shù)等參數(shù)的設(shè)定有關(guān)，為了跟實(shí)驗(yàn)測(cè)得的粉末安息角接近（實(shí)驗(yàn)測(cè)得某種金屬粉末安息角：40°~45°），通過改變這些參數(shù)進(jìn)行安息角模擬測(cè)試（圖2），最終通過離散元模擬確定了這些參數(shù)的值，圖3為最終模擬得到的合適的安息角（40.184°）。

圖2 安息角測(cè)試所用離散元分析模型

圖3 Rocky軟件模擬得到的合適的安息角

仿真結(jié)果分析及優(yōu)化分析

原方案撒粉結(jié)果

圖4為原方案下兩個(gè)出粉口落粉的模擬結(jié)果。圖5為兩個(gè)出粉口沿長(zhǎng)度方向的落粉分布情況，橫坐標(biāo)為沿出粉口長(zhǎng)度方向所對(duì)應(yīng)的等長(zhǎng)度的10個(gè)收粉位置，縱坐標(biāo)為粉末顆粒數(shù)量。圖6為兩個(gè)出粉口累加的落粉分布情況。

圖4 兩個(gè)出粉口落粉模擬結(jié)果

圖5（左）兩個(gè)出粉口落粉分布情況 ；圖6（右） 出粉口累加落粉分布情況

優(yōu)化方案撒粉結(jié)果

采用離散元模擬可以直觀的對(duì)原方案中粉末在撒粉器內(nèi)部的流動(dòng)過程及最終撒粉結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析，為了使出粉口落粉分布更加均勻，在原方案的基礎(chǔ)上對(duì)撒粉器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，并采用相同的離散元模擬方法針對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行撒粉分析。圖7為設(shè)計(jì)改進(jìn)后的優(yōu)化方案兩個(gè)出粉口落粉的模擬結(jié)果。圖8為兩個(gè)出粉口沿長(zhǎng)度方向的落粉分布情況，橫坐標(biāo)為沿出粉口長(zhǎng)度方向所對(duì)應(yīng)的等長(zhǎng)度的10個(gè)收粉位置，縱坐標(biāo)為粉末顆粒數(shù)量。圖9為兩個(gè)出粉口累加的落粉分布情況。

圖7 兩個(gè)出粉口落粉模擬結(jié)果

圖8（左）兩個(gè)出粉口落粉分布情況 ；圖9（右）出粉口累加落粉分布情況

優(yōu)化結(jié)果對(duì)比分析

為了分析優(yōu)化方案撒粉結(jié)果的優(yōu)劣程度，本文就優(yōu)化方案的撒粉結(jié)果與原方案撒粉結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。圖10 對(duì)比了兩種撒粉器設(shè)計(jì)方案下各出粉口粉末的分布情況，縱坐標(biāo)為粉末顆粒數(shù)量。圖11對(duì)比了兩種撒粉器設(shè)計(jì)方案下不同出粉口粉末分布情況的標(biāo)準(zhǔn)偏差，縱坐標(biāo)為相對(duì)應(yīng)的出粉口10個(gè)收粉位置粉末顆粒數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)偏差。圖12對(duì)比了兩種撒粉器設(shè)計(jì)方案下不同出粉口撒粉數(shù)量情況，縱坐標(biāo)為粉末顆粒數(shù)量。

圖10不同撒粉器方案各出粉口落粉分布

圖11（左）不同撒粉器方案落粉分布標(biāo)準(zhǔn)偏差；圖12（右）不同撒粉器方案的落粉數(shù)量對(duì)比

對(duì)比優(yōu)化方案與原方案的撒粉結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

采用優(yōu)化方案撒粉器進(jìn)行撒粉，落下的粉末分布標(biāo)準(zhǔn)偏差數(shù)值較小。優(yōu)化的撒粉器結(jié)構(gòu)相較于原方案撒粉器結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)相對(duì)較均勻的撒粉分布；

采用優(yōu)化方案撒粉器進(jìn)行撒粉，出粉口1和出粉口2的撒粉數(shù)量差異較小，分析結(jié)果顯示在兩個(gè)出粉口的粉末數(shù)量相差2%（相比于出粉口2的數(shù)量）；而采用原方案撒粉器進(jìn)行撒粉時(shí)，相同工況下出粉口1和出粉口2的撒粉數(shù)量差異較大，兩個(gè)出粉口的粉末數(shù)量相差51%（相比于出粉口2的數(shù)量）；

 結(jié)論

總的來(lái)說(shuō)，通過與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，仿真計(jì)算在SLM 3D打印機(jī)撒粉器的設(shè)計(jì)改進(jìn)過程中有指導(dǎo)作用，它能夠使得設(shè)計(jì)人員更直觀的分析撒粉過程，并根據(jù)撒粉過程及相應(yīng)的結(jié)果優(yōu)化撒粉器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，為撒粉器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及撒粉工藝優(yōu)化提供方向，縮短相應(yīng)的研發(fā)流程。

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)