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      新聞中心
      精益研發,SLM金屬3D打印機的動密封仿真分析
      時間:2020/9/17 4:37:00 來源: 作者: 點擊: 次

      談到選區激光金屬熔化3D打。ㄊ袌錾蠈⑵浞Q為SLM, DMLS技術) ,目前在市場上得到產業化的應用包括GE的噴油嘴,西門子的葉片,寶馬i8 Roadster電動汽車上的支架等部件。

      選區激光金屬熔化3D打印技術在高附加值和個性化部件的制造方面具備很大的發展潛力,從合金的結晶控制,到部件的精密性和復雜性實現,3D打印不僅僅推動了工業再設計,還在部件生產和部件修復過程中節約了生產資源,并通過提高最終產品的性能,帶來更大的產品生命周期價值。

      那么激光熔融金屬3D打印機要制造出更加合格的產品來,除了加強對金屬3D打印工藝的前饋控制和過程中控制能力,能不能通過提高選區激光熔融金屬3D打印設備的可重復性來最終得到產品質量的提高呢?本期,通過安世亞太基于Workbench的選區激光熔融金屬3D打印機在常溫工況下的動密封仿真分析來分享仿真在金屬3D打印設備開發方面的作用。

      得到產業化應用的選區激光熔融金屬3D打印技術

      密封的重要性

      選區激光熔融金屬3D打印的過程首先是鋪粉器將金屬粉末鋪至建造平臺,然后激光器根據打印路徑將金屬粉末融化完成一層的打印,每完成一層的打印后,建造平臺會下降一個層厚的高度,直至形成一個完整的三維零部件,整個打印過程都在惰性氣體環境中進行。選區激光熔融金屬3D打印機是一套較為復雜的系統,主要有機械單元、光路單元、控制單元、工藝軟件和保護氣密性單元等組成。而密封在選區激光熔融金屬3D打印機上應用較多,比如整個打印室的氣密性、建造平臺的密封等。

      密封一般分為靜密封和動密封,靜密封指的是被密封部位的兩個偶合件之間不存在相對運動的密封;而動密封指的是被密封部位的兩個偶合件之間存在相對運動的密封,動密封一般又分為旋轉式動密封和往復運動式動密封。

      選區激光熔融金屬3D打印機的建造平臺動密封設計是整個密封設計的重中之重,同時也是一個難點問題。如果建造平臺的動密封設計不好,會嚴重影響金屬3D打印機的打印質量和打印效果,同時也會影響密封圈的使用壽命。建造平臺密封圈的更換是一項非常費時費力且較為繁瑣的工作,因此對選區激光熔融金屬3D打印機建造平臺的動密封設計提出了更高的設計要求。

      模型的建立

      某型號的選區激光熔融金屬3D打印機的建造平臺的剖面圖見圖1所示,建造平臺結構主要有成型缸、打印臺、打印連接托板、活塞基板以及密封圈等組成。

      圖 1 選區激光熔融金屬3D打印機的建造平臺剖面圖及動密封局部結構剖面圖

      為了減小計算的工作量,本次計算模型采用2-D平面計算,對選區激光熔融金屬3D打印機建造平臺進行XOY平面內進行剖面處理,同時對本次計算的無關緊要的部件進行忽略處理。為加快模型計算收斂,只截取密封件周邊部分結構進行分析。為了保證后期的計算收斂性,將成型缸沿著Y方向左移2mm,即將密封件與成型缸之間由原來的過盈配合改為了間隙配合,后期再計算的首個載荷步將成型缸沿著Y方向右移2mm,模擬密封件與成型缸的裝配實際關系,這樣保證了仿真模型和實際的物理模型是吻合的。

      動密封結構有限元模型建立

      由于本次計算模型為2D平面結構,網格模型以四邊形單元為主,部分網格為三角形單元,鋼結構部件網格大小以0.8mm來劃分網格,密封圈的網格大小為0.7mm,同時為保證計算能更好地收斂,對接觸部位的網格進行了細化。密封結構模型共有17695個單元,36124個節點,具體見圖2所示。

      圖 2 選區激光熔融金屬3D打印平臺密封結構及密封圈局部網格模型

      整個有限元模型根據實際情況要建立合理的接觸關系,摩擦接觸和綁定接觸。

      仿真模型中零部件所用的材料主要是316不銹鋼和氟膠,316不銹鋼采用Workbench材料庫中的材料參數進行計算,而氟膠采用Mooney-Rivlin模型進行模擬,Mooney-Rivlin模型是一個比較常用的模型,適合于中小變形,一般適用于應變約為100%(拉伸)和30%(壓縮)的情況。

      工況說明:在常溫下,動密封分析工況分三個載荷步進行加載,首先完成密封圈與成型缸的預變形,其次考慮成型室作用到密封圈的上壓力,最后整個建造平臺在成型缸內進行上下移動。

      仿真“洞悉”密封方案優缺點

      1.強度分析結果

      通過仿真計算后,我們可以得到密封圈的最大應力為2.87MPa,并且最大應力位于密封圈與上部彈簧片的頂端接觸位置,這是密封圈受到擠壓后作用到U型彈簧片上造成的,具體可參見圖3所示。

      圖 3密封圈的應力結果云圖及局部最大應力放大圖

      2.接觸面積分析結果 密封圈被擠壓后,密封圈與成型缸之間的接觸面積大小對密封效果起到很大的影響。密封圈1~4齒接觸區域長度分別為0.6mm、0.9mm、0.8mm和0.5mm,具體可參見圖4所示。彈簧片可以有效地增大密封圈與成型缸的接觸面積,有利于密封效果的改善。

      圖 4 密封圈1~4齒的接觸區域長度

      3.接觸壓力分析結果 接觸面上的接觸壓力也是影響密封好壞的重要因素。密封圈與成型缸的最大接觸壓力為0.75MPa,位于首個齒尖處,說明第一道密封的密封效果較好,能夠有效地阻止金屬顆粒進入密封圈內,具體參見圖5所示。

      圖 5 密封圈與成型缸接觸壓力

      通過CAE仿真分析手段,我們能夠快速得到選區激光熔融金屬3D打印機建造平臺動密封設計方案的相關性能參數,通過對性能參數的對比分析,了解不同動密封設計方案的優缺點,并對方案進行修改完善,選出最優的設計方案,可以大大縮短整個產品的研發周期,降低產品的研發費用。

      李新路,車輛工程專業,碩士學位,10多年的汽車行業CAE仿真分析經驗,參與并實施了多個國內汽車整車及零部件的仿真分析咨詢項目,積累了大量的工程仿真分析項目經驗,專長汽車行業內結構CAE分析、整車碰撞分析、乘員約束系統分析、NVH分析以及新能源汽車電池包CAE分析等;同時目前主要參與了多個增材設備結構仿真分析項目。

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