孫宏睿

（上海探真激光技術(shù)有限公司 上海200093）

激光選區(qū)熔化成形技術(shù)（Selective laser melting，以下簡(jiǎn)稱 SLM），是金屬增材制造中的一種主要技術(shù)路徑。該技術(shù)利用高功率密度的激光束，按照三維CAD 切片模型中規(guī)劃好的路徑，直接在金屬粉末床層進(jìn)行逐層掃描，被激光掃描的金屬粉末經(jīng)過(guò)從熔化到凝固成形的過(guò)程，最終可獲得具備一定尺寸精度和表面粗糙度的金屬零件[1]。圖1為激光選區(qū)熔化裝備示意圖。

圖1 激光選區(qū)熔化裝備示意圖

由于 SLM 技術(shù)原理是采用高功率密度激光束快速地、有選擇地對(duì)金屬粉末床進(jìn)行掃描,使金屬粉末吸收能量后溫度迅速升高,實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬粉末材料的熔融[1]。由于激光功率密度高，能量集中，所以在掃描時(shí)其焦點(diǎn)位置會(huì)形成一個(gè)微小熔池，在微小熔池形成的瞬間會(huì)伴有大量飛濺、黑煙及納米級(jí)金屬氣等有害物質(zhì)產(chǎn)生。該類有害物質(zhì)極大降低了成形件的致密度，而致密度的變化將直接導(dǎo)致材料力學(xué)性能的變化[2]。

本文基于Solidworks Flow Simulation對(duì)金屬激光選區(qū)熔化成形設(shè)備吹風(fēng)系統(tǒng)的流道及風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)吹、吸風(fēng)流道進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)最后試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的流道及風(fēng)場(chǎng)有效地減少了飛濺顆粒、氧化黑煙及納米級(jí)金屬氣等有害物質(zhì)對(duì)成形件力學(xué)性能及致密度的影響。

1 SLM設(shè)備氣氛循環(huán)系統(tǒng)基本原理及結(jié)構(gòu)

SLM 設(shè)備氣氛循環(huán)系統(tǒng)主要功能是在成形室內(nèi)的金屬粉床表面形成穩(wěn)定均勻的氣流層，將打印時(shí)產(chǎn)生的飛濺顆粒，氧化黑煙及納米級(jí)金屬氣等有害物質(zhì)在其產(chǎn)生的瞬間由吹風(fēng)口帶到吸風(fēng)口位置，并由循環(huán)風(fēng)機(jī)吸走，經(jīng)過(guò)過(guò)濾后，重新回到成形室內(nèi)，如圖2所示。

圖2 成形室氣氛循環(huán)示意圖

2 SLM成形室風(fēng)場(chǎng)及流道仿真

根據(jù)氣氛循環(huán)系統(tǒng)原理可知，將打印過(guò)程中形成的有害物質(zhì)通過(guò)氣流送到吸風(fēng)口位置并吸走是其主要功能，而吹吸風(fēng)形成的風(fēng)場(chǎng)均勻性則決定了有害物質(zhì)的去除效率及打印成形件的質(zhì)量。吸風(fēng)口、吹風(fēng)口和流道為氣氛循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分，在此首先采用 Solidworks Flow Simulation 分析軟件對(duì)氣氛循環(huán)系統(tǒng)的吹風(fēng)口、吸風(fēng)口及流道進(jìn)行仿真分析。

2.1 建立風(fēng)場(chǎng)計(jì)算模型

提取設(shè)備成形室體積三維參數(shù)，建立虛擬成形室模型，并利用該模型建立流體分析空氣墻，以模擬風(fēng)場(chǎng)在成形室內(nèi)部流動(dòng)的狀態(tài)。將吹風(fēng)口及吸風(fēng)口與虛擬成形室配合以進(jìn)行擬態(tài)，并建立仿真邊界條件，如圖3～圖5所示。

圖3 吸風(fēng)口示意圖

圖4 吹風(fēng)口柵格示意圖

圖5 虛擬成形室模型

將吹風(fēng)口及吸風(fēng)口網(wǎng)格模型導(dǎo)入 Folw Simulation，計(jì)算流體網(wǎng)格模型如圖6所示。同時(shí)設(shè)立流體計(jì)算仿真邊界條件，如表1所示。

表1 仿真邊界條件

圖6 虛擬成形室網(wǎng)格

2.2 成形室風(fēng)場(chǎng)仿真及結(jié)果分析

為了給吹風(fēng)口柵格布局提供設(shè)計(jì)依據(jù)，首先要分析成形室內(nèi)風(fēng)場(chǎng)分布情況。在 Solidworks Flow Simulation中建立虛擬成形室模型及氣氛循環(huán)系統(tǒng)擬態(tài)模型。設(shè)定吹風(fēng)口入口容積流量0.02m3/s進(jìn)行仿真計(jì)算，得到成形室的風(fēng)場(chǎng)速度分布圖和吹風(fēng)口風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速云圖，如圖7、圖8所示。

從圖7 成形室風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速分布圖可知，吹風(fēng)口的氣流在掃過(guò)打印的粉床表面后并沒(méi)有完全通過(guò)吸風(fēng)口回到氣氛循環(huán)的管道里，有一部分的風(fēng)在吹到成形室模擬虛擬墻后反彈，在整個(gè)成形室內(nèi)形成渦狀擾動(dòng)。渦狀擾動(dòng)極易將打印成形的飛濺、煙塵及納米級(jí)氣化金屬氣帶到其他地方，待該股風(fēng)速衰減至不足以承載該類有害物質(zhì)時(shí)，大顆粒物質(zhì)會(huì)由于重力因素下墜，落到成形室底面或者粉末床表面。落在粉床表面的物質(zhì)將會(huì)直接影響打印件的成形效果及力學(xué)性能。小顆粒的物質(zhì)則由于粒徑太小，不斷進(jìn)行布朗運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其靠近物體表面時(shí)則會(huì)被吸附。如果小顆粒物體靠近掃描振鏡表面保護(hù)鏡被吸附，當(dāng)被吸附的小顆粒累積到一定量時(shí)，則會(huì)影響激光出光成形工件，嚴(yán)重時(shí)損毀保護(hù)鏡片，光路鏡片等光學(xué)系統(tǒng)。

圖7 成形室風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速分部圖

圖8 吹風(fēng)口風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速云圖

從圖8可知，在出風(fēng)口部分出風(fēng)速度極為不均勻，高風(fēng)速點(diǎn)在吹風(fēng)口中間及兩端風(fēng)速約為 4m/s，而低風(fēng)速點(diǎn)風(fēng)速約為2.5 m/s。根據(jù)云圖成形效果可發(fā)現(xiàn)出風(fēng)口風(fēng)速極不均勻，其不均勻性將導(dǎo)致整個(gè)打印幅面上吹風(fēng)效果不同，無(wú)法保證打印幅面上工件成形性能的一致性。當(dāng)需要調(diào)節(jié)風(fēng)速風(fēng)量時(shí)，亦無(wú)法保證調(diào)節(jié)功能的有序可靠。

3 基于仿真結(jié)果的優(yōu)化改進(jìn)

通過(guò)上述仿真結(jié)果可以看出，為了能夠有效去除打印產(chǎn)生的有害顆粒，必須使得吹吸風(fēng)口間的風(fēng)場(chǎng)更加均勻，并且吹風(fēng)口部分吹出的風(fēng)需要能夠完全被吸風(fēng)口所吸收?；谏鲜隼砟顚?duì)吹吸風(fēng)口進(jìn)行了優(yōu)化及改進(jìn)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后吹風(fēng)口及吸風(fēng)口的格柵如圖9、圖10所示。

從圖9中可見(jiàn)，吹風(fēng)口導(dǎo)氣柵格擬直接從圓周截面處導(dǎo)向，盡量保證進(jìn)氣分割口處的弦長(zhǎng)一致，以此保證每個(gè)柵格的風(fēng)速一致。從圖10中可見(jiàn)，吸風(fēng)口增加橫向?qū)鈻鸥?，通過(guò)改變局部吸氣口的截面大小，增加了吸風(fēng)口吸力，使其更容易捕獲由吹風(fēng)口吹來(lái)的有害的打印顆粒。

圖9 吹風(fēng)口改進(jìn)后格柵示意圖

圖10 吸風(fēng)口改進(jìn)后格柵示意圖

基于上述設(shè)計(jì)方案，在邊界條件不改變的情況進(jìn)行有限元分析，經(jīng)過(guò)若干次迭代微調(diào)，有限元分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 迭代方案1、2、3吹風(fēng)口風(fēng)速云圖比較

根據(jù)圖11及圖12可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)吹風(fēng)口及吸風(fēng)口柵格的改進(jìn)，成形室內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)均勻性有了極大的改進(jìn)，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速分布更加均勻。

圖12 迭代方案3虛擬成形室風(fēng)場(chǎng)流速圖

4 風(fēng)場(chǎng)優(yōu)化后的驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 吹吸風(fēng)口流速測(cè)定試驗(yàn)

為驗(yàn)證吹風(fēng)口及吸風(fēng)口流道經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算后的正確性及真實(shí)性，分別對(duì)首套方案及迭代方案3進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。圖13為風(fēng)速測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖，記錄數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

圖13 風(fēng)速測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

表2 方案1風(fēng)速測(cè)定表 （單位m/s）

表3 迭代方案3風(fēng)速測(cè)定表 （單位m/s）

通過(guò)表2、表3的數(shù)據(jù)可看出，經(jīng)過(guò)實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量，迭代方案3的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)要明顯優(yōu)于方案1的吹風(fēng)數(shù)據(jù)，相對(duì)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)偏差值從方案 1的30.35%優(yōu)化成了迭代方案3的11.76%。為了進(jìn)一步證明經(jīng)過(guò)Flow Simulation的風(fēng)場(chǎng)優(yōu)化是行之有效的，我們進(jìn)行最為直接的3D成形試驗(yàn)，通過(guò)用不同的吹吸風(fēng)方案來(lái)進(jìn)行3D打印的試樣棒進(jìn)行驗(yàn)證。

4.2 吹風(fēng)口打印樣件對(duì)比試驗(yàn)

為確保需要打印的金屬粉末鋪在基板上時(shí)不會(huì)被氣氛循環(huán)系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)吹飛，需要將風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由風(fēng)速測(cè)量時(shí)候的1500 r/min調(diào)整到900 r/min。此時(shí)兩種方案的風(fēng)場(chǎng)速度分別為如表4與表5所示。

從表4及表5風(fēng)速數(shù)據(jù)可知，降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)整個(gè)風(fēng)場(chǎng)系統(tǒng)的均勻性并未造成太大影響，且在該風(fēng)速下，基板表面的金屬粉末不會(huì)因風(fēng)力影響而造成揚(yáng)塵。

表4 方案1風(fēng)速測(cè)定表 （單位m/s）

表5 迭代方案3風(fēng)速測(cè)定表 （單位m/s）

在該風(fēng)速下，進(jìn)行AlSi10Mg材料的試樣打印，試樣規(guī)格為15 mm×15 mm×10 mm，打印幅面范圍230 mm×230 mm，試樣布局如圖14所示。

圖14 試樣打印布局

設(shè)定打印參數(shù)：激光功率300 W；打印層厚40 μm；掃描速度 1500 mm/s，打印材料 AlSi10Mg。在使用方案1及迭代方案3的不同吹吸風(fēng)口的風(fēng)場(chǎng)下進(jìn)行打印的零件的致密度比較。試樣取其縱截面方向，每個(gè)截面取8張金相照片進(jìn)行致密度統(tǒng)計(jì)。試樣統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖15 采用風(fēng)場(chǎng)方案1的試樣致密度情況

圖16 采用迭代方案3的試樣致密度情況

圖15、圖16中所用金相照片節(jié)選了典型位置的照片，其為打印試樣經(jīng)過(guò)切片、拋光、酸洗后進(jìn)行50倍放大后的照片。圖中所示金相照片實(shí)際尺寸范圍為2 mm×2 mm，通過(guò)專用的儀器設(shè)備對(duì)8張金相照片金相視覺(jué)對(duì)比檢測(cè)得出致密度結(jié)果。

圖15中可發(fā)現(xiàn)，在使用吹風(fēng)方案1時(shí)，試樣致密度越遠(yuǎn)離吹風(fēng)口，其致密度就越低，甚至在左下角產(chǎn)生了 98.424%的較低的致密度，最大最小致密度相差近1.5%。而在圖16中可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)迭代優(yōu)化過(guò)后的吹風(fēng)方案，全幅面致密度都大于99.9%，最大最小致密度相差僅為 0.05%。通過(guò)對(duì)比打印試件可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的均勻的風(fēng)場(chǎng)對(duì)增加打印的致密度、同一幅面打印的穩(wěn)定性極為有效。

5 結(jié)語(yǔ)

目前針對(duì)3D打印件質(zhì)量的提升主要采取優(yōu)化光學(xué)參數(shù)，如激光功率、光斑直徑、掃描速度、正負(fù)離焦等，而優(yōu)化氣氛循環(huán)系統(tǒng)的風(fēng)場(chǎng)為打印件質(zhì)量的提升提供了新的思路和途徑。本文通過(guò)基于Solidworks Flow Simulation軟件，提供了對(duì)氣氛循環(huán)系統(tǒng)吹吸風(fēng)口的柵格設(shè)計(jì)以及優(yōu)化方案。同時(shí)對(duì)優(yōu)化前后的吹吸風(fēng)口分別進(jìn)行打印件成形試驗(yàn)，并對(duì)比了打印試樣致密度，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的有效性和可行性，為今后進(jìn)一步優(yōu)化打印質(zhì)量、提升打印件穩(wěn)定性提供理論和實(shí)踐依據(jù)。