選區雷射熔化（Selective Laser Melting，以下簡稱 SLM）作為金屬增材製造的一種主要手段，能夠製備出複雜結構的零件，提高材料的利用率，減少後續加工流程，節省製備時間。該技術所採用的雷射光斑直徑較小，成形精度較高，可以實現相應零件的近淨成形，因此選擇性雷射熔化技術近些年來越來越受到關注且已經得到的廣泛應用。
選區雷射熔化過程中鋪粉環節對成型過程和最終的成型件質量有著重要的影響，鋪粉裝置的設計與優化，鋪粉過程的參數優化都需要進行大量的研究。採用傳統實驗的方法對這些過程進行研究需要花費大量的時間、人力和物力，且很難從微觀的尺度對這一過程進行詳細的描述。而針對該過程建立相應的模型，採用有限單元法或離散單元法對鋪粉過程進行相應的仿真，並結合一定的實驗進行驗證可以從微觀尺度更好的理解這一過程，對鋪粉裝置和鋪粉工藝進行更好的優化。
在本期谷.專欄文章中，安世亞太基於Ansys軟體對選區雷射熔化3D印表機機箱散熱優化設計進行了相應的分析，為機箱散熱優化設計提供一定的參考依據。
圖1 水冷空調在機箱中的位置及水冷空調邊界條件示意圖
在進行機箱散熱優化設計時考慮的因素：
1.考慮市場上相同類型和尺寸的金屬印表機的散熱設計
2.考慮工控機、mcp、雷射器中含有對溫度較為敏感的電子器件（電子器件的壽命與工作環境溫度成反比），工作環境溫度（包括固體溫度）不超過40℃
3.儘量提高冷空氣的利用率，使機箱內儘量大部分被氣流覆蓋
4.考慮改造的難易程度及潛在風險
仿真內容
SLM 3D列印設備機箱整體尺寸較大，內部結構複雜，且幾何尺寸跨度很大，簡化難度較高。因此在保證準確性的基礎上，為減少網格數量，主要保留尺寸較大、對流動有明顯影響的結構，如機箱架子、隔板、各種發熱件、管道、尺寸較大的非發熱件等影響流動的固體配件，去掉倒角及螺孔。
其中根據某種機型的發熱件的發熱功率和表面溫度，保留的發熱件有：mcp、機控項、雷射器、電機、循環風機、氧氣傳感器（兩個）、電磁閥（2個）、電源（3+2個）。
圖2 簡化前幾何模型及剖面圖
圖3 簡化後幾何模型
圖4 整體網格劃分及局部加密情況
圖4為機箱網格示意及局部加密情況圖。本次計算使用四面體加稜柱層劃分網格，在細小結構附近採用1mm的小尺寸捕捉曲率變化和接近率, 在入口附近使用稜柱層網格以保證流場計算精度。
仿真結果
圖5 X方向中截面速度矢量示意圖
來源：安世亞太
由於機箱內結構非常複雜，氣流受到的阻礙較多，但是總來說氣流在機箱內還是形成了一個覆蓋了機箱大部分區域的氣流循環。由於入口處增加了一個向壁面收攏的擋風板結構，導致剛進入機箱的氣流豎直向下流動，觸底後流向改變（這會導致大量的動量損失），大量的氣流從機箱底部擋板下流過，進入左側室。這一部分氣流沒能起到良好的對流換熱作用，所以應該考慮調整進氣的方向，或者在機箱的入口下方位置的結構進行一些適當的調整，不要讓氣流直接貼地面流通。
圖6 X方向中截面流線圖
來源：安世亞太
圖7 X方向中截面溫度雲圖
來源：安世亞太
從圖可以看出經過列印室下方的氣流較少，且從溫度場可以看出，列印室周圍的溫度較高，且由於列印室附近還有一個發熱量較大的電機，導致此處的溫度聚集較為嚴重。可以考慮在列印室下方位置增加風扇，增強氣流流動性。
圖8 優化方案改進意見示意
來源：安世亞太
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