面向電子束熔融增材制造噴管熱輻射的仿真研究

作者：張亦舒

來(lái)源：安世亞太

電子束熔融（EBM）技術(shù)經(jīng)過(guò)密集的深度研發(fā)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于快速原型制作、快速制造、工裝和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域。EBM技術(shù)使用電子束，將金屬粉末一層一層的融化生成完全致密的零件。

電子束熔融技術(shù)具有沉積效率高、成件內(nèi)部質(zhì)量好、降低成本、可靠性高，控制靈活等優(yōu)勢(shì)。利用電子束增材制造（EBAM）技 術(shù)設(shè)計(jì)研制大型復(fù)雜火箭噴管，涉及學(xué)科廣泛，技術(shù)復(fù)雜，因此相關(guān)項(xiàng)目運(yùn)用于實(shí)際應(yīng)用的案例較少，目前大部分技術(shù)仍停留在科研 階段�；�于電子束增材制造技的大型復(fù)雜火箭噴管需解決的難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)包括：如何在高真空室內(nèi)復(fù)雜溫度場(chǎng)環(huán)境下，進(jìn)行高精度 機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的研制；以及如何對(duì)復(fù)雜溫度場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)及控制等。

接下來(lái)，針對(duì)電子束增材制造（EBAM）噴管設(shè)計(jì)的難點(diǎn) ，通過(guò)對(duì)打印腔室內(nèi)處于不同打印進(jìn)程的工件與打印腔室壁面之間的熱輻射的模擬計(jì)算研究，為后期復(fù)雜噴管產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

電子束由位于真空腔頂部的電子束槍生成。電子槍是固定的，而電子束則可以受控轉(zhuǎn)向，到達(dá)整個(gè)加工區(qū)域。電子從一個(gè)絲極發(fā)射出來(lái)，當(dāng)該絲極加熱到一定溫度時(shí)，就會(huì)放射電子。電子在一個(gè)電場(chǎng)中被加速到光速的一半。然后由兩個(gè)磁場(chǎng)對(duì)電子束進(jìn)行控制。第一個(gè)磁場(chǎng)扮演電磁透鏡的角色，負(fù)責(zé)將電子束聚焦到期望的直徑。第二個(gè)磁場(chǎng)將已聚焦的電子束轉(zhuǎn)向到工作臺(tái)上所需的工作點(diǎn)。因此EBM工藝具有直接加工復(fù)雜幾何形狀的能力，非常適于小批量復(fù)雜零件的直接量產(chǎn)。應(yīng)用CAD軟件設(shè)計(jì)3D模型，該工藝可以獲得用其它制造技術(shù)無(wú)法形成的幾何形狀，使零件定制化成為可能。它直接使用CAD數(shù)據(jù)，一步到位，所以速度很快。

電子束熔融（EBM）技術(shù)又分為電子束熔絲沉積成形（見(jiàn)圖1a所示）和電子束選區(qū)熔化成形（見(jiàn)圖1b所示）。電子束熔絲沉積成形技術(shù)中，金屬絲材通過(guò)送絲裝置送入熔池并熔化，同時(shí)熔池按照預(yù)先規(guī)劃的路徑運(yùn)動(dòng)使金屬材料逐層凝固堆積。電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)中，電子束按預(yù)先規(guī)劃的路徑掃描，熔化預(yù)先鋪放的金屬粉末;完成一個(gè)層面的掃描后，工作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末，如此反復(fù)進(jìn)行，層層堆積。

圖1 電子束熔融（EBM）技術(shù)示意圖 a. 電子束熔絲沉積成形， b. 電子束選區(qū)熔化成形

相比于激光熔覆技術(shù)，電子束熔覆技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、該技術(shù)的沉積效率高。電子束可以很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)大功率輸出，可以在較高功率下達(dá)到很高的沉積速率，對(duì)于大型金屬結(jié)構(gòu)的成形，電子束熔絲沉積成形速度優(yōu)勢(shì)十分明顯。

2、成件的內(nèi)部質(zhì)量好。電子束是形成的熔池相對(duì)較深，能夠消除層間未熔合現(xiàn)象;同時(shí)，利用電子束掃描對(duì)熔池進(jìn)行旋轉(zhuǎn)攪拌，可以明顯減少氣孔等缺陷。

3、真空環(huán)境有利于零件的保護(hù)，能有效避免空氣中有害雜質(zhì)(氧、氮、氫等)在高溫狀態(tài)下混入金屬零件，非常適合鈦、鋁等活性金屬的加工。無(wú)需消耗保護(hù)氣體，僅消耗電能及不多的陰極材料，且未熔化的金屬粉末可循環(huán)使用，因此可降低生產(chǎn)成本。

4、電子束輸出功率可在較寬的范圍內(nèi)調(diào)整，并可通過(guò)電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)束流運(yùn)動(dòng)方式及聚焦的靈活控制，無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可靠性高，控制靈活，反應(yīng)速度快。利用面掃描技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積預(yù)熱及緩冷，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制零件表面溫度，減少缺陷與變形；利用多束流分束加工技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多束流同時(shí)工作，在同一臺(tái)設(shè)備上，既可以實(shí)現(xiàn)熔絲沉積成形，也可以實(shí)現(xiàn)深熔焊接。

利用電子束增材制造（EBAM）技術(shù)設(shè)計(jì)研制大型復(fù)雜火箭噴管目前在國(guó)內(nèi)基本空缺，國(guó)際上也很難見(jiàn)到。它涉及學(xué)科廣泛，技術(shù)復(fù)雜，因此相關(guān)項(xiàng)目運(yùn)用于實(shí)際應(yīng)用的案例比較少，目前大部分技術(shù)仍停留在科研階段。

圖2 電子束增材制造設(shè)備 a. 正視圖 b. 三維圖

需解決的難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)：

1、高真空室內(nèi)復(fù)雜溫度場(chǎng)環(huán)境下，高精度機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的研制：

在高真空室內(nèi)復(fù)雜溫度場(chǎng)環(huán)境下，工件由于受到高溫影響會(huì)熱變形。這就要求打印材料耐高溫，潤(rùn)滑油要耐高溫，打印工件承載性能高等。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中在材料選用，溫度場(chǎng)控制，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大差異。

2、復(fù)雜溫度場(chǎng)的設(shè)計(jì)及控制：

復(fù)雜溫度場(chǎng)的設(shè)計(jì)及控制是指針對(duì)所有零部件及工件溫度的需要進(jìn)行溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)。在對(duì)已設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，將滿足不了的溫度場(chǎng)部位，從新進(jìn)行溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)滿足所有零部件及工件溫度的需要的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)的設(shè)計(jì)及控制實(shí)現(xiàn)對(duì)打印成品的精度要求。

如上文所述，打印工件處于高真空室內(nèi)復(fù)雜溫度場(chǎng)環(huán)境，在長(zhǎng)時(shí)間的打印工程中為避免腔體內(nèi)溫度梯度過(guò)大而使工件發(fā)生熱變形，在打印過(guò)程中需要向系統(tǒng)傳輸熱量。而該電子束增材制造設(shè)備體積較大，腔體的表面積也相對(duì)較大，因此加劇了整個(gè)系統(tǒng)的散熱效率。而本文僅對(duì)打印腔室內(nèi)處于不同打印進(jìn)程的工件與打印腔室壁面之間的熱輻射進(jìn)行初步模擬計(jì)算，為后期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一個(gè)參考依據(jù)。

計(jì)算模型設(shè)置
計(jì)算中假設(shè)打印腔體的頂部及側(cè)面與外界直接接觸的區(qū)域?yàn)槭覝�，底部與打印機(jī)底板接觸的區(qū)域絕熱。打印工件為恒定高溫，故模型中部矩形區(qū)域?yàn)楹愣?00°C。單壁面導(dǎo)熱模型邊界條件見(jiàn)圖3所示。

圖3邊界條件意圖：?jiǎn)伪诿鎸?dǎo)熱設(shè)計(jì)

本文重點(diǎn)探究打印工件表面與打印腔室內(nèi)表面的輻射傳熱，并依此計(jì)算底部加熱板對(duì)打印工件的傳熱以保證打印工件維持恒定高溫。分析估計(jì)打印腔體的隔熱性與腔體壁面對(duì)熱量的吸收率很大程度上影響了系統(tǒng)熱量的變化。本次計(jì)算考慮最終成型件對(duì)打印中及打印完成時(shí)印工件表面與打印腔室內(nèi)表面的輻射傳熱的不同模型進(jìn)行模擬（表格1）。

結(jié)果分析及結(jié)論
通過(guò)仿真計(jì)算分析，為了更直觀的體現(xiàn)隔熱材料對(duì)腔體內(nèi)溫度的影響，圖4a和圖4b分別展示了當(dāng)吸收率為0.1時(shí)有隔熱材料與無(wú)隔熱材料的腔體內(nèi)溫度云圖。

圖4腔體內(nèi)溫度云圖 a無(wú)隔熱層 b有隔熱層

根據(jù)工程判斷，打印工件向外輸出的熱量全部通過(guò)輻射形式傳出給墻面。表2計(jì)算了不同工況下打印工件表面向外輻射的熱功率。

表2工件表面總熱功率（kw）計(jì)算數(shù)據(jù)

通過(guò)表2可知，對(duì)于導(dǎo)熱與隔熱兩種幾何模型來(lái)說(shuō)，S2S和DO模型在熱輻射計(jì)算結(jié)果來(lái)看差別不大，尤其是隔熱模型，當(dāng)腔體內(nèi)壁面吸收率較小時(shí)兩模型之間的數(shù)值差異可忽略不計(jì)。對(duì)比導(dǎo)熱模型（單層壁面）和隔熱模型（雙層壁面）的工件表面輻射功率可知，隔熱層的應(yīng)用會(huì)大幅度減小系統(tǒng)內(nèi)的熱量散失。另外，工件表面向外部環(huán)境輻射的總功率隨內(nèi)壁面對(duì)熱量吸收率的減小而減小，即工件向外輻射能量隨壁面反射率增大而減小。通過(guò)分析還發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁面對(duì)熱量吸收率對(duì)導(dǎo)熱模型的影響大于對(duì)隔熱模型的影響。

作者：張亦舒
安世亞太增材設(shè)計(jì)仿真部流體咨詢工程師，美國(guó)Colorado State University環(huán)境工程學(xué)士，環(huán)境流體力學(xué)碩士。參與國(guó)內(nèi)外多個(gè)工程項(xiàng)目，專長(zhǎng)紊流仿真模擬，傳熱分析等。在3D打印機(jī)機(jī)型方面，對(duì)FDM與DMD機(jī)型均有仿真計(jì)算經(jīng)驗(yàn)。