流體仿真在SLM 3D打印機箱內部流場及散熱性能領域的應用
選區激光熔化（Selective Laser Melting，以下簡稱 SLM）作為金屬增材制造的一種主要手段，能夠制備出復雜結構的零件，提高材料的利用率，減少后續加工流程，節省制備時間。該技術所采用的激光光斑直徑較小，成形精度較高，可以實現相應零件的近凈成形，因此選擇性激光熔化技術近些年來越來越受到關注且已經得到的廣泛應用。
選區激光熔化過程中鋪粉環節對成型過程和最終的成型件質量有著重要的影響，鋪粉裝置的設計與優化，鋪粉過程的參數優化都需要進行大量的研究。采用傳統實驗的方法對這些過程進行研究需要花費大量的時間、人力和物力，且很難從微觀的尺度對這一過程進行詳細的描述。而針對該過程建立相應的模型，采用有限單元法或離散單元法對鋪粉過程進行相應的仿真，并結合一定的實驗進行驗證可以從微觀尺度更好的理解這一過程，對鋪粉裝置和鋪粉工藝進行更好的優化。
在本期谷.專欄文章中，安世亞太基于Ansys軟件對選區激光熔化3D打印機機箱散熱優化設計進行了相應的分析，為機箱散熱優化設計提供一定的參考依據。
圖1 水冷空調在機箱中的位置及水冷空調邊界條件示意圖 來源：安世亞太
在進行機箱散熱優化設計時考慮的因素：
1.考慮市場上相同類型和尺寸的金屬打印機的散熱設計
2.考慮工控機、mcp、激光器中含有對溫度較為敏感的電子器件（電子器件的壽命與工作環境溫度成反比），工作環境溫度（包括固體溫度）不超過40℃
3.盡量提高冷空氣的利用率，使機箱內盡量大部分被氣流覆蓋
4.考慮改造的難易程度及潛在風險
仿真內容
SLM 3D打印設備機箱整體尺寸較大，內部結構復雜，且幾何尺寸跨度很大，簡化難度較高。因此在保證準確性的基礎上，為減少網格數量，主要保留尺寸較大、對流動有明顯影響的結構，如機箱架子、隔板、各種發熱件、管道、尺寸較大的非發熱件等影響流動的固體配件，去掉倒角及螺孔。
其中根據某種機型的發熱件的發熱功率和表面溫度，保留的發熱件有：mcp、機控項、激光器、電機、循環風機、氧氣傳感器（兩個）、電磁閥（2個）、電源（3+2個）。
圖2 簡化前幾何模型及剖面圖 來源：安世亞太
圖3 簡化后幾何模型 來源：安世亞太
圖4 整體網格劃分及局部加密情況 來源：安世亞太
圖4為機箱網格示意及局部加密情況圖。本次計算使用四面體加棱柱層劃分網格，在細小結構附近采用1mm的小尺寸捕捉曲率變化和接近率, 在入口附近使用棱柱層網格以保證流場計算精度。
仿真結果
圖5 X方向中截面速度矢量示意圖 來源：安世亞太
由于機箱內結構非常復雜，氣流受到的阻礙較多，但是總來說氣流在機箱內還是形成了一個覆蓋了機箱大部分區域的氣流循環。由于入口處增加了一個向壁面收攏的擋風板結構，導致剛進入機箱的氣流豎直向下流動，觸底后流向改變（這會導致大量的動量損失），大量的氣流從機箱底部擋板下流過，進入左側室。這一部分氣流沒能起到良好的對流換熱作用，所以應該考慮調整進氣的方向，或者在機箱的入口下方位置的結構進行一些適當的調整，不要讓氣流直接貼地面流通。
圖6 X方向中截面流線圖 來源：安世亞太
圖7 X方向中截面溫度云圖 來源：安世亞太
從圖可以看出經過打印室下方的氣流較少，且從溫度場可以看出，打印室周圍的溫度較高，且由于打印室附近還有一個發熱量較大的電機，導致此處的溫度聚集較為嚴重。可以考慮在打印室下方位置增加風扇，增強氣流流動性。
8 優化方案改進意見示意 來源：安世亞太
針對現有模型和模擬條件，得到的模擬結果，分析后可以得出以下方向性改進意見：
1. 打印室下方區域可以在側壁上增加一個風扇來提高打印室下放區域的氣流流通性；
2. 左右側室的隔板上增加幾個可以進行氣流交換的孔，增強兩側的對流；
3. 機箱入口下方角落的零件需要重新布置，以防止氣流直接向機箱底部沖入，而不經過機箱內部區域。
圖9 原方案結果 來源：安世亞太
圖10 優化方案結果 來源：安世亞太
通過各發熱件體積平均溫度數據對比可以看出，安裝擋風板的機箱，在隔板上打兩層孔、新增一風扇后，激光器、MCP、工控機、工作腔室的溫度均有明顯下降。
圖11 原方案-水冷風扇出口速度比例與主要關注發熱件溫度關系曲線
來源：安世亞太
圖12 優化方案-水冷風扇出口速度比例與主要關注發熱件溫度關系曲線 來源：安世亞太
水冷風扇制冷功率和風量的曲線統計
1. 原方案水冷風扇的制冷功率不變，風扇出口速度由100%（8.9m/s）下降到0%（即停止工作）的10個工況；
2. 優化方案水冷風扇的制冷功率不變，打印腔室附近的風扇轉速不變，水冷風扇的出口速度由100%（8.9m/s）下降到0%（即停止工作）的10個工況。
由于SLM機箱內部零部件非常多，支撐架子也很多，機箱內有很多小的流域沒有足夠的氣流通過，并且大量的動量被阻力消耗，造成機箱內的氣流速度較低。
從目前的模擬結果看來：
1.不做任何優化時，當水冷空調以最大制冷功率、最大風量工作時，可以滿足冷卻機箱的要求；
2.通過在隔板上增加幾個可以進行氣流交換的孔，可以有效增進左右側室內的氣流交換，將機箱內的流體溫度有一定程度降低。而原有的水冷風扇入口下方的擋風板可以將氣流的速度迅速提升一倍（提升的比例與擋風板的出口面積有關），提升入口的氣流速度也可以提高水冷風扇的制冷效率，降低機箱內元器件的溫度；
3.在工作腔體左側增加一個風扇可以有效降低工作腔室的溫度；
4.優化方案中，只要保證水冷風扇的風扇出口速度不小于某一速度值時就可以保證MCP、工控機、激光器的溫度在目標溫度以下；在原方案中，需要保證水冷風扇的風扇出口速度不小于某一速度值時才可以保證MCP、工控機、激光器的溫度在要求溫度。
綜上所述，流體仿真的應用可以避免在機箱流場的設計中出現不必要的資源浪費問題，起到到簡化設計思路、縮短設計周期、提高設計效率的作用。
李菁
安世亞太流體咨詢專家，航天工程專業，碩士學位，4年數值仿真經驗，涉及高超聲速、多相流、顆粒物、燃燒、傳熱分析等多個領域，目前主要參與多個增材設備流體仿真分析項目，積累了大量3D打印設備流體優化經驗。
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