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流体仿真在SLM 3D打印机箱内部流场及散热性能领域的应用

宣布时间：

2023-01-11 12:43

　　选区激光熔化(Selective Laser Melting，以下简称 SLM)作为金属增材制造的一种主要手段，能够制备出庞大结构的零件，提高质料的利用率，减少后续加工流程，节省制备时间。该技术所接纳的激光光斑直径较小，成形精度较高，可以实现相应零件的近净成形，因此选择性激光熔化技术近些年来越来越受到关注且已经获得的广泛应用。

　　选区激光熔化历程中铺粉环节对成型历程和最终的成型件质量有着重要的影响，铺粉装置的设计与优化，铺粉历程的参数优化都需要进行大宗的研究。接纳古板实验的要领对这些历程进行研究需要花费大宗的时间、人力和物力，且很难从微观的标准对这一历程进行详细的描述。而针对该历程建立相应的模型，接纳有限单位法或离散单位法对铺粉历程进行相应的仿真，并结合一定的实验进行验证可以从微观标准更好的理解这一历程，对铺粉装置和铺粉工艺进行更好的优化。

　　在本期谷.专栏文章中，安世亚太基于Ansys软件对选区激光熔化3D打印机机箱散热优化设计进行了相应的剖析，为机箱散热优化设计提供一定的参考依据。

图1 水冷空调在机箱中的位置及水冷空调界限条件示意图　　来源：安世亚太

　　在进行机箱散热优化设计时考虑的因素：

　　1.考虑市场上相同类型和尺寸的金属打印机的散热设计

　　2.考虑工控机、mcp、激光器中含有对温度较为敏感的电子器件(电子器件的寿命与事情情况温度成反比)，事情情况温度(包括固体温度)不凌驾40℃

　　3.尽量提高冷空气的利用率，使机箱内尽量大部分被气流笼罩

　　4.考虑革新的难易水平及潜在危害

　　仿真内容

　　SLM 3D打印设备机箱整体尺寸较大，内部结构庞大，且几何尺寸跨度很大，简化难度较高。因此在包管准确性的基础上，为减少网格数量，主要保存尺寸较大、对流动有明显影响的结构，如机箱架子、隔板、种种发热件、管道、尺寸较大的非发热件等影响流动的固体配件，去掉倒角及螺孔。

　　其中凭据某种机型的发热件的发热功率和外貌温度，保存的发热件有：mcp、机控项、激光器、电机、循环风机、氧气传感器(两个)、电磁阀(2个)、电源(3+2个)。

图2 简化前几何模型及剖面图　　来源：安世亚太

图3 简化后几何模型　　来源：安世亚太

图4 整体网格划分及局部加密情况　　来源：安世亚太

　　图4为机箱网格示意及局部加密情况图。本次盘算使用四面体加棱柱层划分网格，在细小结构四周接纳1mm的小尺寸捕获曲率变革和接近率, 在入口四周使用棱柱层网格以包管流场盘算精度。

　　仿真结果

图5 X偏向中截面速度矢量示意图　　来源：安世亚太

　　由于机箱内结构很是庞大，气流受到的阻碍较多，可是总来说气流在机箱内照旧形成了一个笼罩了机箱大部分区域的气流循环。由于入口处增加了一个向壁面收拢的挡风板结构，导致刚进入机箱的气流竖直向下流动，触底后流向改变(这会导致大宗的动量损失)，大宗的气流从机箱底部挡板下流过，进入左侧室。这一部分气流没能起到良好的对流换热作用，所以应该考虑调解进气的偏向，或者在机箱的入口下方位置的结构进行一些适当的调解，不要让气流直接贴地面流通。

图6 X偏向中截面流线图　　来源：安世亚太

图7 X偏向中截面温度云图　　来源：安世亚太

　　从图可以看出经过打印室下方的气流较少，且从温度场可以看出，打印室周围的温度较高，且由于打印室四周另有一个发热量较大的电机，导致此处的温度聚集较为严重�？梢钥悸窃诖蛴∈蚁路轿恢迷黾拥缟�，增强气流流动性。

图8 优化计划革新意见示意　　来源：安世亚太

　　针对现有模型和模拟条件，获得的模拟结果，剖析后可以得出以下偏向性革新意见：

　　1. 打印室下方区域可以在侧壁上增加一个电扇来提高打印室下放区域的气流流通性；

　　2. 左右侧室的隔板上增加几个可以进行气流交换的孔，增强两侧的对流；

　　3. 机箱入口下方角落的零件需要重新安排，以避免气流直接向机箱底部突入，而不经过机箱内部区域。

图9 原计划结果　　来源：安世亚太

图10 优化计划结果　　来源：安世亚太

　　通过各发热件体积平均温度数据比照可以看出，装置挡风板的机箱，在隔板上打两层孔、新增一电扇后，激光器、MCP、工控机、事情腔室的温度均有明显下降。

图11 原计划-水冷电扇出口速度比例与主要关注发热件温度关系曲线　　来源：安世亚太

图12 优化计划-水冷电扇出口速度比例与主要关注发热件温度关系曲线　　来源：安世亚太

　　水冷电扇制冷功率和风量的曲线统计

　　1. 原计划水冷电扇的制冷功率稳定，电扇出口速度由100%(8.9m/s)下降到0%(即停止事情)的10个工况；

　　2. 优化计划水冷电扇的制冷功率稳定，打印腔室四周的电扇转速稳定，水冷电扇的出口速度由100%(8.9m/s)下降到0%(即停止事情)的10个工况。

　　由于SLM机箱内部零部件很是多，支撑架子也许多，机箱内有许多小的流域没有足够的气流通过，并且大宗的动量被阻力消耗，造成机箱内的气流速度较低。

　　从目前的模拟结果看来：

　　1.不做任何优化时，当水冷空调以最大制冷功率、最大风量事情时，可以满足冷却机箱的要求；

　　2.通过在隔板上增加几个可以进行气流交换的孔，可以有效增进左右侧室内的气流交换，将机箱内的流体温度有一定水平降低。而原有的水冷电扇入口下方的挡风板可以将气流的速度迅速提升一倍(提升的比例与挡风板的出口面积有关)，提升入口的气流速度也可以提高水冷电扇的制冷效率，降低机箱内元器件的温度；

　　3.在事情腔体左侧增加一个电扇可以有效降低事情腔室的温度；

　　4.优化计划中，只要包管水冷电扇的电扇出口速度不小于某一速度值时就可以包管MCP、工控机、激光器的温度在目标温度以下;在原计划中，需要包管水冷电扇的电扇出口速度不小于某一速度值时才可以包管MCP、工控机、激光器的温度在要求温度。

　　综上所述，流体仿真的应用可以制止在机箱流场的设计中泛起不须要的资源浪费问题，起到到简化设计思路、缩短设计周期、提高设计效率的作用。

　　作者：李菁，安世亚太流体咨询专家，航天工程专业，硕士学位，4年数值仿真经验，涉及高明声速、多相流、颗粒物、燃烧、传热剖析等多个领域，目前主要加入多个增材设备流体仿真剖析项目，积累了大宗3D打印设备流体优化经验。

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