FDM 3D打印機(jī)是市面上最常見的入門級3D打印機(jī)，隨著適用于FDM機(jī)型的3D打印材料的不斷擴(kuò)充，F(xiàn)DM 3D打印機(jī)所具備的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢也越來越顯現(xiàn)出來。然而，如何通過FDM 3D打印機(jī)讓一個(gè)5歲的孩子都能夠一鍵打印出合格質(zhì)量的產(chǎn)品來，這成為衡量一款設(shè)備是否能夠得到市場的快速認(rèn)可的關(guān)鍵要素。這其中，仿真技術(shù)可以有效地幫助設(shè)備開發(fā)者通過優(yōu)化設(shè)備的設(shè)計(jì)來獲得滿意的3D打印質(zhì)量。

      安世亞太展示了針對某款FDM機(jī)型的高溫倉所做仿真優(yōu)化，針對此部分做優(yōu)化的目的：

防止打印過程中引起的應(yīng)力翹曲；

調(diào)整合適的溫度環(huán)境以增加打印層之間的粘結(jié)性，提高打印模型的性能。

主要涉及到的CFD問題如下：

優(yōu)化出風(fēng)口的形狀、尺寸大小、位置等參數(shù)；

優(yōu)化出風(fēng)口、加熱器和風(fēng)機(jī)的相互擺放位置；

得到合適的加熱器的功率和風(fēng)機(jī)風(fēng)速、風(fēng)量等建議；

得到合適的隔熱材料的厚度建議。

圖1-1 某款FMD整機(jī)圖（左）

圖 1-2 某款FMD高溫倉截面示意圖（右）

圖1-3 某款FMD內(nèi)部結(jié)構(gòu)1（左）

圖1-4 某款FMD內(nèi)部結(jié)構(gòu)2（右）

模型簡化及假設(shè)

- 腔體模型

某款FDM機(jī)型腔體主要保留尺寸較大、對流動(dòng)有明顯影響的結(jié)構(gòu)，如冷卻水管道、散熱片結(jié)構(gòu)等，去掉倒角及螺孔。

圖2-1 整機(jī)分解圖（左）

圖2-2 整機(jī)簡化模型圖（右）

本報(bào)告中所進(jìn)行的計(jì)算采用圖2-2中左側(cè)風(fēng)道內(nèi)部分，如下圖所示。為保證FLUENT計(jì)算的收斂性，對空調(diào)內(nèi)部的計(jì)算域出口進(jìn)行簡單修改。本報(bào)告中采用延長出口段的方法來調(diào)整流體域，保持出口截面積相同，垂直向外延長，把進(jìn)出口適當(dāng)延長，并將壓力為0 的邊界定義在較遠(yuǎn)的位置。這樣FLUENT 的計(jì)算收斂性會(huì)更好，計(jì)算出來的結(jié)果也更貼合實(shí)際。修改后的流體域如下圖。

圖 2-3 出入口延長后的流體域

- 模型中使用的假設(shè)

對于所計(jì)算的模型進(jìn)行了如下假設(shè)：

操作壓強(qiáng)為101325Pa

由于氣體流速較低，壓力變化不大，把氣體作為不可壓縮流體處理

風(fēng)機(jī)外殼內(nèi)部有設(shè)置有一層1mm的不銹鋼內(nèi)蓋，由于尺寸與周圍差異較大，非常不利于網(wǎng)格劃分，將這一薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，在進(jìn)行邊界條件設(shè)置的時(shí)候設(shè)置為有0.001m厚度的不銹鋼壁面。

圖2-4 內(nèi)殼薄壁結(jié)構(gòu)

- 針對離心式風(fēng)機(jī)進(jìn)行的假設(shè)

    離心式風(fēng)機(jī)是根據(jù)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為勢能的原理，利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將氣體加速，然后減速、改變流向，使動(dòng)能轉(zhuǎn)換成勢能（壓力）。在單級離心式風(fēng)機(jī)中，氣體從軸向進(jìn)入葉輪，氣體流經(jīng)葉輪時(shí)改變成徑向，然后進(jìn)入擴(kuò)壓器。在擴(kuò)壓器中，氣體改變了流動(dòng)方向造成減速，這種減速作用將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能。壓力增高主要發(fā)生在葉輪中，其次發(fā)生在擴(kuò)壓過程。

    由于給出的模型中的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)不是真實(shí)葉片，所以在本報(bào)告中使用速度入口邊界來模擬葉片帶來的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。進(jìn)行入口設(shè)置時(shí)，設(shè)置切向速度和軸向速度。其中軸向速度為風(fēng)機(jī)額定流量與葉片所在圓周面折算結(jié)果，切向速度為半徑與額定轉(zhuǎn)速折算結(jié)果。

圖2-5 模型中的風(fēng)機(jī)葉片（左）

圖2-6 真實(shí)的風(fēng)機(jī)葉片（右）

網(wǎng)格處理

基準(zhǔn)案例網(wǎng)格總數(shù)為2485252，最高扭曲率為0.86,網(wǎng)格質(zhì)量過關(guān)。

圖3-1 基準(zhǔn)案例網(wǎng)格示意圖

風(fēng)道設(shè)計(jì)

   市場上可見的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，總結(jié)其設(shè)計(jì)原則，均為將風(fēng)機(jī)抽取的氣體均勻、盡可能多的充入換熱器區(qū)域。都是以類似添加蝸殼或者擋風(fēng)板的方式來實(shí)現(xiàn)這一目的。

圖4-1 F370風(fēng)道示意圖（左）

圖4-2 F370風(fēng)道局部圖（右）

圖4-3 F450風(fēng)道示意圖（左）

圖4-4 F450風(fēng)道局部圖（右）

本報(bào)告中給出兩種擋風(fēng)罩形式，添加擋風(fēng)罩的目的之一為在豎直方向上，限制氣流的擴(kuò)展；其二為在左右方向上限制氣流的流動(dòng)。兩種擋風(fēng)罩形式如下，區(qū)別在于是否將風(fēng)機(jī)上邊的位置封口。

圖4-5 擋風(fēng)罩優(yōu)化方案一（左）

圖4-6 擋風(fēng)罩優(yōu)化方案二（右）

圖4-7 擋風(fēng)罩優(yōu)化方案一局部放大圖（左）

圖4-8 擋風(fēng)罩優(yōu)化方案二局部放大圖（右）

方案設(shè)置

表格 5-1 工況設(shè)置

仿真結(jié)果

- 流場結(jié)果

工況1

圖6-1 工況1-Z方向中截面速度矢量示意圖（左）

圖6-2 工況1-Z方向中截面速度流線示意圖（右）

圖6-3 工況1-X方向中截面速度矢量示意圖（左）

圖6-4 工況1-X方向中截面速度流線示意圖（右）

圖6-5 工況1-Y方向中截面速度矢量示意圖（左）

圖6-6 工況1-Y方向中截面速度流線示意圖（右）

工況3

圖6-7 工況1-Z方向中截面速度矢量示意圖（左）

圖6-8 工況1-Z方向中截面速度流線示意圖（右）

圖6-9 工況1-X方向中截面速度矢量示意圖（左）
圖6-10 工況1-X方向中截面速度流線示意圖（右）

圖6-11 工況1-Y方向中截面速度矢量示意圖（左）

圖6-12 工況1-Y方向中截面速度流線示意圖（右）

工況5

圖6-13 工況1-Z方向中截面速度矢量示意圖（左）

圖6-14 工況1-Z方向中截面速度流線示意圖（右）

圖6-15 工況1-X方向中截面速度矢量示意圖（左）

圖6-16 工況1-X方向中截面速度流線示意圖（右）

圖6-17 工況1-Y方向中截面速度矢量示意圖（左）

圖6-18 工況1-Y方向中截面速度流線示意圖（右）