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談到選區雷射金屬熔化3D列印（市場上將其稱為SLM， DMLS技術） ，目前在市場上獲得產業化的應用包括GE的噴油嘴，西門子的葉片，BMWi8 Roadster電動汽車上的支架等零件。
選區雷射金屬熔化3D列印技術在高附加值和個性化零件的製造方面具備很大的發展潛力，從合金的結晶控制，到零件的精密性和複雜性做到，3D列印不僅僅推動了工業再設計，還在零件生產和零件修復過程中節約了生產資源，並通過提高最終產品的性能，帶來更大的產品生命周期價值。
那麼雷射熔化金屬3D列印機要製造出更加合格的產品來，除了加強對金屬3D列印工藝的前饋控制和過程中控制能力，能不能通過提高選區雷射熔化金屬3D列印設備的可靠性來最終獲得產品質量的提升呢？
通過安世亞太基於Workbench的選區雷射熔化金屬3D列印機在常溫工況下的動密封仿真分析來分享仿真在金屬3D列印設備開發方面的作用。
圖片：獲得產業化應用的選區雷射熔化金屬3D列印技術
密封的重要性
選區雷射熔化金屬3D列印的過程首先是鋪粉器將金屬粉末鋪至列印平台，然後雷射器根據列印路徑將金屬粉末融化完成一層的列印，每完成一層的列印後，列印平台會下降一個層高的高度，直至形成一個完整的三維零部件，整個列印過程都在惰性氣體環境中進行。
選區雷射熔化金屬3D列印機是一套較為複雜的系統，主要有機械單元、光路單元、控制單元、工藝軟件和保護氣密性單元等組成。而密封在選區雷射熔化金屬3D列印機上應用較多，比如整個列印室的氣密性、列印平台的密封等。
密封一般分為靜密封和動密封，靜密封指的是被密封部位的兩個偶合件之間不存在相對運動的密封；而動密封指的是被密封部位的兩個偶合件之間存在相對運動的密封，動密封一般又分為旋轉式動密封和往復運動式動密封。
選區雷射熔化金屬3D列印機的列印平台動密封設計是整個密封設計的重中之重，同時也是一個難點問題。如果列印平台的動密封設計不好，會嚴重影響金屬3D列印機的列印質量和列印效果，同時也會影響密封圈的使用壽命。列印平台密封圈的更換是一項非常費時費力且較為繁瑣的工作，因此對選區雷射熔化金屬3D列印機列印平台的動密封設計提出了更高的設計要求。
模型的建立
某型號的選區雷射熔化金屬3D列印機的列印平台的剖面圖見圖1所示，列印平台結構主要有成型缸、列印台、列印連接托板、活塞基板以及密封圈等組成。
圖1 選區雷射熔化金屬3D列印機的列印平台剖面圖及動密封局部結構剖面圖
為了減小計算的工作量，本次計算模型採用2-D平面計算，對選區雷射熔化金屬3D列印機列印平台進行XOY平面內進行剖面處理，同時對本次計算的無關緊要的部件進行忽略處理。為加快模型計算收斂，只截取密封件周邊部分結構進行分析。為了保證後期的計算收斂性，將成型缸沿著Y軸左移2mm，即將密封件與成型缸之間由原來的過盈配合改為了間隙配合，後期再計算的第一個載荷步將成型缸沿著Y軸右移2mm，模擬密封件與成型缸的裝配實際關係，這樣保證了仿真模型和實際的物理模型是吻合的。
動密封結構有限元模型建立
由於本次計算模型為2D平面結構，網格模型以四邊形單元為主，部分網格為三角形單元，鋼結構部件網格大小以0.8mm來劃分網格，密封圈的網格大小為0.7mm，同時為保證計算能更好地收斂，對接觸部位的網格進行了細化。密封結構模型共有17695個單元，36124個節點，具體見圖2所示。
圖2 選區雷射熔化金屬3D列印平台密封結構及密封圈局部網格模型
整個有限元模型根據實際情況要建立合理的接觸關係，摩擦接觸和綁定接觸。
仿真模型中零部件所用的材料主要是316不銹鋼和氟膠，316不銹鋼採用Workbench材料庫中的材料參數進行計算，而氟膠採用Mooney-Rivlin模型進行模擬，Mooney-Rivlin模型是一個比較常用的模型，適合於中小變形，一般適用於應變約為100%（拉伸）和30%（壓縮）的情況。
工況說明：在常溫下，動密封分析工況分三個載荷步進行加載，首先完成密封圈與成型缸的預變形，其次考慮成型室作用到密封圈的上壓力，最後整個列印平台在成型缸內進行上下移動。
仿真「洞悉」密封方案優缺點
1. 強度分析結果
通過仿真計算後，我們可以獲得密封圈的最大應力為2.87MPa，並且最大應力位於密封圈與上部彈簧片的頂端接觸位置，這是密封圈受到擠壓後作用到U型彈簧片上造成的，具體可參見圖3所示。
圖3 密封圈的應力結果雲圖及局部最大應力放大圖
2. 接觸面積分析結果
密封圈被擠壓後，密封圈與成型缸之間的接觸面積大小對密封效果起到很大的影響。密封圈1~4齒接觸區域長度分別為0.6mm、0.9mm、0.8mm和0.5mm，具體可參見圖4所示。彈簧片可以有效地增大密封圈與成型缸的接觸面積，有利於密封效果的改善。
圖4 密封圈1~4齒的接觸區域長度
3. 接觸壓力分析結果
接觸面上的接觸壓力也是影響密封好壞的重要因素。密封圈與成型缸的最大接觸壓力為0.75MPa，位於第一個齒尖處，說明第一道密封的密封效果較好，能夠有效地阻止金屬顆粒進入密封圈內，具體參見圖5所示。
圖5 密封圈與成型缸接觸壓力
通過CAE仿真分析手段，我們能夠快速獲得選區雷射熔化金屬3D列印機列印平台動密封設計方案的相關性能參數，通過對性能參數的對比分析，了解不同動密封設計方案的優缺點，並對方案進行修改完善，選出最優的設計方案，可以大大縮短整個產品的研發周期，降低產品的研發費用。
作者：李新路