噴嘴模型介紹

       本文中的噴嘴模型與文獻1中噴嘴模型一致。具體參考關于DMD激光熔覆3D打印機型設計在仿真計算中的經驗分享中無底板影響的模型設置（圖4）。

圖4 仿真模型噴嘴整體簡化示意圖

 網格模型選擇

        本文重點探究給定7種網格模型中的最佳選擇，旨在確定相對最佳數值模型，為以后的數值計算提供基礎。報告中選用焦點處的匯聚率為主要參數來判斷模型的表現優越性，其他參考參數包括焦點直徑，焦點位置，流場結構等。一般的，粉末焦距處的濃度定義為粉末最大濃度（入口處濃度）的85%以上。因為在實際打印過程中，針對目前的噴頭模型，粉末匯聚度無法達到此標準，故在此之后的分析中將粉末的焦距定義為噴嘴下部沿對稱軸方向上的最大濃度出現的位置。

- Z=0mm截面差異分析

圖5與圖6分別展示了上述幾種網格模型在Z=0mm截面的粉末濃度云圖與速度云圖，其中紅色為最大濃度，藍色為最小濃度。為增強各個圖像的可比性，濃度區域統一選取在0-5e-6 kg/m3。從圖中更加直觀的看出加密后的網格結構可以更好的捕捉小范圍內粉末濃度的突變。例如在圖5a中原始網格并沒有體現出焦點處濃度的極值，從而導致濃度計算不精準。通過圖6的對比，原始網格模型在捕捉速度變化方面沒有捕捉到焦點上方的低速區域，此小范圍死區的形成可能是由于三股氣流的相互影響沖撞，在近焦點區域形成了停滯點，從而使粉末匯聚。

圖5 Z=0mm截面的粉末濃度變化云圖a. 未加密模型b. 焦距1-0.1mm-hex c. 焦距2-0.1mm-hexd. 焦距3-0.1mm-hex e. 焦距3-0.1mm-tet

圖6 Z=0mm截面的速度云圖a. 未加密模型b. 焦距1-0.1mm-hex c. 焦距2-0.1mm-hexd. 焦距3-0.1mm-hex e. 焦距3-0.1mm-tet

- 焦點截面差異分析

      通過以上的對比可知，在Z=0mm的中截面上六面體核心的網格形狀優于四面體的網格形狀，而細小結構的范圍的選取對焦點濃度影響不大。為了進一步探究這一結論，以下對焦點平面的濃度分布及流場結構對比分析。如上文中所示，設計階段初期的結果中均存在焦點位置與軸線位置的較大偏差�；�于上一節的分析結果，本章就焦點平面的粉末濃度將不同的網格模型與原始模型進行對比，并分析了產生偏差的原因及解決方法。

      圖7為焦點平面的粉末濃度云圖，其中紅色為最大濃度，藍色為最小濃度。為體現不同網格模型下焦點處的濃度極值，圖7a-圖7e的濃度取值范圍均為該平面的最大值與最小值。為體現不同網格模型的精確程度，截取平面時應用相同比例尺。圖中的菱形白點為該平面上的幾何中心。

圖7 焦點平面的濃度云圖a. 未加密模型b. 焦距1-0.1mm-hex c. 焦距2-0.1mm-hexd. 焦距3-0.1mm-hex e. 焦距3-0.1mm-tet

       通過圖7中的對比可知，縮小網格尺寸大大提高了計算結果的精確度。結合圖5與圖6可以看出，縮小的網格尺寸捕捉到了焦點附近濃度的突變，計算出的近焦點處的濃度較之前大大增加。另外，通過對比圖7b-圖7d可知，細小網格結構范圍一定程度上影響了計算結果中焦點平面處焦點的形狀。通過與實驗對比，理論上焦點應接近圓形且焦點應與該圓心重合。根據這一判斷標準，結合以上分析，針對此機型的打印噴頭，焦距2-hex的網格結構為最優結構。

- 最小網格尺寸的選擇

上文的分析中對比了不同的細小網格結構范圍和網格形狀，現在安世亞太重點分析并確定模型中的最小網格尺寸。并討論對比三種最小網格尺寸：0.05mm，0.1mm，0.2mm。

      為了更好的觀察近焦點處濃度的變化，圖8展示了上述幾種網格模型在Z=0mm截面的粉末濃度云圖，圖9展示了焦點平面的粉末濃度云圖，為體現不同網格模型的精確程度，截取平面時應用相同比例尺，圖中的菱形白點為該平面上的幾何中心。其中紅色為最大濃度，藍色為最小濃度。為增強各個圖像的可比性，濃度區域統一選取在0-5e-6 kg/m3。

圖8 Z=0mm截面的粉末濃度變化云圖a. 原始模型b. 焦點2-0.2mm-hex c. 焦點2-0.1mm-hexd. 焦點2-0.05mm-hex

圖9 焦點平面的濃度云圖a.原始模型 b. 焦點2-0.2mm-hexc. 焦點2-0.1mm-hex d. 焦點2-0.05mm-hex

      通過圖8，圖9中各種網格尺寸的對比可知，越細小的網格尺寸越能捕捉濃度的突變。圖8c，圖8d均體現了焦點處濃度的極值，而8d更加細小的網格也捕捉到了近焦點處其他區域的濃度極值，然而通過網格處理中的分析可知，圖8d的網格數量較圖8c增加了兩倍多。綜合各種因素，可確定該模型的最佳網格尺寸。綜上所述，在上述所有網格模型中，針對此噴頭結構的相對最優網格為：最小網格尺寸0.1mm。最終通過一系列的網格收斂性探究，安世亞太確定了針對此機型的打印噴頭，焦距2-0.1mm-hex的網格結構為最優結構。

 拓展

為使以后的探究結果更加精確，此次針對不同的網格結構進行分析。對比結果后選取了相對最優的網格結構。同時也說明了在仿真計算設計過程中前處理階段，尤其是網格收斂性探究非常必要。

張亦舒

      安世亞太增材設計仿真部流體咨詢工程師，美國Colorado State University環境工程學士，環境流體力學碩士。參與國內外多個工程項目，專長紊流仿真模擬，傳熱分析等。在3D打印機機型方面，對FDM與DMD機型均有仿真計算經驗。

(責任編輯：admin)

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