CN109829184A - 3d打印系统吸气口管道结构及其优化设计方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于3D打印技术领域，提供了一种3D打印系统吸气口管道结构及其优化设计方法、装置。该吸气口管道结构优化设计方法为：获取3D打印系统当前吸气口管道的流场空间模型；利用流场空间模型，建立当前吸气口管道的气体动力学分析模型；对气体动力学分析模型进行计算，得到对应的流场空间内气体流动速度迹线分布；当气体流动速度迹线分布满足预设条件时，确定当前吸气口管道为优化后的吸气口管道结构；当气体流动速度迹线分布不满足预设条件时，对当前吸气口管道的结构进行改进，并返回获取3D打印系统当前吸气口管道的流场空间模型的步骤。本发明通过仿真技术优化获得3D打印系统吸气口管道的优化结构，提升了设计效率，节约了成本。

Description

3D打印系统吸气口管道结构及其优化设计方法、装置

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，尤其涉及一种3D打印系统吸气口管道结构及其优化设计方法、装置。

背景技术

激光3D打印技术为制造业带来了革命性的改变，其应用已经从快速成型进入到了实际产品制造领域。铺粉式金属激光3D打印通过机械方式将金属粉末在腔体的打印区域铺上薄薄的一层，激光在指定区域进行“选区熔化”，进而形成所需的功能零件。整个打印过程在通有惰性保护气体的密封腔室中进行，通过铺粉轴进气嘴吹入保护气体防止在打印过程中高温金属接触空气氧化形成缺陷。同时，在打印过程中会通过吸气口将打印产生的烟尘吸出腔体，避免烟尘腾起后造成打印件的损坏，并且此类重金属、微细烟尘往往是有害的或有毒的，因此需要及时从腔室内排出。如果吸气口位置摆放不正确或者结构不合理，在同进气嘴的配合中会产生失效性，导致烟尘无法及时排出，影响打印质量，造成环境污染并危害操作人员的健康。

因此，在铺粉式金属激光3D打印系统中需要对打印过程产生的烟尘进行及时排出及处理。在设计过程中，吸气口的结构必须合理有效才能够起到良好的作用。而传统的吸气口管道结构设计需要多次的实测以及修正才能确定较优的结构设计方案，设计效率低，并且成本高。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于提供一种3D打印系统吸气口管道结构及其优化设计方法、装置，旨在解决现有技术中的吸气口管道结构设计需要多次实测以及修正所存在的设计效率低及成本高的问题。

本发明实施例是这样实现的，提供一种3D打印系统吸气口管道结构优化设计方法，包括如下步骤：

获取3D打印系统当前吸气口管道的流场空间模型；

根据所述流场空间模型，建立所述当前吸气口管道的气体动力学分析模型；

对所述气体动力学分析模型进行计算，得到对应的流场空间内气体流动速度迹线分布；

当所述流场空间内气体流动速度迹线分布满足预设条件时，确定所述当前吸气口管道为优化后的吸气口管道结构；

当所述流场空间内气体流动速度迹线分布不满足所述预设条件时，对所述当前吸气口管道的结构进行改进；

依次重复执行获取所述流场空间模型、建立所述气体动力学分析模型以及对所述气体动力学分析模型进行计算，得到流场空间内气体流动速度迹线分布的步骤，直至流场空间内气体流动速度迹线分布符合所述预设条件。

进一步地，所述根据所述流场空间模型，建立所述当前吸气口管道的气体动力学分析模型的步骤包括；

在所述流场空间模型上划分流体网格；

获取流体的材料属性、模型参数及边界条件；

根据所述流体网格、所述材料属性、所述模型参数及所述边界条件建立所述当前吸气口管道的气体动力学分析模型。

进一步地，所述材料属性包括所述流体的密度和粘度，所述模型参数包括基于压力求解器、稳态模型和标准湍流模型，所述边界条件包括所述当前吸气口管道的吸气口所在面的进气压力边界条件及所述当前吸气口管道的出气口所在面的出气压力边界条件。

进一步地，所述对所述气体动力学分析模型进行计算，得到对应的流场空间内气体流动速度迹线分布的步骤包括：

对所述气体动力学分析模型进行计算，直至所述气体动力学分析模型收敛；

提取所述气体动力学分析模型收敛时的流场空间内气体流动速度迹线分布。

本发明实施例还提供一种应用上述优化设计方法设计的3D打印系统吸气口管道结构，其包括管道本体、吸气口、出气口以及若干导流板，所述的若干导流板相互间隔地设置于所述管道本体内，所述吸气口和出气口分别设置于所述管道本体的两个相邻端部，所述吸气口与所述出气口之间通过所述导流板导向连通。

进一步地，所述导流板包括相互连接的第一导流板和第二导流板，所述第一导流板与第二导流板之间的夹角大于90度，所述第一导流板与所述吸气口所在平面之间的夹角小于90度。

进一步地，所述第一导流板与第二导流板之间的夹角为120度，所述第一导流板与所述吸气口所在平面之间的夹角为60度。

本发明实施例还提供一种3D打印系统吸气口管道结构优化设计装置，包括：

模型获取模块，用于获取当前吸气口管道的流场空间模型；

模型建立模块，用于根据所述流场空间模型，建立所述当前吸气口管道的气体动力学分析模型；

模型计算模块，用于对所述气体动力学分析模型进行计算，得到对应的流场空间内气体流动速度迹线分布；

确定模块，用于当所述流场空间内气体流动速度迹线分布满足预设条件时，确定所述当前吸气口管道为优化后的吸气口管道结构；

管道优化改进模块，用于当所述流场空间内气体流动速度迹线分布不满足所述预设条件时，对所述当前吸气口管道的结构进行改进；

所述模型获取模块、模型建立模块和模型计算模块依次重复执行获取所述流场空间模型、建立所述气体动力学分析模型以及对所述气体动力学分析模型进行计算，得到流场空间内气体流动速度迹线分布的步骤，直至流场空间内气体流动速度迹线分布符合所述预设条件。

进一步地，所述模型建立模块包括：

网格划分单元，用于在所述流场空间模型上划分流体网格；

参数获取单元，用于获取流体的材料属性、模型参数及边界条件；

模型建立单元，用于根据所述流体网格、所述材料属性、所述模型参数及所述边界条件建立所述吸气口管道的气体动力学分析模型。

进一步地，所述装置还包括模型收敛计算模块；

所述模型收敛计算模块，用于所述对所述气体动力学分析模型进行计算，直至所述气体动力学分析模型收敛；

所述模型计算模块，用于提取所述气体动力学分析模型收敛时的流场空间内气体流动速度迹线分布。

本发明实施例与现有技术相比，有益效果在于：本发明的3D打印系统吸气口管道结构优化设计方法及装置，通过获取3D打印系统当前吸气口管道的流场空间模型:利用流场空间模型，建立当前吸气口管道的气体动力学分析模型:对气体动力学分析模型进行计算，得到对应的流场空间内气体流动速度迹线分布:当气体流动速度迹线分布满足预设条件时，确定当前吸气口管道为优化后的吸气口管道结构。如此，通过气体动力学分析软件仿真设计与调整模型结构参数，根据仿真结果不断优化即可获得3D打印系统吸气口管道的优化结构，无需通过实际工艺做出各种不同的吸气口管道结构后经过多次实际测试验证其效果，提升了设计效率，并且节约了成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的3D打印系统吸气口管道结构优化设计方法的流程图；

图2是图1中的建立当前吸气口管道的气体动力学分析模型的具体步骤流程图；

图3是图1中的对气体动力学分析模型进行计算，得到流场空间内气体流动速度迹线分布的具体步骤流程图；

图4是应用本发明实施例提供的3D打印系统吸气口管道结构优化设计方法设计的吸气口管道结构示意图；

图5是图4所示的吸气口管道结构横向剖切后的剖视结构示意图；

图6为本发明实施例的初始的未增加导流板的吸气口管道结构流场空间内气体流动速度迹线分布示意图；

图7为本发明实施例的改进后的增加导流板的吸气口管道结构流场空间内气体流动速度迹线分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明实施例提供的一种3D打印系统吸气口管道结构优化设计方法，其包括如下步骤：

S100：获取3D打印系统当前吸气口管道的流场空间模型。

上述的3D打印系统具体为铺粉式金属激光3D打印系统，当前吸气口管道为优化过程中的一种初始的吸气口管道，流场空间模型为系统气路管道的三维模型。工作时，当前吸气口管道结构的出气口通过管道等装置连接抽风机，在抽风机的作用下，将3D打印过程中产生的重金属、烟尘等通过吸气口管道结构的吸气口吸入吸气口管道内，并从吸气口管道结构的出气口排出至处理装置。

S200:根据上述的流场空间模型，建立上述的当前吸气口管道的气体动力学分析模型。

在获取的流场空间模型的基础上，建立当前吸气口管道的气体动力学分析模型，具体为通过气体动力学分析软件，以流场空间模型为基础，建立整个吸气口管道的气体动力学分析模型。

S300：对气体动力学分析模型进行计算，得到流场空间内气体的流动速度迹线分布。

利用气体动力学分析软件对气体动力学分析模型进行计算，得到流场空间内的气体流动速度迹线分布。具体地，将离散的气体动力学模型导入气体动力学分析软件中进行相应的参数设置后，对气体动力学分析模型进行迭代计算，直至气体动力学模型收敛。气体动力学分析模型的收敛条件具体包括：气体动力学分析模型的连续性方程的残差值小于0.001；吸气口和出气口的质量流量差值小于1％；出气口处的速度值变化未见明显波动，逐渐趋于平缓。

S401:当流场空间内气体流动速度迹线分布满足预设条件时，确定当前吸气口管道为优化后的吸气口管道结构。

预设条件为气体动力学分析软件设定的气流从吸气口管道结构出气口被抽走的流量与速度参数，即流场空间内气体流动速度迹线分布未有明显的紊乱上升气流，通过气体流动速度迹线分布研究气流的流动方向，从而实现对吸气口管道的结构优化，如果两者的结构不合理，就会出现有明显上卷的紊乱气流。

S402:当流场空间内气体流动速度迹线分布不满足预设条件时，对当前吸气口管道的结构进行改进，依次重复执行获取流场空间模型、建立气体动力学分析模型以及对气体动力学分析模型进行计算，得到流场空间内气体流动速度迹线分布的步骤，直至流场空间内气体流动速度迹线分布符合上述的预设条件。

当流场空间内气体流动速度迹线分布不满足预设条件时，说明当前吸气口管道无法有效排出气体，未达到优化效果，需要对当前吸气口管道再次进行改进。改进后，返回获取3D打印系统当前吸气口管道的流场空间模型的步骤，直至当气体流动速度迹线分布满足预设条件时，确定当前吸气口管道为优化后的吸气口管道结构。此过程需进行迭代执行，逐步优化。

综上所述，上述的3D打印系统吸气口管道结构优化设计方法为，获取当前吸气口管道的流场空间模型；根据流场空间模型，建立当前吸气口管道的气体动力学分析模型；对气体动力学分析模型进行计算，得到流场空间内气体流动速度迹线分布；当流场空间内气体流动速度迹线分布满足预设条件时，确定当前吸气口管道为优化后的吸气口管道结构。如此，通过气体动力学分析软件仿真设计与调整模型结构参数，根据仿真结果不断优化即可获得该铺粉式金属激光3D打印系统吸气口管道结构的优化设计，无需通过实际工艺做出各种不同的吸气口管道结构，再经过多次实际测试验证其效果，其设计效率高，并且节约了大量工艺制作及测试成本。

请参阅图2所示，上述根据流场空间模型，建立当前吸气口管道的气体动力学分析模型的具体步骤包括：

S201:在流场空间模型上划分流体网格。

S202:获取流体的材料属性、模型参数及边界条件。

S203:根据流体网格、材料属性、模型参数及边界条件建立当前吸气口管道的气体动力学分析模型。

在上述实施例中，材料属性包括流体的密度和粘度；模型参数包括基于压力求解器、稳态模型和标准湍流模型；边界条件包括当前吸气口管道的吸气口所在面的进气压力边界条件，当前吸气口管道的出气口所在面的出气压力边界条件。

所采用的气体为氮气，其属性的密度为1.138Kg/m3(千克每立方米)；粘度为1.663e-05Kg/m·s(千克每米秒)。

求解器采用默认的基于压力的算法；稳态模型可以为默认的稳态分析模型；湍流模型设为标准k-ε湍流模型。

定义气体压力进口0.12atm，气体压力出口0.11atm。在具体的实施例中，边界条件还包括壁面边界条件。

请参阅图3所示，上述对气体动力学分析模型进行计算，得到流场空间内气体流动速度迹线分布的具体步骤包括：

S301:对气体动力学分析模型进行计算，直至气体动力学分析模型收敛。

在气体动力学分析软件中提交分析模型进行计算，直至气体动力学分析模型收敛。

S302:获取气体动力学分析模型收敛时的流场空间内气体流动速度迹线分布。

气体动力学分析模型收敛后，对迭代的流场结果进行后处理，通过气体动力学分析软件选取入口和出口面，获取整个流场空间内气体的流动速度迹线分布。同时，分析铺粉室内吸气口处的气流流动情况。

上述流动速度迹线分布中的迹线在流体力学中被定义为流体质点在空间运动过程中描绘出来的曲线，需要利用流动迹线(迹线有各种表示方式，本实施例选取速度迹线)来作为优化的依据，流动迹线反映流动趋势，若不满足要求，即为吸气口管道未起到有效地吸走烟尘的作用，则需要多次进行修改来保证流动迹线的流动趋势满足要求，以达到优化设计的吸气口管道结构。

如图4与图5所示，是上述3D打印系统吸气口管道结构优化设计方法设计的吸气口管道结构，该吸气口管道结构1包括管道本体11、吸气口12、出气口13以及若干导流板，若干导流板相互间隔地设置于管道本体11内，吸气口12和出气口13分别设置于管道本体11的两个相邻端部，吸气口12与出气口13之间通过导流板导向连通。具体地，吸气口12呈矩形结构，该吸气口12处于3D打印系统铺粉室与进气嘴相对的一侧，与铺粉室流场连通；出气口13通过管道连接处理装置，该导流板包括相互连接的第一导流板14和第二导流板15，若干第一导流板14等间距地设置于吸气口12处，第一导流板14与第二导流板15之间的夹角大于90度，第一导流板14与吸气口12所在平面之间的夹角小于90度。在本实施例中，第一导流板14与第二导流板15之间的夹角呈120度，第一导流板14与吸气口12所在平面之间的夹角呈60°角位置摆放，该夹角的角度为最优摆放角度，在吸气口12处等距摆放五组导流板。

工作时，出气口13通过管道等装置连接抽风机，在抽风机的作用下，将3D打印过程中产生的重金属、烟尘等通过吸气口12吸入管道本体11内，在导流板的引导下将其从铺粉室排出至处理装置。

图6是初始的未增加导流板的吸气口管道结构流场空间内气体流动速度迹线分布示意图，由于初始吸气口管道结构的不当，由进气嘴进入铺粉室腔内的气流(图中线条所示)在铺粉室右下方上卷，会导致重金属、烟尘等被卷起，吸气口无法有效的发挥作用。

基于此，对初始的未增加导流板的吸气口管道结构进行改进，改进具体措施为：在吸气口入口区域增加等距排列的五组导流板，第一导流板与吸气口所在平面之间的夹角呈60度角位置摆放，处于管道本体内部的第二导流板与第一导流板之间的夹角呈120度角相连接，此角度为最优的导流板结构。

如图7所示，为改进后的增加导流板后的吸气口管道结构流场空间内气体流动速度迹线分布示意图，分析铺粉腔室内气流流动方向(图中线条所示)并和初始的吸气口管道处流动速度迹线进行对比。气体流动速度迹线作为一种直观判别的技术指标，能够做到更直接的表示，更快速的判断，对所做优化的合理性与否进行快速判定。通过对比可知，铺粉室内的气流能够更加均匀地从改进后的吸气口管道结构1(如图4与图5所示)排出，未见有明显的上卷气流。

因此可知，改进后的增加导流板的吸气口管道结构要优于初始的未增加导流板的吸气口管道结构，该改进后的增加导流板的吸气口管道结构能够有效地解决3D打印系统铺粉室内因气流上卷而引起的烟尘等无法排出，造成排出失效的问题。

本发明实施例提供一种3D打印系统吸气口管道结构优化设计装置，包括：

模型获取模块，用于获取当前吸气口管道的流场空间模型；

模型建立模块，用于根据流场空间模型，建立当前吸气口管道的气体动力学分析模型；

模型计算模块，用于对气体动力学分析模型进行计算，得到对应的流场空间内气体流动速度迹线分布；

确定模块，用于当流场空间内气体流动速度迹线分布满足预设条件时，确定当前吸气口管道为优化后的吸气口管道结构。

管道优化改进模块，用于当流场空间内气体流动速度迹线分布不满足预设条件时，对当前吸气口管道的结构进行改进。该预设条件为气体动力学分析软件设定的气流从吸气口管道结构出气口被抽走的流量与速度参数。

模型获取模块、模型建立模块和模型计算模块依次重复执行获取流场空间模型、建立气体动力学分析模型以及对气体动力学分析模型进行计算，得到流场空间内气体流动速度迹线分布的步骤，直至流场空间内气体流动速度迹线分布符合上述的预设条件。

上述的模型建立模块包括：

网格划分单元，用于在流场空间模型上划分流体网格；

参数获取单元，用于获取流体的材料属性、模型参数及边界条件；

模型建立单元，用于根据流体网格、材料属性、模型参数及边界条件建立吸气口管道的气体动力学分析模型。

上述的材料属性包括流体的密度和粘度，模型参数包括基于压力求解器、稳态模型和标准湍流模型，边界条件包括当前吸气口管道的吸气口所在面的进气压力边界条件及当前吸气口管道的出气口所在面的出气压力边界条件。

上述实施例中，3D打印系统吸气口管道结构优化设计装置还包括装置还包括模型收敛计算模块；

模型收敛计算模块，用于对气体动力学分析模型进行计算，直至气体动力学分析模型收敛；

模型计算模块，用于提取气体动力学分析模型收敛时的流场空间内气体流动速度迹线分布。

综上所述，本发明的3D打印系统吸气口管道结构优化设计装置，通过获取当前吸风口管道的流场空间模型:根据流场空间模型，建立当前吸风口管道的气体动力学分析模型，对气体动力学分析模型进行计算，得到对应的流场空间内气体流动速度迹线分布，当流场空间内气体流动速度迹线分布满足预设条件时，确定该当前吸风口管道为优化后的吸风口管道结构。如此，对3D打印系统吸气口管道结构进行优化，无需经过多次实际工艺设计和实测循环验证其效果，便能获得较好的设计方案，其设计效率高、成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印系统吸气口管道结构优化设计方法，其特征在于，包括：

获取3D打印系统当前吸气口管道的流场空间模型；

根据所述流场空间模型，建立所述当前吸气口管道的气体动力学分析模型；

对所述气体动力学分析模型进行计算，得到对应的流场空间内气体流动速度迹线分布；

当所述流场空间内气体流动速度迹线分布满足预设条件时，确定所述当前吸气口管道为优化后的吸气口管道结构；

当所述流场空间内气体流动速度迹线分布不满足所述预设条件时，对所述当前吸气口管道的结构进行改进；

依次重复执行获取所述流场空间模型、建立所述气体动力学分析模型以及对所述气体动力学分析模型进行计算，得到流场空间内气体流动速度迹线分布的步骤，直至流场空间内气体流动速度迹线分布符合所述预设条件。

2.如权利要求1所述的3D打印系统吸气口管道结构优化设计方法，其特征在于，所述根据所述流场空间模型，建立所述当前吸气口管道的气体动力学分析模型的步骤包括；

在所述流场空间模型上划分流体网格；

获取流体的材料属性、模型参数及边界条件；

根据所述流体网格、所述材料属性、所述模型参数及所述边界条件建立所述当前吸气口管道的气体动力学分析模型。

3.如权利要求2所述的3D打印系统吸气口管道结构优化设计方法，其特征在于，所述材料属性包括所述流体的密度和粘度，所述模型参数包括基于压力求解器、稳态模型和标准湍流模型，所述边界条件包括所述当前吸气口管道的吸气口所在面的进气压力边界条件及所述当前吸气口管道的出气口所在面的出气压力边界条件。

4.如权利要求1所述的3D打印系统吸气口管道结构优化设计方法，其特征在于，所述对所述气体动力学分析模型进行计算，得到对应的流场空间内气体流动速度迹线分布的步骤包括：

对所述气体动力学分析模型进行计算，直至所述气体动力学分析模型收敛；

提取所述气体动力学分析模型收敛时的流场空间内气体流动速度迹线分布。

5.一种3D打印系统吸气口管道结构优化设计装置，其特征在于，包括：

模型获取模块，用于获取当前吸气口管道的流场空间模型；

模型建立模块，用于根据所述流场空间模型，建立所述当前吸气口管道的气体动力学分析模型；

模型计算模块，用于对所述气体动力学分析模型进行计算，得到对应的流场空间内气体流动速度迹线分布；

确定模块，用于当所述流场空间内气体流动速度迹线分布满足预设条件时，确定所述当前吸气口管道为优化后的吸气口管道结构。

管道优化改进模块，用于当所述流场空间内气体流动速度迹线分布不满足所述预设条件时，对所述当前吸气口管道的结构进行改进；

所述模型获取模块、模型建立模块和模型计算模块依次重复执行获取所述流场空间模型、建立所述气体动力学分析模型以及对所述气体动力学分析模型进行计算，得到流场空间内气体流动速度迹线分布的步骤，直至流场空间内气体流动速度迹线分布符合所述预设条件。

6.如权利要求5所述的3D打印系统吸气口管道结构优化设计装置，其特征在于，所述模型建立模块包括：

网格划分单元，用于在所述流场空间模型上划分流体网格；

参数获取单元，用于获取流体的材料属性、模型参数及边界条件；

模型建立单元，用于根据所述流体网格、所述材料属性、所述模型参数及所述边界条件建立所述吸气口管道的气体动力学分析模型。

7.如权利要求5或6所述的3D打印系统吸气口管道结构优化设计装置，其特征在于，所述装置还包括模型收敛计算模块；

所述模型收敛计算模块，用于所述对所述气体动力学分析模型进行计算，直至所述气体动力学分析模型收敛；

所述模型计算模块，用于提取所述气体动力学分析模型收敛时的流场空间内气体流动速度迹线分布。

8.一种应用如权利要求1至4中任意一项所述的优化设计方法设计的3D打印系统吸气口管道结构，其特征在于，包括管道本体、吸气口、出气口以及若干导流板，所述的若干导流板相互间隔地设置于所述管道本体内，所述吸气口和出气口分别设置于所述管道本体的两个相邻端部，所述吸气口与所述出气口之间通过所述导流板导向连通。

9.如权利要求8所述的3D打印系统吸气口管道结构，其特征在于，所述导流板包括相互连接的第一导流板和第二导流板，所述第一导流板与第二导流板之间的夹角大于90度，所述第一导流板与所述吸气口所在平面之间的夹角小于90度。

10.如权利要求9所述的3D打印系统吸气口管道结构，其特征在于，所述第一导流板与第二导流板之间的夹角为120度，所述第一导流板与所述吸气口所在平面之间的夹角为60度。