仿真計算在SLM 3D打印機撒粉器優(yōu)化中的應(yīng)用
魔猴君 行業(yè)資訊 2025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(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打印結(jié)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(shè)計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(jié)合模擬結(jié)果對撒粉器進行優(yōu)化,對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)計型號撒粉器的外部大致結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu),并加上了給粉器的相關(guān)結(jié)構(gòu),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(shè)定有關(guān),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(jié)果分析及優(yōu)化分析
原方案撒粉結(jié)果
圖4為原方案下兩個出粉口落粉的模擬結(jié)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(yīng)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(jié)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(jié)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(jié)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(chǔ)上對撒粉器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)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(shè)計改進后的優(yōu)化方案兩個出粉口落粉的模擬結(jié)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(yīng)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(jié)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(jié)果對比分析
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)果進行了對比分析。圖10 對比了兩種撒粉器設(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)相較于原方案撒粉器結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)論
總的來說,通過與物理實驗相結(jié)合,仿真計算在SLM 3D打印機撒粉器的設(shè)計改進過程中有指導(dǎo)作用,它能夠使得設(shè)計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)計及撒粉工藝優(yōu)化提供方向,縮短相應(yīng)的研發(fā)流程。