仿真計算在SLM 3D打印機撒粉器優(yōu)化中的應用
魔猴君 行業(yè)資訊 2160天前
選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting；SLM）可以實現(xiàn)傳統(tǒng)制造難以實現(xiàn)的產(chǎn)品，拿一個典型的發(fā)射器噴嘴來說，原來需要35個零件組合而成，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打印結果的一大影響因素。
SLM金屬打印機中的撒粉器撒粉過程中粉末的運動需要經(jīng)過4個部件，給粉器、分粉器、鋪粉器和打印平臺，撒粉器設計過程中需要考慮分粉和鋪粉結構是否合理，合理的撒粉器撒粉過程的主要評價指標為：
在出粉口撒出粉末的數(shù)量接近；
出粉口長度方向上的粉末數(shù)量分布均勻；
本文采用Rocky離散元分析軟件對撒粉器撒粉過程進行模擬，并結合模擬結果對撒粉器進行優(yōu)化，對比分析不同方案下的撒粉結果，為撒粉器的優(yōu)化提供指導。
結構模型及粉末參數(shù)確定
圖1左圖為某設計型號撒粉器的外部大致結構，模擬過程中對撒粉器模型進行了簡化，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構，并加上了給粉器的相關結構，模型的簡化在Ansys SpaceClaim中進行，簡化后的模型如圖1右圖所示。
圖1 撒粉器簡化模型
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)、顆粒間滾動摩擦系數(shù)、滾動阻力系數(shù)、底部平板與粉末摩擦系數(shù)和黏附系數(shù)等參數(shù)的設定有關，為了跟實驗測得的粉末安息角接近（實驗測得某種金屬粉末安息角：40°~45°），通過改變這些參數(shù)進行安息角模擬測試（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
仿真結果分析及優(yōu)化分析
原方案撒粉結果
圖4為原方案下兩個出粉口落粉的模擬結果。圖5為兩個出粉口沿長度方向的落粉分布情況，橫坐標為沿出粉口長度方向所對應的等長度的10個收粉位置，縱坐標為粉末顆粒數(shù)量。圖6為兩個出粉口累加的落粉分布情況。
圖4 兩個出粉口落粉模擬結果
圖5（左）兩個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)化方案撒粉結果
采用離散元模擬可以直觀的對原方案中粉末在撒粉器內(nèi)部的流動過程及最終撒粉結果進行詳細分析，為了使出粉口落粉分布更加均勻，在原方案的基礎上對撒粉器內(nèi)部的結構進行了相應的改進，并采用相同的離散元模擬方法針對優(yōu)化方案進行撒粉分析。圖7為設計改進后的優(yōu)化方案兩個出粉口落粉的模擬結果。圖8為兩個出粉口沿長度方向的落粉分布情況，橫坐標為沿出粉口長度方向所對應的等長度的10個收粉位置，縱坐標為粉末顆粒數(shù)量。圖9為兩個出粉口累加的落粉分布情況。
圖7 兩個出粉口落粉模擬結果
圖8（左）兩個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)化結果對比分析
為了分析優(yōu)化方案撒粉結果的優(yōu)劣程度，本文就優(yōu)化方案的撒粉結果與原方案撒粉結果進行了對比分析。圖10 對比了兩種撒粉器設計方案下各出粉口粉末的分布情況，縱坐標為粉末顆粒數(shù)量。圖11對比了兩種撒粉器設計方案下不同出粉口粉末分布情況的標準偏差，縱坐標為相對應的出粉口10個收粉位置粉末顆粒數(shù)量標準偏差。圖12對比了兩種撒粉器設計方案下不同出粉口撒粉數(shù)量情況，縱坐標為粉末顆粒數(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準偏差；圖12（右）不同撒粉器方案的落粉數(shù)量對比
對比優(yōu)化方案與原方案的撒粉結果，可以發(fā)現(xiàn)：
采用優(yōu)化方案撒粉器進行撒粉，落下的粉末分布標準偏差數(shù)值較小。優(yōu)化的撒粉器結構相較于原方案撒粉器結構可實現(xiàn)相對較均勻的撒粉分布；
采用優(yōu)化方案撒粉器進行撒粉，出粉口1和出粉口2的撒粉數(shù)量差異較小，分析結果顯示在兩個出粉口的粉末數(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行撒粉時，相同工況下出粉口1和出粉口2的撒粉數(shù)量差異較大，兩個出粉口的粉末數(shù)量相差51%（相比于出粉口2的數(shù)量）；
結論
總的來說，通過與物理實驗相結合，仿真計算在SLM 3D打印機撒粉器的設計改進過程中有指導作用，它能夠使得設計人員更直觀的分析撒粉過程，并根據(jù)撒粉過程及相應的結果優(yōu)化撒粉器內(nèi)部的結構，為撒粉器的結構設計及撒粉工藝優(yōu)化提供方向，縮短相應的研發(fā)流程。
