激光粉末床熔融成形腔内非稳态流场特性研究

姚杨，孙占朋,2*，张茹，杨光,2

激光粉末床熔融成形腔内非稳态流场特性研究

姚杨1，孙占朋1,2*，张茹1，杨光1,2

（1.河北科技大学 机械工程学院，石家庄 050018； 2.河北省增材制造产业技术研究院，石家庄 050018）

研究激光粉末床熔融（LPBF）中成形腔内保护气的流动规律，获得气流速度脉动和旋涡等流场非稳态特征及其变化规律。利用热线测速计测量腔内的瞬时速度，研究保护气的速度分布及其脉动特性；基于数值模拟方法探究腔内气流形成的旋涡情况，分析涡的分布及其旋转速度；利用烟雾示踪方法对保护气流场进行可视化处理，分析气流的运动过程。腔内气流经历了射流扩散、上下波动、大涡流、汇流等复杂运动过程，气流速度随时间的变化呈明显脉动特征，且气流脉动幅度受位置影响较大，进出风口的平面流速最大可达2.4 m/s，最小为0.25 m/s。同时，气速随平面高度的增大而逐渐减小；腔内存在以纵向大尺度旋涡为主、若干小尺度旋涡共同作用的涡流，由腔内边壁至中心，涡流切向速度呈先上升后下降的趋势，且随入口气速的增大而增大，在切向速度急剧降低的腔体角落、透镜等区域，易形成流动“死区”，导致烟尘颗粒聚集且难以排出，影响构件的高质量成形制造。保护气在LPBF成形腔内形成了复杂的非稳态流动，并以剧烈的速度脉动和多尺度的涡流为典型特征，而针对非恒定的层流、成形腔结构的优化设计仍需进行更深入的研究。

激光粉末床熔融（LPBF）；流场；非稳态；数值模拟；涡分析

增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）是一种基于离散堆积成形思想，通过三维软件对目标零件进行建模，再将模型按一定厚度分层切片，最后逐点、逐线、逐层累积成形的先进制造技术[1]。金属零件增材制造技术作为整个增材制造体系中最前沿和最具潜力的技术，是先进制造技术的重要发展方向。激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）技术利用高能激光束逐层扫描粉床并熔融成形[2]，具有成形几何精度高、表面光洁度高、设计自由度大等优点，是直接金属增材制造技术的重要发展方向，在航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景[3-4]。但LPBF工艺中普遍存在颗粒飞溅、烟尘等现象以及气孔、未熔合等构件缺陷[5]；此外，弥散的烟尘颗粒会黏附于激光透镜表面，这样不仅会降低激光输入功率，还可能造成镜片升温、开裂等严重后果[6]；尤其在多激光、大幅面打印过程中，会产生大量飞溅颗粒、烟尘，严重影响了零件的高质量成形。

优化工艺参数（调整激光输入功率及扫描速度[7-9]、改变金属粉末材质[10-12]等）、改变气氛条件[13-14]和引入横向气流是当前抑制颗粒飞溅和烟尘的主要措施。其中，引入横向惰性气流已成为LPBF设备的基本配置，这样不仅可将飞溅颗粒、烟尘等及时引出，还能防止金属粉末氧化[15]。Reijonen等[16]使用热线风速计测量了基板上方的气体流速，研究了惰性保护气流对316L样品孔隙率和熔体池几何形状的影响。Anwar等[17]研究发现，惰性气体流速越高，残留在粉末床的飞溅颗粒越少，零件成形质量越高。Zhang等[18]研究发现，受柯达效应影响，进入成形腔的气流有下行贴壁运动的趋势。Shen等[19]研究发现，在镍合金粉末成形中，当粉床表面的气流速度为1.5～4.8 m/s时，成形构件的缺陷率及孔隙率最低。梁平华等[20]通过对成形腔下进风口进行格栅化设计，降低了截面风速分布标准差，提高了流场分布均匀性。多家3D打印厂商采用改变进出风口结构[21]、增加循环过滤系统[22]、改进回风管道[23]等方式优化腔内流场分布。然而，成形腔多为突扩入口和突缩出口结构，这会导致低黏性惰性气体难以在腔内形成稳定层流，非稳态的气流可以强化细漂浮颗粒的扩散运动，并延长了其在腔内的停留时间[24]，使惰性气流对细漂浮颗粒的带出能力下降，但目前缺乏对腔内流场非稳态特性的研究。

本文以雷尼绍AM250打印机成形腔为研究对象，基于实验测量和数值模拟方法，分析了腔内气流的非稳态运动过程及腔内流场的典型非稳态特征（包括气流速度脉动和旋涡等），以期为成形腔结构的优化设计提供指导。

1 方法

1.1 实验装置及流程

雷尼绍AM250金属3D打印机成形腔如图1a所示。忽略送粉、铺粉等结构，成形腔的简化三维模型及尺寸如图1b所示。成形腔壳体为高透有机玻璃，利用烟雾示踪方法分析腔内的气流运动情况，烟雾发生器的功率为400 W，通过加热烟油液体产生烟雾并向成形腔内喷射，对气流从进入到排出成形腔的过程进行示踪。利用热敏风速仪（量程为0.0～30.0 m/s，测量精度为±3%）测量腔内不同高度、位置处的瞬时气流速度。

实验测量系统如图1c所示，该系统主要由成形腔体、烟雾发生装置、速度测量仪器、蝶阀和引风机等组成，由于在工作条件下成形腔中的保护气体氩气需满足严格的气体密封循环，故实验采用空气对氩气进行模拟，并将空气通入成形腔内，且在实验状态下腔内为负压，气体经入口管吸入成形腔后，通过出口管排出。利用热敏风速仪对入口管内的气体流速进行测量，并确定系统流量，进而通过调节阀门实现对成形腔体突括入口处气速的控制。在腔体顶板开设9个测量孔，利用热敏风速仪测量并记录特定位置处的气流速度。在进行烟雾示踪实验时，将烟雾发生器的烟雾发生口置于入口管处，通过拍照记录不同时刻的烟雾分布情况。

图1 实验装置及流程示意图

1.2 数值模拟方法

1.2.1 模型网格划分

利用Gambit软件对成形腔进行网格划分，如图2所示。划分的网格均为六面体结构化网格，网格增长率为1.26，网格总数为217 670。经Examine Mesh模块网格质量验证，网格的EquiSize Skew数值最大为0.89，满足数值计算要求。

图2 成形腔网格模型

1.2.2 控制方程

采用ANSYS-FLUENT 15.0软件对成形腔内的流场进行分析。忽略热量交换，成形腔入口位置气流的当量雷诺数为3 180.84，远高于圆形管道内临界雷诺数，故认为腔内流动为不可压缩的湍流流动。使用湍流模型对腔内湍流流动进行数值模拟，湍流模型选择标准-方程[25]，其中，湍流动能的输运方程如式（1）所示，耗散率的输运方程如式（2）所示。

式中：为流体密度；为时间项；x为流体运动沿轴的分量；x为流体运动沿或轴的分量，具体取决于流体所处的坐标系；为黏度；u为黏度的瞬时项；t为恒定的湍流黏性系数；Pr为的湍流普朗特数，取1.0；G为平均速度梯度引起的湍流动能的产生项；b为湍流产生项；M为湍流间关联项，对于不可压缩流体，b=0、M=0；Pr为耗散率的湍流普朗特数，取1.3；1ε、2ε、3ε为经验常数，分别取1.44、1.92、0。

式中：C为湍流黏度比例常数，通常取经验数值0.09。

1.2.3 条件设定

成形腔内的介质气体为惰性气体Ar，采用半隐式SIMPLE算法进行速度-压力耦合求解。设定进风口截面为速度入口，气流速度分别为2、4、6、8、10 m/s；设定出风口截面为压力出口，采用标准壁面函数法求解近壁面流场。

2 结果与讨论

2.1 模拟可靠性验证

为了验证数值模拟结果的准确性，首先将模拟结果与文献[26]中的实验测量结果对比，得到模拟与实验速度差值，如图3a所示，成形腔内的气流速度呈现中部大、两侧小的特点，中部实验值与数值模拟结果吻合较好，总体差值不超过0.4 m/s；但由于次级旋涡等极端不稳定流动的影响，腔体角落处的实验值与数值模拟结果的误差稍大，最大差值为0.6 m/s，因此取腔体角落以外、速度波动较小的5个测量点为典型位置，对比不同高度、位置处实验与模拟的气流速度，如图3b所示，可见，时均气流速度实验数据与数值模拟结果基本吻合。

2.2 气流运动轨迹分析

利用烟雾示踪方法分析成形腔内气流的运动情况，将气流进入成形腔的初始时刻记为=0 s，不同时间（）下的气流轨迹如图4所示。由图4a可知，在=0 s时，在突扩进风口结构的影响下，气流以射流方式进入成形腔后开始扩散，结合图4b可发现，在气流上方小尺度旋涡的作用下，大部分气流倾斜向上运动；在=0.84 s时，由于壁面效应和腔体中心低压卷吸的影响，一部分气流转而贴近基板流动，另一部分气流向腔体上部运行，此时旋涡随气流运动至腔体中心。在=1.8 s时，旋涡尺度随着气流的扩散而增大，腔体上部出现明显的旋涡流动现象，同时靠近出风口基板侧受高气速影响较大。在=2.98 s时，示踪旋涡与入口气流交汇融合，充满整个腔体，此时保护气流场基本形成。由此可知，成形腔内的气流经历了射流扩散、上下波动、大涡流、汇流等复杂的非稳态过程，而非简单的层流运动状态。

成形腔内的气流运动轨迹如图5所示。可以看到，成形腔内的气流运动轨迹十分紊乱。按照成形腔内气体流动的分布规律及作用，可将整个流场分为3个区域：腔两侧偏流区域（见图5b）、水平流动区域（见图5c）和混乱旋涡区域（见图5c）。其中，水平流动区域位于进出风口平面及下方，基本覆盖整个基板，主要由流速较高的水平气流组成，因此该区域在飞溅颗粒外排中起主导作用；腔两侧偏流区域主要处于成形腔门和粉仓的近壁区，两侧偏流主要表现为气流受壁面阻碍并产生回流旋涡，回流旋涡易将烟尘颗粒卷吸至腔体边角，造成腔体角落粉尘堆积。混乱旋涡区域处于成形腔的中心空间，靠近铺粉导轨、透镜等附件，被混乱旋涡夹带的烟尘颗粒的停留时间将显著增加，形成高浓度烟尘区，这样不仅易污染重要附件，还会增大入射激光的能量衰减和粉末床吸收激光能量的不稳定性。

图3 成形腔内气流速度实验值与模拟值对比

图4 气流轨迹随时间变化

图5 成形腔内气流运动轨迹

2.3 气流速度分布

不同水平截面上不同位置处气流瞬时速度的变化情况如图6a～e所示。分析可知，各位置处的气流瞬时速度随时间的变化呈明显脉动特征，但不同位置处的气流脉动幅度差异较大。由于料仓处腔体形状多变，造成P32位置的最大气流脉动速度甚至与其时均速度相当，流场的非稳态特性尤为明显。此外，在靠近基板的=3 mm和=75 mm平面上，除个别位置的脉动速度较大外，总体气流运动比较稳定，但气流时均速度的变化值较大，受突扩进气口结构引起的射流影响，正对进风口的P23位置流速最大，最大流速约为2.4 m/s，而该平面的最小流速约为0.25 m/s，说明基板附近气流速度分布均匀性较差。

气流时均速度分布情况如图6f所示。可知，随着位置高度的增大，同一平面上气流速度差异和速度波动均减小，流场均匀性得到改善。同时，不同平面间的气流速度差异也变小。靠近顶部透镜平面（=310 mm），个别位置（如P21和P31）的气流速度很小，易形成流动“死区”，这增大了烟尘细颗粒黏附透镜的概率，对粉末成形过程和透镜使用寿命产生了不利影响。

2.4 旋涡分布规律

为更直观地分析气流运动过程，利用Q判据方法[27]对成形腔内涡结构进行可视化。成形腔空间的涡等值面如图7a所示。分析可知，成形腔内分布着不同尺度的多种涡，其中贴壁小尺度旋涡的数量最多。同时，在射流效应的影响下，在气流入口位置也产生了多个小尺度旋涡（见图7b）。但从空间分布来看，以基板上方的大尺度纵向旋涡为主导，如图7b和图7c所示，以上主涡将不断地夹带新生烟尘颗粒流向透镜区域，为细颗粒黏附透镜提供了颗粒源。此外，在主涡中心出现了较大范围的气流低速区，且该低速区正处于透镜下方，易引起烟尘在该处聚集而难以排出，严重影响了粉床吸收激光能量的稳定性，故该气流低速区是对粉末成形过程危害最大的非稳态流动区。

图7 成形腔内旋涡分布及变化规律

不同气速下纵向涡的切向速度分布情况如图7d～f所示。分析可知，从成形腔边壁至中心，主涡1的切向速度呈先增大后减小的趋势，随入口气速的增大，最大切向速度增大，当入口气速为8 m/s时，切向速度取得最大值，约为1.1 m/s。在基板上方区域，切向速度急剧下降，此处气流形成流动“死区”。主涡2紧贴基板表面，切向速度波动较大，分布均匀性较差，波动幅度随着入口气速的增大而增大。在靠近腔门及粉仓角落，切向速度很小，易导致烟尘及飞溅颗粒在此堆积，增大了废旧颗粒收集和腔体清理的难度。

3 结论

气流非稳态运动是激光粉末床熔融（LPBF）成形腔内流场的重要特征，利用数值模拟、瞬时速度实验和烟雾示踪方法对气流速度脉动和旋涡等非稳态特征进行了研究，主要结论如下：

1）成形腔内流场分布受不规则结构影响，存在水平流动、腔两侧偏流、混乱旋涡3种流动特征，这3种特征分别位于基板上方、成形腔门和粉仓的近壁区以及成形腔中心空间。气流进入成形腔后经历了射流扩散、上下波动、大涡流、汇流等复杂的非稳态过程，腔体充满示踪烟雾的时间约为2.98 s。

2）气体速度随时间的变化而呈明显脉动特征，且气流脉动幅度受位置影响较大，料仓附近气流脉动幅度最大，当高度不同时，脉动幅值最大约为1.5 m/s，最小仅为0.2 m/s。紧靠基板平面气流速度分布的均匀性最差，最大流速可达2.4 m/s，最小约为0.25 m/s。透镜周围的气流速度普遍较低，最大不超过0.9 m/s。

3）对成形腔内流场进行涡分析发现，运动气流形成了多种涡结构，以透镜下方大尺度纵向旋涡为主，大尺度纵向旋涡边界处的切向速度较大，而中心处则存在大范围低速区，卷吸烟尘及飞溅颗粒聚集在此，因此，加大了颗粒黏附透镜的概率，造成粉床表面激光能量波动。在气流入口、腔体边角存在若干小尺度旋涡，其较小的切向速度将导致粉尘在此处堆积。

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Characteristics of Unsteady Flow Field in Forming Chamber of Laser Powder Bed Fusion

YAO Yang1, Sun Zhan-peng1,2*, Zhang Ru1, Yang Guang1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science & Technology, Shijiazhuang 050018, China; 2. Hebei Additive Manufacturing Research Institute, Shijiazhuang 050018, China)

The work aims to obtain the unsteady flow characteristics and variation such as flow velocity pulsation and vortex by studying the flow pattern of shielding gas in the forming chamber of laser powder bed fusion (LPBF). The instantaneous velocity in the chamber was measured by hot-wire anemometer, and the velocity distribution and pulsation characteristics of the shielding gas were studied. Based on numerical simulation methods, the formation of vortex in the chamber flow was investigated, and the distribution and rotational speed of vortex were analyzed. The shielding gas flow field was visualized by smoke tracer method and the movement process of flow was analyzed. The flow underwent complex motion processes such as jet diffusion, up-and-down fluctuation, large vortex, and gas confluence. The flow velocity exhibited obvious pulsation characteristics, and amplitude of flow pulsation varied greatly with the position. The maximum and minimum velocities at the middle plane across the air inlet and outlet were 2.4 m/s and 0.25 m/s, respectively. Simultaneously, the flow velocity decreased gradually with the increase of the plane height. There were vortices in the chamber, including the large-scale longitudinal vortex and several small ones. The tangential velocity of vortices increased firstly and then decreased from the inner wall to the center, and increased with the increase of inlet flow velocity. Those vortices of which tangential velocity decreased sharply led to the "dead zones" at the corners of the chamber and below the lens. Then, the small floating particles were accumulated and difficult to discharged, affecting the high-quality manufacturing process of components. The shielding gas forms a complex unsteady flow in the LPBF forming chamber, characterized by intense velocity pulsation and multi-scale vortices. For constant laminar flow, further research on the optimization design of the forming chamber structure is needed.

laser powder bed fusion; flow field; unsteady; numerical simulation; vortex analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.10.023

TH48

A

1674-6457(2023)10-0196-08

2023-05-16

2023-05-16

中央引导地方科技发展资金项目（206Z806G）；河北省自然科学基金京津冀基础研究合作专项（H2022208073）；河北省“三三三”人才工程资助项目（B20221004）

The Central Guiding Local Science and Technology Development Fund Projects(206Z806G); Natural Science Foundation of Hebei Province, Beijing-Tianjin-Hebei Basic Research Cooperation Project(H2022208073); “Triple three” Talent Funding Project of Hebei Province(B20221004).

姚杨, 孙占朋, 张茹, 等. 激光粉末床熔融成形腔内非稳态流场特性研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(10): 196-203.

YAO Yang, Sun Zhan-peng, Zhang Ru, et al. Characteristics of Unsteady Flow Field in Forming Chamber of Laser Powder Bed Fusion[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(10): 196-203.

责任编辑：蒋红晨