Conception optimisée et facteurs de performance clés d'un système de filtration à circulation de gaz dans une imprimante 3D métal

Apr 16, 2023

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14267 (2022) Citer cet article

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Détails des métriques

Pour améliorer encore la qualité des pièces dans les imprimantes 3D métal, il est nécessaire d'optimiser la structure et d'étudier les performances de leurs systèmes de filtration à circulation de gaz. Dans un premier temps, nous avons utilisé la méthode de modélisation paramétrique pour compléter la modélisation de la cavité formée. Nous avons ensuite optimisé la conception de la structure d'entrée d'air de la cavité formée à l'aide de la méthode de simulation moldflow, et enfin, nous avons évalué les résultats de conception optimisés par des expériences d'assemblage et des mesures des composants des pièces moulées. La combinaison des méthodes de modélisation paramétrique et de simulation de flux de moulage a produit une efficacité de modélisation élevée et a eu un bon effet sur la conception optimisée des systèmes de filtration à circulation de gaz. Après optimisation de la conception, les intensités de turbulence et les zones de distribution des cavités formées ont été réduites. Lors de l'impression 3D de la plaque de guidage incurvée, le plan du support de plaque de guidage était incliné de 55° par rapport au plan de référence d'usinage, ce qui a amélioré la qualité de la forme. La plaque de guidage incurvée imprimée en 3D correspondait étroitement à l'extrémité d'entrée du conduit d'air de l'imprimante, et la plaque de guidage supérieure était fixée à une position appropriée à l'aide de vis. La teneur en niobium des pièces formées par la plaque de guidage dans la conception 2 était faible, ce qui jette les bases de l'impression 3D de pièces métalliques hautes performances.

La technologie de fabrication additive (AM) peut être utilisée pour découper des modèles tridimensionnels (3D) à l'aide d'un logiciel spécialisé afin d'obtenir des données de section1. Les données peuvent ensuite être importées dans des équipements de formation rapide, permettant la fabrication de pièces via des méthodes d'accumulation de matière couche par couche2. La technologie AM peut être utilisée pour fabriquer des pièces de n'importe quelle forme, y compris des pièces unitaires, de petits lots et des structures complexes et compactes3. La fusion laser sélective (SLM) est une sorte de technologie AM basée sur la fusion laser de poudre métallique4,5.

Lorsque la technologie SLM est utilisée pour former des pièces, l'interaction entre le laser et la poudre entraîne généralement deux problèmes6 : ① Le balayage sélectif de la poudre métallique par le laser provoque une pulvérisation de poudre. Les particules formées par pulvérisation cathodique flottent et diffusent dans le bac de modelage puis se dispersent autour du silo de formage pour polluer la poudre, entraînant des défauts d'inclusion de laitier dans les pièces ensuite formées ; ② Lorsque le laser agit sur la poudre métallique, la poudre forme un "smog solide" lors des processus de combustion, de sublimation, d'évaporation et de condensation. Le "smog solide" adhère au verre de protection du scanner galvo, ce qui fait que le laser génère une grande atténuation d'énergie lorsqu'il traverse le verre de protection. Ainsi, les pièces métalliques formées ne peuvent pas absorber suffisamment d'énergie, ce qui entraîne des défauts et provoque des dommages au laser. De plus, le "smog solide" provoque une contamination de la poudre et entraîne des défauts dans les pièces formées. Par conséquent, dans les équipements de moulage SLM, il est généralement nécessaire de mettre en place un système de filtration à circulation de gaz pour faire circuler et filtrer le gaz dans le bac de modelage.

Les systèmes de filtration à circulation de gaz dans les équipements de moulage SLM utilisent des pompes de circulation externes pour connecter les entrées internes et les tuyaux d'échappement. Une fois que le gaz dans le bac de moulage est extrait du tuyau d'échappement par la pompe de circulation, le gaz pénètre d'abord dans le dispositif de filtrage de la poussière, puis retourne dans le bac de moulage le long du tuyau d'admission, ce qui entraîne une circulation de gaz dans le moulage. cylindre7. La première fonction majeure du système de filtration à circulation de gaz est de maintenir l'environnement sans oxygène requis dans le processus de moulage. Une autre fonction importante consiste à supprimer les "dérivés". Un grand nombre de matériaux en poudre micron sont impliqués dans le processus de moulage, et des chocs énergétiques se produisent lors de la fusion par balayage laser. Les particules de pulvérisation sont dispersées dans la cabine. De plus, certaines impuretés dans la poudre produisent une "fumée solide" lors de la fusion. La "fumée solide" est composée de condensats floculants formés par le refroidissement instantané de vapeurs métalliques électrolytiques issues d'un bain métallique en fusion en ébullition, et elles ont un diamètre moyen de 1 µm. Pour empêcher les condensats flottants de contaminer l'environnement de la cabine, et en particulier d'entrer dans le champ du trajet de la lumière laser et d'affecter l'incidence du laser, la plaque de guidage est généralement placée à la sortie du tuyau d'admission pour éviter que la "fumée solide" et les éclaboussures de particules ne polluent le poudre et le verre de protection du scanner galvo. Un dépoussiéreur (rainure de guidage) existe à l'entrée du tuyau d'échappement pour collecter la "fumée solide" et les particules de poudre dans la cavité de moulage. Ensuite, la pompe de circulation absorbe la "fumée solide" collectée et les particules de poudre dans le noyau du filtre pour la filtration. Après l'optimisation de la conception de la rainure de guidage, les performances de la plaque de guidage à la sortie du tuyau d'admission sont devenues le facteur clé affectant les performances du système de filtration à circulation de gaz dans l'équipement de moulage SLM.

Fu et al.8 ont analysé l'état du champ d'écoulement du gaz protecteur dans la cavité de moulage d'une petite imprimante 3D métallique et ses effets sur le processus de formation de SLM. Ils ont déterminé le plan optimal suivant : cinq entrées d'air, dont une située à l'arrière et quatre réparties en haut. Lorsque les rapports d'admission d'air étaient de 3/4 et 1/4, le gonflage prenait le plus de temps et offrait les meilleures propriétés d'élimination de la fumée. Sun et al.9 ont utilisé une simulation de flux SOLIDWORKS pour imiter le canal d'écoulement et le champ de vent du système de soufflage d'un équipement de fusion et de formage sélectif d'un laser métallique, et ils ont optimisé la structure du canal d'écoulement de soufflage et d'absorption conformément aux résultats de la simulation. . Grâce à des calculs de simulation et à l'optimisation, la variation de la distribution de la vitesse de l'air dans le champ de vent dans le périmètre d'impression a été considérablement réduite et l'efficacité du plan d'optimisation a été vérifiée expérimentalement. La densité de l'échantillon formé par le système de soufflage optimisé, par rapport à l'équipement d'origine, a été considérablement augmentée. Liang et al. 10 ont constaté que le résidu de fumée noire sur la surface du lit de poudre du bac de formage de l'équipement de modélisation E-Plus-M250 est causé par une répartition inégale du champ de vent dans la zone de balayage laser et la fumée noire générée par le laser la poudre de métal en fusion dans le bac de formage a été efficacement éliminée en améliorant la structure du canal d'écoulement du gaz de protection. Liu et al.11 ont combiné les caractéristiques de formation de l'environnement de gaz inerte traditionnel pour optimiser le système de protection atmosphérique des équipements de fabrication additive métallique. Le système a considérablement amélioré l'efficacité de formation de l'environnement de protection atmosphérique et réduit le coût d'utilisation. Il s'agissait d'une percée dans la technologie de formation et de conservation rapides dans un environnement de protection atmosphérique à grand volume, et cela a fourni un environnement de gaz inerte rapide et stable pour la recherche ultérieure sur les processus de formation de composants métalliques à haute performance. Li et al.12 ont conçu et optimisé le système de protection atmosphérique de la cavité formée à l'aide de la méthode de simulation numérique FLUENT et ont obtenu le schéma d'agencement optimal pour le filtre à gaz et la structure de la cavité atmosphérique. Lors de l'utilisation d'un alliage de magnésium pour l'usinage de pièces, (Malin et al.13) ont constaté que le verre de protection du scanner galvo est pollué par la fumée. Ainsi, ils ont conçu un ensemble de dispositifs pour nettoyer la vitre de protection du scanner galvo pendant le processus d'usinage des pièces. Étant donné que le gaz circulant à l'intérieur du bac avait une faible efficacité de purification des fumées, les améliorations suggérées ont été mises en œuvre en définissant différentes entrées d'air et en utilisant le logiciel d'analyse mécanique des fluides CFX pour simuler, analyser et comparer les flux de gaz dans le bac. Ferrar et al.14 ont découvert que la distribution du champ de vent du gaz inerte au-dessus de la plaque de base du cylindre formé fabriquée par l'équipement de moulage par fusion sélective au laser influence de manière significative les propriétés mécaniques des pièces formées et la répétabilité de l'usinage des pièces. Dadbakhsh et al.15 ont considéré que la direction du flux d'air dans la zone de formage de l'équipement de moulage SLM affecte les performances des pièces formées en affectant le taux de changement de température pendant le processus de solidification. Rehme et al.16 ont découvert que le mode d'écoulement du gaz protecteur au-dessus de la plate-forme de formage de l'équipement de moulage SLM a également un impact significatif sur la qualité et la répétabilité de l'usinage des pièces. Anwar et al.17 ont étudié l'influence de la vitesse du flux d'air inerte sur la qualité de formage de l'alliage AlSi10Mg au cours du processus de modélisation SLM et ont découvert que les impuretés de la fumée noire pouvaient être éliminées plus efficacement à la même vitesse du vent lorsque la direction du balayage laser s'opposait à la direction. du champ de vent. Nous avons constaté dans les premières recherches que la capacité de collecte de poussière de la rainure de guidage pouvait être efficacement améliorée dans les conditions suivantes : l'angle de l'extrémité de la rainure de guidage d'échappement de l'imprimante 3D était ajusté de 90° à 140° ; la plaque de guidage incurvée a été ajustée de l'angle uniforme d'origine de 115° à un changement de gradient de 140° à 160° ; et l'espacement entre les plaques de guidage avant et arrière a été ajusté de la valeur fixe d'origine de 3,28 mm à un changement de gradient de 10 à 15 mm (Zhang et al.18).

L'optimisation du champ d'écoulement interne des équipements de moulage SLM, le réglage des modes d'admission et d'échappement et la position du système de filtration à circulation des gaz sont importants pour améliorer la qualité des pièces formées. Cependant, certains problèmes peuvent encore être optimisés, tels que la conception du mode d'entrée du tuyau d'admission, qui affecte directement les performances du système de filtration à circulation de gaz dans l'équipement de moulage SLM.

La figure 1 montre le processus spécifique de cette étude.

Organigramme de recherche.

Les informations sur les systèmes de filtration à circulation de gaz dans les équipements de moulage SLM trouvées dans la littérature existante et les systèmes de filtration à circulation de gaz utilisés dans certains équipements actuels (tels que GYD 150 et SLM-150) sont présentées à la Fig. 2. L'entrée de la circulation de gaz Le système de filtration dans l'équipement de moulage SLM est situé derrière la cavité de formage, la sortie est située en bas à gauche à l'avant de la cavité de formage et la rainure de guidage d'air de retour est située devant l'entrée d'air. À l'heure actuelle, les principaux problèmes liés à l'utilisation des systèmes de filtration à circulation de gaz dans les équipements de moulage SLM sont les suivants : après la fin de l'usinage des pièces, des déchets de poudre se déposent dans la cavité et l'espace autour de la rainure de guidage. De plus, le verre de protection du scanner galvo est également pollué dans une certaine mesure. Par conséquent, nous avons d'abord utilisé le logiciel de modélisation 3D Rhino pour compléter la modélisation paramétrique de la cavité formée dans l'équipement actuel. Ensuite, nous avons utilisé le logiciel de simulation de flux de moulage Autodesk CFD 2022 pour analyser la vitesse d'écoulement, la pression et la distribution de la turbulence des fluides dans une cavité formée, déterminé la direction d'optimisation en fonction des résultats et amélioré la conception dans le logiciel 3D jusqu'à ce que la performance optimale soit atteint.

Représentation structurelle du dispositif de formage SLM.

La plaque de guidage incurvée conçue est mince et de petits chanfreins d'angles différents existent à de nombreux endroits. Il est produit à l'unité ou en petits lots au stade du développement du produit. Si l'usinage et le soudage sont utilisés, le coût augmente considérablement. Ainsi, une méthode d'impression 3D a été utilisée dans cette étude pour fabriquer de telles pièces complexes. De plus, la plaque de guidage conçue a certaines exigences pour une installation précise. Pour réduire les coûts, nous avons utilisé l'imprimante 3D de bureau industrielle de haute précision produite par JG Maker pour la production d'essai avant l'impression sur métal, et le PLA a été utilisé pour former les matériaux. Une fois la précision d'installation atteinte, l'équipement d'impression 3D métal GYD150 produit par Sunshine Laser a été utilisé pour la fabrication directe. Les pièces formées étaient constituées de poudre d'acier inoxydable 316L produite par SANDVIK Osprey Company au Royaume-Uni, et la composition répondait aux exigences de la norme ASTM A276. Une comparaison de composition est présentée dans le tableau 1. La poudre a été préparée par atomisation au gaz et était sphérique, comme le montre la figure 3.

Microstructure de la poudre d'alliage 316L.

L'azote a été utilisé comme air protecteur et la teneur en oxygène a été contrôlée à 0,03 %. La puissance du laser d'usinage est de 170 W, la vitesse de balayage est de 500 mm/s, l'espace de balayage est de 60 mm, l'épaisseur de la couche d'usinage est de 35 um et une stratégie de balayage d'altération d'interlamination X-Y a été appliquée.

Un traitement de surface a été effectué sur la plaque de guidage incurvée réalisée par impression 3D, comme suit : grenaillage, polissage rugueux avec du papier abrasif et polissage avec un chiffon de polissage. La rugosité de surface de la plaque de guidage incurvée a été mesurée à l'aide d'un morphomètre 3D (MIAOXAM2.5X - 0X) pour s'assurer que sa précision morphologique était la même que celle de la plaque de guidage d'origine. Une plaque de guidage incurvée répondant aux exigences de précision dimensionnelle et morphologique et la plaque de guidage d'origine ont été respectivement installées dans l'équipement d'impression 3D métallique pour les tests de performance. Dans cet essai, le même lot de poudre a été utilisé et la même pièce a été usinée. Ensuite, un analyseur d'alliage Thermo XRF portable a été utilisé pour analyser les compositions des pièces formées par différentes plaques de guidage, et les performances de la plaque de guidage conçue ont été évaluées en comparant les compositions de ces pièces.

Nous avons appliqué le logiciel de modélisation paramétrique Rhino pour concevoir la cavité de formage des imprimantes 3D métalliques. Tout d'abord, nous avons conçu les parties de la cavité de formage, telles que la coque, la brosse à poudre, la rainure de guidage et la plaque de guidage d'entrée, puis nous les avons assemblées à l'aide du logiciel Autodesk Inventor Professional pour modéliser complètement la cavité de formage, comme illustré à la Fig. 4a . Le modèle de cavité conçu de l'imprimante 3D a été importé dans le logiciel de simulation de flux de moulage Autodesk Simulation CFD. Dans le logiciel CFD, tout d'abord, la commande de fusion des arêtes a été appliquée pour réduire le nombre d'arêtes dans le modèle, puis les extrémités d'entrée et de sortie de la cavité de formage ont été fermées à l'aide de la commande de création de face pour générer l'entrée de la zone fluide. : Vitesse-entrée, sortie Pression-sortie et autres : Mur, comme illustré à la Fig. 4b. Le matériau de la paroi a été défini comme de l'acier inoxydable 316L et la propriété physique de l'écoulement du liquide a été définie comme de l'azote (viscosité 1,78e−5 Pa·s, densité 1,25 kg/m3). Le débit maximal de l'entrée et de l'évacuation du ventilateur utilisé dans l'équipement de moulage SLM était de 1,30 m3/min. En raison de la perte de débit à l'extrémité d'entrée de la cavité de formage, nous avons réglé la vitesse d'écoulement à l'extrémité d'entrée de la plaque de guidage incurvée à 7 500 mm/s et la pression à l'extrémité de sortie à 0 Pa. Le maillage automatique a été adopté.

Schéma de principe de l'imprimante 3D formant la structure de la cavité et le modèle de simulation : (a) Formation de la structure de la cavité ; (b) Modèle de simulation de fluide.

Habituellement, lorsque le fluide entre par l'entrée inférieure de la cavité de formage, plus le débit est élevé, plus la pression est faible et plus la plage de distribution de la turbulence est petite. De plus, l'intensité de la turbulence se situe dans la plage de la vitesse du vent, de sorte que la poudre n'est pas soufflée, ce qui est bénéfique pour la décharge des particules éclaboussant et du "smog solide" lorsque le laser agit sur la poudre. L'entrée supérieure de la cavité de formage doit être ajustée pour éviter de polluer le verre de protection du scanner galvo ; par conséquent, la plage et l'intensité de distribution de la turbulence doivent être aussi petites que possible lorsque le fluide pénètre dans la cavité de formage par l'entrée supérieure. De plus, un débit suffisant doit être maintenu pour empêcher les éclaboussures de particules et le « smog solide » de s'approcher du verre de protection. Sur la base de cette analyse, le débit, la pression et la distribution de la turbulence du fluide traversant la cavité de formage ont été déterminés comme étant les principaux facteurs affectant la qualité des systèmes de filtration à circulation de gaz dans les imprimantes 3D métalliques. Ainsi, il était nécessaire de simuler et d'analyser l'état du fluide traversant les cavités de formage des imprimantes 3D métalliques, d'évaluer de manière exhaustive les avantages et les inconvénients des performances et de déterminer une stratégie d'optimisation.

La figure 5 montre un diagramme de distribution de champ d'écoulement du fluide s'écoulant à travers la cavité de formage. Sur la figure 5a, la distribution de la vitesse d'écoulement de l'azote à l'extrémité inférieure de la cavité de formage est représentée. La cavité de formation de courant avait une bonne connectivité et une vitesse d'écoulement élevée à l'extrémité de sortie. Il avait une vitesse d'écoulement mesurée de 52,35 × 103 mm/s et un débit volumique de 10,65 × 104 mm3/s. A l'extrémité supérieure du cylindre de poudre, les couches d'écoulement de fluide interféraient les unes avec les autres et la distribution était relativement désordonnée. L'écoulement turbulent a gravement gêné l'écoulement laminaire à l'extrémité supérieure du cylindre de formage, et les zones de vide d'écoulement sur le côté gauche et l'extrémité inférieure de la brosse à poudre, ainsi que l'extrémité de la rainure de guidage, n'étaient pas propices au fluide couler. Cela a sérieusement affecté la capacité de la rainure de guidage à évacuer les particules d'éclaboussures et le "smog solide", et cela a facilement conduit à des défauts dans les pièces formées. Sur la figure 5d, la distribution de la vitesse d'écoulement de l'azote entrant dans la cavité de formation à partir de l'extrémité d'entrée supérieure est représentée. Le reflux de gaz local sévère à l'entrée supérieure a interféré avec l'afflux de fluide et, par conséquent, des turbulences se sont produites, ce qui a provoqué un "smog solide" qui a adhéré au verre de protection du scanner galvo, affaiblissant ainsi la capacité du laser à traverser et même résultant en cas d'endommagement du laser. Sur les figures 5b et e, la distribution de pression d'azote s'écoulant à travers la cavité de formage est représentée. La pression était uniformément répartie dans la cavité de formage et la pression à l'extrémité d'entrée était au maximum, jusqu'à 9 672,84 Pa. La pression près de l'extrémité de sortie de la cavité de formage présentait une relation de gradient négatif, indiquant que l'air ne circulait pas. sans à-coups et que la pression statique n'était pas uniformément répartie. Dans de telles conditions, un reflux d'air local peut facilement se produire. Sur la figure 5c, la distribution de turbulence de l'azote entrant dans la cavité de formation à partir de l'extrémité d'entrée inférieure est représentée. L'énergie cinétique turbulente maximale de la cavité de formage était principalement concentrée à l'extrémité de la rainure de guidage, ainsi qu'aux extrémités gauche et arrière de la brosse à poudre, ce qui a entraîné un désordre du champ d'écoulement dans la cavité de formage et une contamination de la poudre due à mauvaise évacuation de l'air. Sur la figure 5f, la distribution de la turbulence de l'azote entrant dans la cavité de formation à partir de l'extrémité d'entrée supérieure est représentée. La turbulence était principalement concentrée à l'extrémité d'entrée et aucune turbulence évidente n'a été trouvée à d'autres endroits. En déterminant les raisons des phénomènes ci-dessus, nous avons conclu que la conception optimale de la rainure de guidage peut être liée à la structure inappropriée des extrémités d'entrée supérieure et inférieure, qui a fourni une base importante pour l'optimisation structurelle de l'extrémité d'entrée du formation de cavité. En utilisant les résultats de l'analyse de la distribution du champ d'écoulement de l'azote circulant dans la cavité de formage d'origine utilisée dans l'équipement de moulage SLM, nous avons optimisé la distribution du champ d'écoulement en ajustant les structures des extrémités d'entrée supérieure et inférieure de la cavité de formage, y compris le réglage du guide plaque.

Résultats de la simulation de l'écoulement du moule dans la cavité de formage : (a) et (d) sont des diagrammes de distribution de vitesse ; (b) et (e) profils de pression ; (c) et (f) profils de turbulence.

Conformément à la mécanique des fluides et à une analyse des facteurs liés aux performances de la cavité de formage, la turbulence a été déterminée comme étant le principal facteur affectant les performances internes de la cavité de formage. Pour réduire la contamination par la poudre et éviter la pollution sur le verre de protection du scanner galvo par le "smog solide", le flux d'air turbulent du trou circulaire dans la cavité de formage doit être changé en un flux laminaire. Ceci a été réalisé comme suit : la structure d'extrémité d'entrée d'air de la cavité de formage a été ajustée d'un trou circulaire à la forme de la plaque de guidage, et une disposition multicouche a été appliquée. Ensuite, la partie de la plaque de guidage près de l'extrémité d'entrée a été lissée. Ici, nous avons développé deux plans d'optimisation. Dans la conception 1, l'extrémité d'entrée supérieure de la cavité de formage a été conçue avec des plaques de guidage incurvées à deux couches, et les paramètres de conception comprenaient une épaisseur de 1,18 mm, un chanfrein de 0,2 mm (rayon) à la queue, une longueur totale de 15,95 mm, et intervalles supérieurs et inférieurs de 5,09 mm. Le mode d'entrée de l'extrémité d'entrée inférieure est resté inchangé, comme le montre la figure 6b. Dans la conception 2, le mode d'extrémité d'entrée supérieure de la cavité de formage était le même que dans la conception 1. L'extrémité d'entrée inférieure de la cavité de formage a été conçue avec des plaques de guidage incurvées à deux couches, et les paramètres de conception comprenaient une épaisseur de 1,0 mm, Chanfrein de 0,2 mm (rayon) à la queue, longueur totale de 12,95 mm et intervalles supérieur et inférieur de 4,28 mm. Pour éviter le soufflage de poudre, l'intervalle inférieur a été fixé à 5,5 mm et le cadre de fixation des plaques de guidage supérieure et inférieure de la cavité de moulage a été chanfreiné à 0,2 mm sur le côté de la cavité de formage pour réduire la turbulence, comme illustré à la Fig. 6c . Dans les deux plans de conception ci-dessus, les plaques de guidage sont à deux couches pour éviter de souffler la poudre pour former de la poussière en raison du flux d'air local trop fort à l'intérieur de la cavité de formage. Pour une analyse comparative, nous avons établi le modèle structurel original de l'extrémité de sortie du tuyau d'admission d'air d'une imprimante 3D, comme illustré à la Fig. 6a.

Structure d'extrémité de sortie de tuyau d'entrée d'imprimante 3D : (a) Structure d'origine ; (b) Conception d'optimisation 1 ; (c) Conception d'optimisation 2.

Sur la figure 7, la distribution du champ d'écoulement du fluide s'écoulant à travers la cavité de formage est représentée. Sur la figure 7a, la distribution de la vitesse d'écoulement de l'azote à l'extrémité inférieure de la cavité de formage est représentée. Le fluide avait une bonne connectivité dans la cavité de formation et une vitesse d'écoulement élevée à l'extrémité de sortie, avec une vitesse d'écoulement mesurée de 53,05 × 103 mm/s et un débit volumique de 14,01 × 104 mm3/s. La vitesse d'écoulement et le débit volumique étaient légèrement plus élevés qu'avant l'optimisation, ce qui suggère que les gaz résiduaires étaient plus faciles à évacuer de l'intérieur de la cavité de formage, ce qui est propice à la purification de l'air dans la cavité de formage. A en juger par l'état d'écoulement de l'azote dans la cavité de formation, il y avait encore une interférence mutuelle entre les couches d'écoulement de fluide à l'extrémité supérieure du cylindre de poudre, mais la zone de distribution a diminué. La zone de vide avec écoulement est apparue sur le côté gauche et l'extrémité inférieure de la brosse à poudre, ainsi que l'extrémité de la rainure de guidage, qui était similaire sans la plaque de guidage et avait une certaine influence sur l'évacuation du smog solide dans le formation de cavité. Sur la figure 7d, la distribution de la vitesse d'écoulement de l'azote entrant dans la cavité de formation à partir de l'extrémité d'entrée supérieure est représentée. Le fluide supérieur dans la cavité de formage s'écoulait en couches et il n'y avait aucune interférence entre elles après l'ajout de la plaque de guidage. Ainsi, une "zone d'isolement" de "smog solide" et de particules volantes à l'extrémité inférieure du galvo s'est formée, ce qui a éliminé les contaminants adhérant à la surface du verre protecteur du galvo et a assuré que le laser traversait le verre protecteur en douceur. Sur les figures 7b et e, la distribution de pression de l'azote s'écoulant à travers la cavité de formage est représentée. La pression était uniformément répartie dans la cavité de formage et la pression à l'extrémité d'entrée était au maximum, jusqu'à 9 188,76 Pa. La pression a diminué par rapport à l'absence de plaque de guidage, démontrant que l'air s'écoulait sans à-coups. Sur la figure 7c, la distribution de turbulence de l'azote entrant dans la cavité de formation à partir de l'extrémité d'entrée inférieure est représentée. La distribution de l'énergie cinétique turbulente dans la cavité de formation de courant était similaire à celle de la cavité de formation d'origine, et aucun changement significatif n'a été trouvé. Sur la figure 7f, la distribution de la turbulence de l'azote entrant dans la cavité de formation à partir de l'extrémité d'entrée supérieure est représentée. La turbulence était principalement concentrée aux deux extrémités de l'entrée, et aucune turbulence évidente n'a été trouvée à d'autres endroits. De plus, la zone de distribution était plus petite et l'intensité était bien inférieure à celles de la cavité de formation orbitale, ce qui indique que la distribution de fluide dans la cavité de formation a été efficacement améliorée en changeant la plaque de guidage de trou circulaire en forme de feuille. En général, la distribution des fluides dans la cavité de formage a été évidemment améliorée en utilisant le Design 1, mais il y avait encore quelques défauts. Par exemple, la turbulence à l'extrémité inférieure de la cavité de formage et la turbulence aux deux extrémités de l'entrée supérieure de la cavité de formage étaient encore importantes. Les niveaux et zones d'intensité de distribution de turbulence importants aux deux emplacements ci-dessus peuvent être causés par des différences dans les vitesses d'écoulement à l'entrée des extrémités supérieure et inférieure de la cavité de formage et l'absence de chanfrein aux deux extrémités de la plaque de guidage. Ainsi, nous avons encore optimisé le mode d'entrée de la cavité de formage sur la base de ces deux points.

Résultats de la simulation de l'écoulement du moule dans la cavité de formage : (a) et (d) sont des diagrammes de distribution de vitesse ; (b) et (e) profils de pression ; (c) et (f) profils de turbulence.

Sur la figure 8, la distribution du champ d'écoulement du fluide s'écoulant à travers la cavité de formage est représentée. Sur la figure 8a, la distribution de la vitesse d'écoulement de l'azote à l'extrémité inférieure de la cavité de formage est représentée. La cavité de formage avait une bonne connectivité et il y avait une vitesse d'écoulement élevée à l'extrémité de sortie après l'ajout de la plaque de guidage, avec une vitesse d'écoulement mesurée de 53,08 × 103 mm/s et un débit volumique de 19,74 × 104 mm3/s. La vitesse d'écoulement et le débit volumique sont tous deux plus élevés que ceux sans plaque de guidage ajoutée, ce qui suggère que les gaz résiduaires étaient plus faciles à évacuer de l'intérieur de la cavité de formage, ce qui était propice à la purification de l'air dans la cavité de formage. Les plans de distribution et d'optimisation étaient similaires à ceux de Design 1, mais la zone de distribution a considérablement diminué. La zone de vide avec écoulement n'apparaissait que sur le côté gauche de la brosse à poudre, ce qui indiquait que l'ajout de la plaque de guidage était bénéfique pour l'évacuation du smog solide dans la cavité de formage. Sur la figure 8d, la distribution de la vitesse d'écoulement de l'azote entrant dans la cavité de formation à partir de l'extrémité d'entrée supérieure est représentée. La distribution du champ d'écoulement était similaire à celle de la conception 1. Sur les figures 8b et e, la distribution de la pression de l'azote s'écoulant à travers la cavité de formation est illustrée. La pression était uniformément répartie dans la cavité de formage et la pression à l'extrémité d'entrée était au maximum, jusqu'à 9 206,75 Pa, ce qui était cohérent avec la conception 1. Dans la Fig. 8c, la distribution de la turbulence de l'azote entrant dans la cavité de formage à partir du l'extrémité d'entrée inférieure est illustrée. La distribution de l'énergie cinétique turbulente dans la cavité de formation de courant était similaire à celle de la cavité de formation d'origine, et la turbulence est apparue sur le côté gauche de la brosse à poudre et à la sortie de la rainure de guidage. La zone de distribution et la taille ont toutes deux diminué par rapport à la conception 1. Sur la figure 8f, la distribution de la turbulence de l'azote entrant dans la cavité de formation à partir de l'extrémité d'entrée supérieure est illustrée. La turbulence s'est principalement concentrée aux deux extrémités de l'entrée et aucune turbulence évidente n'a été trouvée à d'autres endroits. Après avoir chanfreiné le support de plaque de guidage, la zone de distribution et l'intensité ont considérablement diminué par rapport à la conception 1. En général, la distribution du fluide dans la cavité de formage a été évidemment améliorée en ajoutant la plaque de guidage aux entrées supérieure et inférieure de la cavité de formage, ce qui contribué à la décharge de "smog solide" et évité de polluer la vitre de protection du scanner galvo.

Résultats de la simulation de l'écoulement du moule dans la cavité de formage : (a) et (d) sont des diagrammes de distribution de vitesse ; (b) et (e) profils de pression ; (c) et (f) profils de turbulence.

Différents placements et méthodes d'ajout de support lors de l'impression 3D de pièces entraîneront différentes quantités d'ajouts de support et d'épaisseurs de couche de formation de pièces, ce qui influence directement la qualité de la forme et l'efficacité de formation des pièces. Lors de l'utilisation de la technologie FDM pour fabriquer des plaques de guidage incurvées, le support et le substrat sont placés en parallèle pour améliorer l'efficacité du traitement. Compte tenu de la grande section d'usinage, la température de préchauffage du substrat et l'ajout de 25% de supports peuvent être augmentés de manière appropriée pour réduire la concentration de contraintes et éviter les déformations de flambage. Lors de l'utilisation de la technologie SLM pour façonner la plaque de guidage incurvée, des études antérieures sur le placement et le mode d'ajout de support des pièces formées SLM ont révélé que le plan du support de plaque de guidage doit être incliné de 55° par rapport au plan de référence d'usinage pour éviter un usinage important. section, réduire la concentration de stress et ajouter plusieurs supports (Zhang et al.19). De plus, pour mieux comprendre les risques d'usinage des plaques de guidage courbes, nous avons analysé les risques d'usinage à l'aide du logiciel Magics 22.0 (Fig. 9a). Selon la figure 9a, les risques d'usinage des plaques de guidage incurvées à base de SLM sont principalement apparus dans les extrémités inférieure et supérieure du support de plaque de guidage, alors que les risques d'usinage n'ont pas été détectés à d'autres endroits. Ainsi, les exigences d'usinage ont été satisfaites. Nous avons ajouté un support de ligne à la plaque de guidage incurvée complétée après l'analyse des risques d'usinage, et les résultats de l'ajout de support sont illustrés à la Fig. 9b. Selon la figure 9b, l'ajout de support pour la plaque de guidage incurvée s'est principalement concentré sur les parties non critiques dans lesquelles le support était facile à retirer, et la quantité d'ajout de support était faible. De plus, le niveau de déchets de poudre était faible. Ceux-ci sont conformes aux principes d'ajout de support des pièces formées par SLM. En outre, sur la base de l'expérience antérieure, la ligne de balayage d'une section transversale de la plaque de guidage formée par SLM doit être longue et la hauteur des pièces doit être élevée. De plus, l'accumulation de contraintes était importante et la contractilité était importante, ce qui pouvait entraîner des déformations de flambage. Nous avons ajouté des supports mixtes (supports coniques et linéaires) au bas du support de plaque de guidage pour améliorer la force de liaison entre le support de plaque de guidage et la plaque de référence, comme illustré à la Fig. 9b.

Technologie de traitement du déflecteur incurvé formé par SLM : (a) traitement de l'analyse des risques ; (b) Placement et ajout de support.

La plaque de guidage incurvée formée par FDM est représentée sur la figure 10a. La morphologie globale de la plaque de guidage incurvée formée par FDM avait un lissé de surface élevé et une structure claire, sans déformations de flambage évidentes ni défauts de formation. Après un traitement de surface, la plaque de guidage incurvée a été placée dans une imprimante 3D métallique GYD 150 pour tester la correspondance, et il a été constaté que la plaque de guidage incurvée formée par FDM correspondait étroitement à l'extrémité d'entrée du conduit d'air de l'imprimante 3D et la vis trou de fixation était dans une position correcte, répondant aux exigences d'assemblage. Celles-ci constituent la base de l'impression 3D de plaques de guidage incurvées en métal. La plaque de guidage incurvée formée par SLM est représentée sur la figure 10b. La morphologie globale de la plaque de guidage incurvée a montré une surface brillante et une bonne texture métallique, et les cadres structuraux étaient bien connectés, sans déformations de flambage évidentes ou défauts de formation. Cependant, des scories adhérentes avec une directivité claire sont apparues à l'extrémité inférieure du support de plaque de guidage. La quantité de scories adhérentes n'était pas grande. Après le traitement, l'utilisation n'a pas été affectée. La raison de l'adhérence des scories peut être liée au fait que le plan du support de plaque de guidage est incliné de 55° par rapport au plan de référence d'usinage. La rugosité de surface de la plaque de guidage incurvée formée par SLM a été testée et la rugosité de surface était de 11 µm. Après sablage et polissage, elle était de 3 µm, répondant aux exigences d'utilisation. Après un traitement de surface, la plaque de guidage incurvée a été placée dans une imprimante 3D métallique GYD 150 pour tester la correspondance, et la plaque de guidage incurvée correspondait étroitement à l'extrémité d'entrée du conduit d'air de l'imprimante 3D. La plaque de guidage supérieure a été fixée à une position appropriée à l'aide de vis, et la plaque de guidage inférieure a été fixée et étroitement assortie en utilisant la méthode de collage pour éviter d'obstruer l'entrée d'air avec de la "fumée solide" et des éclaboussures de particules. Cela indiquait que les performances correspondantes de la plaque de guidage incurvée conçue satisfaisaient aux exigences d'utilisation.

Effet et résultats des tests de correspondance du déflecteur incurvé imprimé en 3D : (a) moulage par technologie FDM ; (b) moulage par technologie SLM.

Le test de composition des pièces formées par la plaque de guidage incurvée ayant différentes structures à l'extrémité d'entrée de l'équipement SLM est illustré dans le tableau 2, et la ligne d'erreur de test est illustrée sur la figure 11. Selon la figure 11, la ligne d'erreur de l'histogramme représentant le fer est plus long que les autres, mais il reste dans la plage autorisée. Par conséquent, il est fiable d'utiliser les valeurs moyennes des éléments mesurés plusieurs fois pour représenter le contenu des différents éléments. Il a été constaté en comparant les tableaux 1 et 2 que l'impureté poussière produite lors du formage des pièces par SLM était principalement du niobium (Nb). La composition peut résulter de la pulvérisation de poudre lorsque le laser agit sur la poudre métallique. Il a été constaté en comparant les compositions de poussière dans le tableau 2 que les pièces formées par des plaques de guidage avec des structures différentes à l'extrémité d'entrée de l'équipement SLM ont fondamentalement les mêmes compositions, la principale différence étant la teneur en Nb. La teneur moyenne en Nb de la plaque de guidage (conception 1) était de 0,25 %, alors qu'elle était de 0,15 % après une optimisation supplémentaire (conception 2), ce qui indique qu'il existe une meilleure répartition interne du champ d'écoulement et que la qualité des pièces formées est supérieure , après que la structure de l'extrémité d'entrée de l'équipement SLM a été optimisée. Ce résultat a vérifié les résultats précédents de l'analyse de simulation de champ d'écoulement sur l'équipement SLM.

Lignes d'erreur de mesure.

Dans cette étude, une analyse de simulation de flux de moulage a été utilisée pour analyser les avantages et les inconvénients de la distribution interne du champ d'écoulement des équipements SLM actuels. La distribution inégale du champ d'écoulement était principalement liée à la conception structurelle déraisonnable des extrémités d'entrée supérieure et inférieure après l'optimisation de la conception de la rainure de guidage. Le plan d'optimisation suivant a été déterminé : la structure d'extrémité d'entrée d'air de la cavité de formage a été ajustée d'un trou circulaire à une forme de plaque de guidage, et une disposition multicouche a été appliquée. La plaque de guidage près de l'extrémité d'entrée a également été lissée.

La turbulence de la plaque de guidage incurvée dans la conception 2 était principalement concentrée aux deux extrémités de l'entrée, et aucune turbulence évidente n'a été trouvée à d'autres endroits. Après chanfreinage du support de plaque de guidage, la zone de distribution et l'intensité ont considérablement diminué, ce qui a contribué à la décharge de "smog solide" et a évité de polluer le verre de protection du scanner galvo. Lorsque SML a été utilisé pour former la plaque de guidage, le plan du support de plaque de guidage était incliné de 55° par rapport au plan de référence d'usinage, ce qui évitait de produire une grande section d'usinage, réduisait la concentration de contraintes et ajoutait plusieurs supports.

Après un traitement de surface, la plaque de guidage incurvée a été placée dans une imprimante 3D métallique GYD 150 pour tester la correspondance, et la plaque de guidage incurvée correspondait étroitement à l'extrémité d'entrée du conduit d'air de l'imprimante 3D. La plaque de guidage supérieure a été fixée à une position appropriée à l'aide de vis. Les pièces formées par des plaques de guidage ayant des structures différentes à l'extrémité d'entrée de l'équipement SLM avaient fondamentalement la même composition, et la principale différence résidait dans la teneur en Nb. La teneur moyenne en Nb de la plaque de guidage Design 1 était de 0,25 %, et après une optimisation supplémentaire (Design 2), la teneur moyenne en Nb était de 0,15 %.

Pour optimiser davantage le champ d'écoulement interne de l'équipement de moulage SLM, des expériences de suivi sont nécessaires, telles que la détermination du mode d'ajustement structurel pour la brosse à poudre interne de l'équipement de moulage SLM et le réglage de la courbure du tuyau de guidage, pour jeter les bases du utilisation du SLM pour fabriquer directement des pièces performantes.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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L'étude a été financée par les principaux projets de recherche scientifique des collèges et universités de la province du Henan (22A460006) et les fonds de démarrage pour les talents de haut niveau de l'Université normale de Zhoukou (ZKNUC 72019).

École de génie mécanique et électrique, Université normale de Zhoukou, Henan, Zhoukou, 466000, République populaire de Chine

Zhang Guoqing, Li Junxin, Zhou Xiaoyu et Zhou Yongsheng

École de génie mécanique et automobile, Université de technologie de Chine du Sud, Guangzhou, Guangdong, 510640, République populaire de Chine

Wang Anmin

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J'ai apporté des contributions substantielles à la conception ou à la conception de l'œuvre ; ou l'acquisition, l'analyse ou l'interprétation de données pour le travail ; et j'ai rédigé le travail ou l'ai révisé de manière critique pour un contenu intellectuel important ; et j'ai approuvé la version finale à publier ; et j'accepte d'être responsable de tous les aspects du travail en veillant à ce que les questions liées à l'exactitude ou à l'intégrité de toute partie du travail soient étudiées et résolues de manière appropriée. ZG et LX ont terminé la conception du déflecteur incurvé. ZX, ZY et WA ont terminé la fabrication et l'analyse du déflecteur incurvé. Tous les auteurs ont participé à la préparation de l'article et ont approuvé l'article final. En outre, ce travail a été soutenu par le Centre d'analyse et de test de ZKNUC pour la réalisation d'analyses. Toutes les personnes qui ont apporté une contribution substantielle au travail rapporté dans le manuscrit, y compris celles qui ont fourni une assistance à l'édition et à la rédaction mais qui ne sont pas des auteurs, sont nommées dans la section Remerciements du manuscrit et ont donné leur autorisation écrite d'être nommées. Si le manuscrit ne comprend pas de remerciements, c'est parce que les auteurs n'ont pas reçu de contributions substantielles de non-auteurs.

Correspondance avec Zhang Guoqing.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Guoqing, Z., Junxin, L., Xiaoyu, Z. et al. Conception optimisée et facteurs clés de performance d'un système de filtration à circulation de gaz dans une imprimante 3D métal. Sci Rep 12, 14267 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18524-x

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Reçu : 12 mars 2022

Accepté : 16 août 2022

Publié: 22 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-18524-x

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