精益研发 SLM金属3D打印机的动密封仿真分析

谈到选区激光金属熔化3D打印（市场上将其称为SLM， DMLS技术） ，目前在市场上获得产业化的应用包括GE的喷油嘴，西门子的叶片，宝马i8 Roadster电动汽车上的支架等零件。

选区激光金属熔化3D打印技术在高附加值和个性化零件的制造方面具备很大的发展潜力，从合金的结晶控制，到零件的精密性和复杂性实现，3D打印不仅仅推动了工业再设计，还在零件生产和零件修复过程中节约了生产资源，并通过提高最终产品的性能，带来更大的产品生命周期价值。

那么激光熔化金属3D打印机要制造出更加合格的产品来，除了加强对金属3D打印工艺的前馈控制和过程中控制能力，能不能通过提高选区激光熔化金属3D打印设备的可靠性来最终获得产品质量的提升呢？

通过安世亚太基于Workbench的选区激光熔化金属3D打印机在常温工况下的动密封仿真分析来分享仿真在金属3D打印设备开发方面的作用。

图片：获得产业化应用的选区激光熔化金属3D打印技术

密封的重要性

选区激光熔化金属3D打印的过程首先是铺粉器将金属粉末铺至打印平台，然后激光器根据打印路径将金属粉末融化完成一层的打印，每完成一层的打印后，打印平台会下降一个层高的高度，直至形成一个完整的三维零部件，整个打印过程都在惰性气体环境中进行。

选区激光熔化金属3D打印机是一套较为复杂的系统，主要有机械单元、光路单元、控制单元、工艺软件和保护气密性单元等组成。而密封在选区激光熔化金属3D打印机上应用较多，比如整个打印室的气密性、打印平台的密封等。

密封一般分为静密封和动密封，静密封指的是被密封部位的两个偶合件之间不存在相对运动的密封；而动密封指的是被密封部位的两个偶合件之间存在相对运动的密封，动密封一般又分为旋转式动密封和往复运动式动密封。

选区激光熔化金属3D打印机的打印平台动密封设计是整个密封设计的重中之重，同时也是一个难点问题。如果打印平台的动密封设计不好，会严重影响金属3D打印机的打印质量和打印效果，同时也会影响密封圈的使用寿命。打印平台密封圈的更换是一项非常费时费力且较为繁琐的工作，因此对选区激光熔化金属3D打印机打印平台的动密封设计提出了更高的设计要求。

模型的建立

某型号的选区激光熔化金属3D打印机的打印平台的剖面图见图1所示，打印平台结构主要有成型缸、打印台、打印连接托板、活塞基板以及密封圈等组成。

图1 选区激光熔化金属3D打印机的打印平台剖面图及动密封局部结构剖面图

为了减小计算的工作量，本次计算模型采用2-D平面计算，对选区激光熔化金属3D打印机打印平台进行XOY平面内进行剖面处理，同时对本次计算的无关紧要的部件进行忽略处理。为加快模型计算收敛，只截取密封件周边部分结构进行分析。为了保证后期的计算收敛性，将成型缸沿着Y轴左移2mm，即将密封件与成型缸之间由原来的过盈配合改为了间隙配合，后期再计算的第一个载荷步将成型缸沿着Y轴右移2mm，模拟密封件与成型缸的装配实际关系，这样保证了仿真模型和实际的物理模型是吻合的。

动密封结构有限元模型建立

由于本次计算模型为2D平面结构，网格模型以四边形单元为主，部分网格为三角形单元，钢结构部件网格大小以0.8mm来划分网格，密封圈的网格大小为0.7mm，同时为保证计算能更好地收敛，对接触部位的网格进行了细化。密封结构模型共有17695个单元，36124个节点，具体见图2所示。

图2 选区激光熔化金属3D打印平台密封结构及密封圈局部网格模型

整个有限元模型根据实际情况要建立合理的接触关系，摩擦接触和绑定接触。

仿真模型中零部件所用的材料主要是316不锈钢和氟胶，316不锈钢采用Workbench材料库中的材料参数进行计算，而氟胶采用Mooney-Rivlin模型进行模拟，Mooney-Rivlin模型是一个比较常用的模型，适合于中小变形，一般适用于应变约为100%（拉伸）和30%（压缩）的情况。

工况说明：在常温下，动密封分析工况分三个载荷步进行加载，首先完成密封圈与成型缸的预变形，其次考虑成型室作用到密封圈的上压力，最后整个打印平台在成型缸内进行上下移动。

仿真“洞悉”密封方案优缺点

1. 强度分析结果

通过仿真计算后，我们可以获得密封圈的最大应力为2.87MPa，并且最大应力位于密封圈与上部弹簧片的顶端接触位置，这是密封圈受到挤压后作用到U型弹簧片上造成的，具体可参见图3所示。

图3 密封圈的应力结果云图及局部最大应力放大图

2. 接触面积分析结果

密封圈被挤压后，密封圈与成型缸之间的接触面积大小对密封效果起到很大的影响。密封圈1~4齿接触区域长度分别为0.6mm、0.9mm、0.8mm和0.5mm，具体可参见图4所示。弹簧片可以有效地增大密封圈与成型缸的接触面积，有利于密封效果的改善。

图4 密封圈1~4齿的接触区域长度

3. 接触压力分析结果

接触面上的接触压力也是影响密封好坏的重要因素。密封圈与成型缸的最大接触压力为0.75MPa，位于第一个齿尖处，说明第一道密封的密封效果较好，能够有效地阻止金属颗粒进入密封圈内，具体参见图5所示。

图5 密封圈与成型缸接触压力

通过CAE仿真分析手段，我们能够快速获得选区激光熔化金属3D打印机打印平台动密封设计方案的相关性能参数，通过对性能参数的对比分析，了解不同动密封设计方案的优缺点，并对方案进行修改完善，选出最优的设计方案，可以大大缩短整个产品的研发周期，降低产品的研发费用。

作者：李新路