CFD技术应用|3D激光打印机的流动设计优化

增材制造(additive manufacturing，AM)技术(也称为3D打印技术)是20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术。经过40年的不断发展，增材制造技术在越来越多的领域展现出应用价值和广阔前景。比如米其林的3D打印轮胎Concept Vision MICHELIN的原型在蒙特利尔 Movin'on展出，引起了专家和国际媒体的好奇。在服装领域，阿迪达斯使用3D打印技术打印出网格结果的鞋底，并且实现量产。在医学领域，可以通过3D打印制造关节，假体，牙套等，这些个性化需求的领域中3D打印更是体现出来巨大的优势。

粉末床激光熔融金属3D打印技术是主流技术之一。当激光进行金属粉末熔化时，会伴有烟尘和飞溅，烟尘可能随流动移动到激光所在位置，影响打印效果，烟尘和飞溅的颗粒可能会落在打印区域，降低金属3D打印的精度和质量。

对成型仓的气流流动和风速分布进行优化，可以通过气流带走部分烟尘和飞溅，减小这些杂质给打印过程带来的影响，有效提升打印的效果和金属件的质量。越来越多的3D打印机厂商将CFD仿真应用于流动优化，并且有很多试验测试结果已经验证了CFD的仿真结果。

本文通过对成型仓流场仿真发现流动中存在的不合理现象，然后使用CAD工具进行设计变更，在对变更后的流场使用CFD工具进行仿真，验证优化方案。将以往需要用试验测试手段来进行优化的工作通过CFD仿真来完成。初始成型仓和部分进出风管路如图所示，右侧为进风管路，左侧为出风管路，中间为成型仓，底部基板区域为主要加工区。CAD几何模型的创建和设计变更都在SpaceClaim软件中完成。网格和计算处理在Ansys Fluent中完成。

基板区域的速度均匀性是设计的重点，均匀地吹风能有效得带走加工过程中产生的烟尘和飞溅。但从计算结果来看，虽然下进风口有多个导流板，进入成型仓前已有两层分流的进风件，但速度分布仍然很不均匀。

优化措施包括延长进风件中导流板的长度，调整角度来改善均匀性；下吹风调换两层分流件的前后顺序，并调整隔板间距；上吹风调整分流结构的孔隙大小，保证出风量。

从仿真结果看出，基板上方速度均匀性有了明显改善，可以有效带走加工过程中产生粉尘和飞溅；上吹风进入成型仓的流量也有增大，能起到保护激光源的作用。

CFD仿真在激光打印机流动设计优化中可以和试验手段相结合，避免大量的试验工作，加速研发设计的进程。仿真结果的精度很高，以往的案例中很多试验结果验证吻合。对于CAD几何模型的设计优化方案可以很方便地在SpaceClaim中进行调整。对于CFD仿真模型来说，当前解决方案的流程非常清晰，并且可以对仿真步骤进行固化，如果有多工况的批量仿真需求，可以将网格生成和求解设计过程进行封装，储备最佳实践，设计自动化的流程，提高仿真效率。我们还可以进一步引进优化工具，例如ModeFrontier，使用专业的优化算法来确定最优方案，为设计研发设计工作提供更多的选择。