激光选区熔化装置的风口设计方法、系统、装置及介质制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种激光选区熔化装置的风口设计方法、系统、装置及介质，其中方法包括：获取激光选区熔化装置的风口的设计体积；根据进风管道的尺寸设计风流道的高度，根据设计体积和风流道的高度设计导流区和静压区；获取缝隙出风格栅的摩擦阻力系数，根据摩擦阻力系数设计主流道的形状，以使导流区各个断面上的气压相等；根据主流道的形状设计仿真模型，对风口进行验证，并在验证通过后，打印风口。本发明专利技术能够解决大幅面激光选区熔化风口出风不均匀的问题，在尽可能减少风速动能损耗下较高效的设计出多孔网板各个位置的出风气流量基本保持一致的风口，满足大幅面激光选区熔化过程中烟尘和飞溅的去除，可广泛应用于激光增材制造领域。领域。领域。

【技术实现步骤摘要】
激光选区熔化装置的风口设计方法、系统、装置及介质


[0001]本专利技术涉及激光增材制造领域，尤其涉及一种激光选区熔化装置的风口设计方法、系统、装置及介质。

技术介绍

[0002]增材制造技术是一种通过三维数字化建模将材料逐层打印的加工技术。其中，粉末床3D打印技术是目前较为成熟的、主要的3D打印成形技术之一。加工时，在加工平面上均匀铺上一层材料粉末，控制系统控制激光器输出激光，激光通过振镜集中在粉层上扫描加工图形。扫描后的粉末经过熔化，与粉层下方的零件一起凝固为实体。通过一层层粉末层不断的熔化、凝固、叠加，最终成形为所需产品。
[0003]打印过程中的惰性气体循环起到避免熔化金属氧化作用，同时在粉床上方的气流能将打印过程中产生的副产物带离粉床，避免产生污染影响打印质量。随着火箭、飞机等航空航天大型零件制造的需求，大尺寸激光选区熔化设备(SLM设备)直接成型大型构件是目前SLM领域的发展方向，幅面的增大，激光数量的变多会对风口的设计造成了挑战，传统的分流板设计对于大尺寸SLM设备的风口出风的均匀性难以控制，风口不均匀需重新设计，造成了材料的浪费和试错成本的升高。

技术实现思路

[0004]为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本专利技术的目的在于提供一种基于静压送风原理的激光选区熔化装置的风口设计方法、系统、装置及介质，提升大幅面风场分布的均匀性。
[0005]本专利技术所采用的技术方案是：
[0006]一种激光选区熔化装置的风口设计方法，包括以下步骤：
[0007]获取激光选区熔化装置的风口的设计体积；
[0008]根据进风管道的尺寸设计风流道的高度，根据设计体积和风流道的高度设计导流区和静压区；其中，导流区设置在主流道和缝隙出风格栅之间，静压区设置在缝隙出风格栅和多孔网板之间；导流区的一端与进风管道连接，气体从进风管道进入导流区后，从导流区的一端流向导流区的另一端；导流区的气体通过缝隙出风格栅进入静压区，静压区中的气体通过多孔网板输出；
[0009]获取缝隙出风格栅的摩擦阻力系数，根据摩擦阻力系数设计主流道的形状，以使导流区各个断面上的气压相等；
[0010]根据主流道的形状设计仿真模型，对风口进行验证，并在验证通过后，通过3D打印技术打印风口。
[0011]进一步地，所述根据摩擦阻力系数设计主流道的形状，包括：
[0012]根据缝隙出风格栅的缝隙获取主流道的断面，按照气体流动的方向依次获取两个相邻的断面；
[0013]根据两个断面的平均的直径获得当量直径，根据当量直径、主流道中气体流动的平均速度、气体密度获得两个断面之间的沿程阻力损失；
[0014]根据沿程阻力损失获取断面动压差，获取下一断面位置主流道的风速，根据风速和气体的流量获取当前主流道的高度；其中，当前主流道的高度为当前主流道与缝隙出风格栅之间的垂直距离；
[0015]遍历完所有的断面后，获得主流道的形状。
[0016]进一步地，从断面xi到断面xi+1遵循能量守恒方程，计算公式如下：
[0017]P(x
i
)
j
+P(x
i
)
d
＝P(x
i+1
)
j
+P(x
i+1
)
d
+ΔP
y
+ΔP
j
[0018]式中，P(x
i
)
j
、P(x
i+1
)
j
为主风道上断面x
i
、断面x
i+1
上的静压；(x
i
)
d
、P(x
i+1
)
d
为主风道断面x
i
、断面x
i+1
断面上的动压；ΔP
y
为从断面x
i
到断面x
i+1
上主风道沿程阻力损失；ΔP
j
为从断面x
i
断面到断面x
i+1
上主风道局部阻力损失。
[0019]进一步地，ΔP
y
的计算公式如下：
[0020][0021]式中，λ(x)为主风道的摩擦阻力系数；D(x)为在(x1+x2)/2处主风道的当量直径；V(x)为(x1+x2)/2处主风道断面平均流速；ρ为风道内气体密度；
[0022]若采用长条条缝送风，局部阻力可忽略不计，ΔP
j
＝0；
[0023][0024]使得主风道内的静压处处相等，P(x
i
)
j
＝P(x
i+1
)
j
，则有两断面之间的动压降等于两断面之间的阻力：
[0025][0026]进一步地，所述缝隙出风格栅上沿着气体的流动方向并排设有多个孔口，所述孔口上的流量通过以下方式计算获得：
[0027][0028]其中，P
s
为风口内保护气的静压；v
j
为静压差产生的流速；μ为流量系数；ρ为气体密度；f0为孔口面积；
[0029]为保证各孔口的流出流量相等，各个孔口的f0、ρ相等。
[0030]进一步地，每个孔口对应一个断面，主流道的高度的计算公式如下：
[0031][0032][0033][0034]式中，S
i+1
为第i+1断面的面积，h为主流道的宽度；Q为进风口的总流量；i表示第i个断面，B为系数；V
d
为由动压引起在内流道内的流速，Pd为风口内保护气的动压，ρ为气体密度。
[0035]进一步地，所述根据主流道的形状设计仿真模型，对风口进行验证，包括：
[0036]使用k
‑
ε湍流模型对气流动进行计算流体仿真，其中湍流动能方程如下：
[0037][0038]式中，ρ是气体的密度，k为紊流脉动动能，u
i
为流体的分子粘度，t为时间步长，x
i
、x
j
均是位置向量，μ
t
表示湍流粘度，σ
k
是k的湍流普朗特常数，G
k
为平均速度梯度产生的湍流动能，G
b
为浮力产生的湍流动力学，ε是紊流脉动动能的耗散率，γ
M
是可压缩湍流中的湍流膨胀对总耗散率的影响，S
k
是自定义的源项；
[0039]能量耗散方程如下：
[0040][0041]式中，C
1ε
，C2，C
3ε
是常数；σ
ε
是ε的湍流普朗特常数；v是流体速度，S
ε
是自定义的源项。
[0042]本专利技术所采用的另一技术方案是：
[0043]一种激光选区熔化装置的风口设计系统，包括：
[0044]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光选区熔化装置的风口设计方法，其特征在于，包括以下步骤：获取激光选区熔化装置的风口的设计体积；根据进风管道的尺寸设计风流道的高度，根据设计体积和风流道的高度设计导流区和静压区；其中，导流区设置在主流道和缝隙出风格栅之间，静压区设置在缝隙出风格栅和多孔网板之间；导流区的一端与进风管道连接，气体从进风管道进入导流区后，从导流区的一端流向导流区的另一端；导流区的气体通过缝隙出风格栅进入静压区，静压区中的气体通过多孔网板输出；获取缝隙出风格栅的摩擦阻力系数，根据摩擦阻力系数设计主流道的形状，以使导流区各个断面上的气压相等；根据主流道的形状设计仿真模型，对风口进行验证，并在验证通过后，通过3D打印技术打印风口。2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化装置的风口设计方法，其特征在于，所述根据摩擦阻力系数设计主流道的形状，包括：根据缝隙出风格栅的缝隙获取主流道的断面，按照气体流动的方向依次获取两个相邻的断面；根据两个断面的平均的直径获得当量直径，根据当量直径、主流道中气体流动的平均速度、气体密度获得两个断面之间的沿程阻力损失；根据沿程阻力损失获取断面动压差，获取下一断面位置主流道的风速，根据风速和气体的流量获取当前主流道的高度；其中，当前主流道的高度为当前主流道与缝隙出风格栅之间的垂直距离；遍历完所有的断面后，获得主流道的形状。3.根据权利要求2所述的一种激光选区熔化装置的风口设计方法，其特征在于，从断面x
i
到断面x
i+1
遵循能量守恒方程，计算公式如下：P(x
i
)
j
+P(x
i
)
d
＝P(x
i+1
)
j
+P(x
i+1
)
d
+ΔP
y
+ΔP
j
式中，P(x
i
)
j
、P(x
i+1
)
j
为主风道上断面x
i
、断面x
i+1
上的静压；(x
i
)
d
、P(x
i+1
)
d
为主风道断面x
i
、断面x
i+1
断面上的动压；ΔP
y
为从断面x
i
到断面x
i+1
上主风道沿程阻力损失；ΔP
j
为从断面x
i
断面到断面x
i+1
上主风道局部阻力损失。4.根据权利要求3所述的一种激光选区熔化装置的风口设计方法，其特征在于，ΔP
y
的计算公式如下：式中，λ(x)为主风道的摩擦阻力系数；D(x)为在(x1+x2)/2处主风道的当量直径；V(x)为(x1+2)/2处主风道断面平均流速；ρ为风道内气体密度；若采用长条条缝送风，局部阻力可忽略不计，ΔP
j
＝0；使得主风道内的静压处处相等，P(x
i
)
j
＝(x
i+1
)
j
，则有两断面之间的动压降等于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨永强，刘子欣，陈子瑜，周瀚翔，魏宏鸣，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：