激光熔覆技術(shù)是20世紀(jì)80年代后興起的一種新的表面處理技術(shù)，是指在基體表面上涂覆不同材料，這些材料以粉末的形式經(jīng)送粉裝置輸送到基體材料表面，然后通過(guò)激光照射使粉末材料熔化后逐漸凝固在基體上，形成一種新的復(fù)合材料的工藝方法。

這種工藝可以改善基體材料表面的耐磨，耐熱，耐腐蝕的特性。因此，此技術(shù)有很高的經(jīng)濟(jì)效益，目前在制造和修復(fù)金屬零件方面已得到廣泛應(yīng)用，而且在航空航天，機(jī)械電子，武器制造，以及3D打印等方面具有良好的應(yīng)用前景。

     此外，傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，雙金屬?gòu)?fù)合界面的結(jié)合方式多采用機(jī)械結(jié)合型復(fù)合或冶金結(jié)合型。激光熔覆技術(shù)在雙金屬的加工方面相比于傳統(tǒng)加工工藝具有著突出的優(yōu)勢(shì)。

近十年國(guó)內(nèi)外在DMD同軸送粉機(jī)型研究的若干算例，并對(duì)其發(fā)展背景做了簡(jiǎn)要總結(jié)。本期谷.專欄所分享的文章基于之前的文獻(xiàn)分析，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品對(duì)某型號(hào)DMD同軸送粉3D打印模型進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，并對(duì)其提出改進(jìn)建議（圖1）。

圖1 物理模型-同軸送粉打印噴頭與腔體。

      通過(guò)文獻(xiàn)1可知，直接金屬打印過(guò)程中粉末材料的輸送質(zhì)量直接影響到打印效果和成本。好的輸送可以減少粉末浪費(fèi)，得到的打印金屬件表面具有較好的均勻性。另外，同軸送粉打印噴頭的價(jià)格較高，對(duì)DMD機(jī)型的成本控制至關(guān)重要。因此送粉噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為DMD機(jī)型中的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。載氣式同軸送粉技術(shù)在目前DMD機(jī)型的噴頭模型得到中廣泛應(yīng)用，這種送粉方式基于固氣兩相流原理，依靠氣體的動(dòng)力輸送粉末。但由于受氣體影響較大，難以控制粉末的流向，所以粉末的利用率低。優(yōu)化改進(jìn)送粉噴頭的結(jié)構(gòu)將大大提高DMD機(jī)型的打印效率及質(zhì)量。

     在同軸送粉中，由于粉末流與激光束同軸輸出，所以當(dāng)粉末匯聚性差，匯聚焦距太小時(shí)，在成型過(guò)程中粉末的反彈容易造成噴嘴堵粉而影響零件的成型質(zhì)量；而當(dāng)焦距過(guò)大時(shí)，熔池定位的控制難度加大，精準(zhǔn)度難以保證。除此之外，在直接金屬熔覆過(guò)程中，由于激光的照射產(chǎn)生巨大能量，形成熔池，從而使金屬顆粒熔化，期間經(jīng)過(guò)大梯度的能量及溫度變化使熔融狀態(tài)的金屬在底板或基體上固化成型。傳統(tǒng)的研究方法包括物理實(shí)驗(yàn)的試湊法和實(shí)時(shí)矯正法，但這些實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度高而且價(jià)格貴重，所以隨著近幾十年計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，更多的學(xué)者將眼光放在對(duì)激光熔覆技術(shù)的仿真模擬上面，來(lái)探究一個(gè)更加經(jīng)濟(jì)快捷的研究方法。

針對(duì)DMD 3D打印機(jī)噴頭的機(jī)理探究是個(gè)復(fù)雜的問題，需要長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，相關(guān)問題例如1. 熔池附近的粉末流，2. 打印材料粉末熔化過(guò)程中的熱變化，3. 打印料材在固體基底或底板上的成型，等等。本系列文章僅將仿真計(jì)算重點(diǎn)放在打印腔室內(nèi)部流場(chǎng)，特別是噴頭附近流場(chǎng)的模擬，分析推斷粉末在腔體內(nèi)的分布情況，并提出改進(jìn)建議。

噴嘴模型介紹

     目前仿真計(jì)算針對(duì)某型號(hào)DMD機(jī)型所應(yīng)用的噴嘴結(jié)構(gòu)為三點(diǎn)式噴嘴模型（圖2）。送粉口為三個(gè)均布的細(xì)長(zhǎng)孔，保護(hù)氣口布置在其中兩個(gè)送粉口中間。文獻(xiàn)1中的探究中均沒有考慮打印基底對(duì)粉末匯聚效果的影響，通過(guò)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比可知，打印過(guò)程中打印的成型底板對(duì)粉末匯聚影響很大，故此仿真計(jì)算重點(diǎn)考慮了打印底板對(duì)粉末匯聚效果的影響。同時(shí)，在計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在近粉末匯聚處的流場(chǎng)及粉末匯聚率變化增大，故焦點(diǎn)處為模擬計(jì)算的關(guān)鍵位置，模型建立過(guò)程中應(yīng)作網(wǎng)格加密處理。圖3分別展示了計(jì)算模型的幾何以及網(wǎng)格圖示，為更清楚的展示模型結(jié)構(gòu)，圖例皆截取三維模型的中截面進(jìn)行展示。

圖2 噴嘴結(jié)構(gòu)說(shuō)明

圖3 仿真模型噴嘴整體簡(jiǎn)化示意圖，a.無(wú)底板影響 b. 有底板影響。

圖4仿真模型噴嘴細(xì)節(jié)網(wǎng)格，a.無(wú)底板影響 b. 有底板影響。

計(jì)算模型選擇

      DPM模型用于模擬離散相在連續(xù)相介質(zhì)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)撒情況，適用于模擬離散粒子在計(jì)算域中所占體積比小于10%的情況。聯(lián)系研究機(jī)型的實(shí)際情況，噴嘴外大氣環(huán)境中的空氣攜帶顆粒部分，體積加載率（單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)界面的顆粒體積與氣體體積之比）遠(yuǎn)小于10%，因此粉末粒子平均間距很大可以認(rèn)為是離散相。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，此次計(jì)算在DPM模型中對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)情況的模擬主要考慮以下幾個(gè)力：

其中F ? pressure與F ? (virtual_mass )主要應(yīng)用于粒子密度遠(yuǎn)小于周圍流體密度的情況，故在本次探究中可以忽略不計(jì)。F ? drag是由于流體的粘度和流體與打印粉末之間存在的速度差所產(chǎn)生的平行于速度方向的拉力，而F ? g是由于重力效應(yīng)而對(duì)打印粒子所造成的影響。針對(duì)本次計(jì)算，F(xiàn) ? other中所考慮的因素包括粒子與紊流流場(chǎng)的耦合，隨機(jī)碰撞模型以及Saffman 升力。

模型中的關(guān)鍵假設(shè)處理：

進(jìn)入熔池的粒子將全部熔化，不會(huì)有粒子從熔池中反彈。

底板上散落在熔池之外的粒子全部完全彈性反彈。此設(shè)置為最差工況，實(shí)際打印過(guò)程中，粒子與壁面非完全彈性碰撞。

因?yàn)樵诮裹c(diǎn)處和入粉口處的顆粒與氣體體積比率遠(yuǎn)小于10%（i.e.10-10）粉末顆粒之間的相互作用忽略不計(jì)。

計(jì)算結(jié)果及討論

圖5和圖6分別展示了近焦點(diǎn)處模型俯視平面的粉末濃度云圖與z=0mm處的速度云圖。通過(guò)兩圖的對(duì)比可知，底板對(duì)焦點(diǎn)附近的流場(chǎng)和粉末分布有較大影響，從工程設(shè)計(jì)角度來(lái)講，計(jì)算過(guò)程中將底板考慮在內(nèi)十分必要?；诖?，此次計(jì)算結(jié)果中討論了不同打印基板到噴嘴模型的距離，并將其結(jié)果展現(xiàn)在圖7中。

圖5 近焦點(diǎn)處粉末濃度云圖， a.無(wú)底板影響b. 有底板影響。

圖6 z=0mm截面處速度云圖，a.無(wú)底板影響b. 有底板影響。

圖7 8mm, 12mm 底板距離的粉末濃度曲線。

    通過(guò)對(duì)圖7的分析可得，打印底板的位置不僅影響著粉末聚集焦點(diǎn)的位置，還很大程度影響了粉末焦點(diǎn)處的濃度。例如在示例中所用打印參數(shù)條件下，12mm的底板距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于8mm的底板距離。然而最佳的打印底板距離并非固定不變的，它會(huì)隨著保護(hù)氣流量，送粉量以及載粉流量等各個(gè)參數(shù)的變化而變化。另外，保氣流量，送粉量以及載粉流量等各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系確定需要大量仿真計(jì)算以及物理實(shí)驗(yàn)的配合較對(duì)，作者在之后的文章中，將針對(duì)本文提到的噴嘴模型應(yīng)用控制變量的方法對(duì)以上參數(shù)逐個(gè)分析。

    需要特別指出的是，以上各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系確定很大程度上取決于噴嘴模型結(jié)構(gòu)，所以在每次打印前應(yīng)用仿真計(jì)算對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)校對(duì)以及表現(xiàn)預(yù)估十分重要。