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

作者：李菁
来源：安世亚太

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，能够制备出复杂结构的零件，提高材料的利用率，减少后续加工流程，节省制备时间。该技术所采用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得到的广泛应用。

选区激光熔化过程中铺粉环节对成型过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，铺粉过程的参数优化都需要进行大量的研究。采用传统实验的方法对这些过程进行研究需要花费大量的时间、人力和物力，且很难从微观的尺度对这一过程进行详细的描述。而针对该过程建立相应的模型，采用有限单元法或离散单元法对铺粉过程进行相应的仿真，并结合一定的实验进行验证可以从微观尺度更好的理解这一过程，对铺粉装置和铺粉工艺进行更好的优化。

在本期增材专栏，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分析，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边界条件示意图

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（电子器件的寿命与工作环境温度成反比），工作环境温度（包括固体温度）不超过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覆盖
4.考虑改造的难易程度及潜在风险
仿真内容
SLM 3D打印设备机箱整体尺寸较大，内部结构复杂，且几何尺寸跨度很大，简化难度较高。因此在保证准确性的基础上，为减少网格数量，主要保留尺寸较大、对流动有明显影响的结构，如机箱架子、隔板、各种发热件、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。

其中根据某种机型的发热件的发热功率和表面温度，保留的发热件有：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

图3 简化后几何模型

图4 整体网格划分及局部加密情况

图4为机箱网格示意及局部加密情况图。本次计算使用四面体加棱柱层划分网格，在细小结构附近采用1mm的小尺寸捕捉曲率变化和接近率, 在入口附近使用棱柱层网格以保证流场计算精度。
仿真结果

图5 X方向中截面速度矢量示意图

由于机箱内结构非常复杂，气流受到的阻碍较多，但是总来说气流在机箱内还是形成了一个覆盖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（这会导致大量的动量损失），大量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，所以应该考虑调整进气的方向，或者在机箱的入口下方位置的结构进行一些适当的调整，不要让气流直接贴地面流通。

图6 X方向中截面流线图

图7 X方向中截面温度云图

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，且由于打印室附近还有一个发热量较大的电机，导致此处的温度聚集较为严重。可以考虑在打印室下方位置增加风扇，增强气流流动性。

图8 优化方案改进意见示意

针对现有模型和模拟条件，得到的模拟结果，分析后可以得出以下方向性改进意见：
1. 打印室下方区域可以在侧壁上增加一个风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布置，以防止气流直接向机箱底部冲入，而不经过机箱内部区域。

图9  原方案结果

图10  优化方案结果

通过各发热件体积平均温度数据对比可以看出，安装挡风板的机箱，在隔板上打两层孔、新增一风扇后，激光器、MCP、工控机、工作腔室的温度均有明显下降。

图11 原方案-水冷风扇出口速度比例与主要关注发热件温度关系曲线

图12 优化方案-水冷风扇出口速度比例与主要关注发热件温度关系曲线

水冷风扇制冷功率和风量的曲线统计

1. 原方案水冷风扇的制冷功率不变，风扇出口速度由100%（8.9m/s）下降到0%（即停止工作）的10个工况；
2. 优化方案水冷风扇的制冷功率不变，打印腔室附近的风扇转速不变，水冷风扇的出口速度由100%（8.9m/s）下降到0%（即停止工作）的10个工况。

由于SLM机箱内部零部件非常多，支撑架子也很多，机箱内有很多小的流域没有足够的气流通过，并且大量的动量被阻力消耗，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、最大风量工作时，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程度降低。而原有的水冷风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风扇的制冷效率，降低机箱内元器件的温度；

3.在工作腔体左侧增加一个风扇可以有效降低工作腔室的温度；

4.优化方案中，只要保证水冷风扇的风扇出口速度不小于某一速度值时就可以保证MCP、工控机、激光器的温度在目标温度以下；在原方案中，需要保证水冷风扇的风扇出口速度不小于某一速度值时才可以保证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避免在机箱流场的设计中出现不必要的资源浪费问题，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，涉及高超声速、多相流、颗粒物、燃烧、传热分析等多个领域，目前主要参与多个增材设备流体仿真分析项目，积累了大量3D打印设备流体优化经验。