文章来源：安世亚太官方（搜索：peraglobal）
激光熔覆技术是20世纪80年代后兴起的一种新的表面处理技术，是指在基体表面上涂覆不同材料，这些材料以粉末的形式经送粉装置输送到基体材料表面，然后通过激光照射使粉末材料熔化后逐渐凝固在基体上，形成一种新的复合材料的工艺方法。 这种工艺可以改善基体材料表面的耐磨，耐热，耐腐蚀的特性。因此，此技术有很高的经济效益，目前在制造和修复金属零件方面已得到广泛应用，而且在航空航天，机械电子，武器制造，以及3D打印等方面具有良好的应用前景。 此外，根据3D科学谷的市场观察，传统制造领域，双金属复合界面的结合方式多采用机械结合型复合或冶金结合型。激光熔覆技术在双金属的加工方面相比于传统加工工艺具有着突出的优势。
在此前的专栏中分享了安世亚太的《关于DMD激光熔覆3D打印技术的仿真模拟计算文献研究》一文，作者提取分析了近数十年国内外在DMD同轴送粉机型研究的若干算例，并对其发展背景做了简要总结。本期专栏所分享的文章基于之前的文献分析，结合实际产品对某型号DMD同轴送粉3D打印模型进行仿真模拟计算，并对其提出改进建议（图1）。 图1 物理模型-同轴送粉打印喷头与腔体
通过文献1可知，直接金属打印过程中粉末材料的输送质量直接影响到打印效果和成本。好的输送可以减少粉末浪费，得到的打印金属件表面具有较好的均匀性。另外，同轴送粉打印喷头的价格较高，对 DMD机型的成本控制至关重要。因此送粉喷嘴的结构设计成为DMD机型中的设计重点之一。载气式同轴送粉技术在目前DMD机型的喷头模型得到中广泛应用，这种送粉方式基于固气两相流原理，依靠气体的动力输送粉末。但由于受气体影响较大，难以控制粉末的流向，所以粉末的利用率低。优化改进送粉喷头的结构将大大提高DMD机型的打印效率及质量。
在同轴送粉中，由于粉末流与激光束同轴输出，所以当粉末汇聚性差，汇聚焦距太小时，在成型过程中粉末的反弹容易造成喷嘴堵粉而影响零件的成型质量；而当焦距过大时，熔池定位的控制难度加大，精准度难以保证。除此之外，在直接金属熔覆过程中，由于激光的照射产生巨大能量，形成熔池，从而使金属颗粒熔化，期间经过大梯度的能量及温度变化使熔融状态的金属在底板或基体上固化成型。传统的研究方法包括物理实验的试凑法和实时矫正法，但这些实验复杂度高而且价格贵重，所以随着近几十年计算流体力学的发展，更多的学者将眼光放在对激光熔覆技术的仿真模拟上面，来探究一个更加经济快捷的研究方法。 针对DMD 3D打印机喷头的机理探究是个复杂的问题，需要长时间的经验总结，相关问题例如1. 熔池
附近的粉末流，2. 打印材料粉末熔化过程中的热变化，3. 打印料材在固体基底或底板上的成型，等等。本系列文章仅将仿真计算重点放在打印腔室内部流场，特别是喷
头附近流场的模拟，分析推断粉末在腔体内的分布情况，并提出改进建议。
喷嘴模型介绍
目前仿真计算针对某型号DMD机型所应用的喷嘴结构为三点式喷嘴模型（图2）。送粉口为三个均布的细长孔，保护气口布置在其中两个送粉口中间。
文献1中的探究中均没有考虑打印基底对粉末汇聚效果的影响，通过计算与实验数据的对比可知，打印过程中打印的成型底板对粉末汇聚影响很大，故此仿真计算重点考虑了打印底板对粉末汇聚效果的影响。同时，在计算过程中发现，在近粉末汇聚处的流场及粉末汇聚率变化增大，故焦点处为模拟计算的关键位置，模型建立过程中应作网格加密处理。图3分别展示了计算模型的几何以及网格图示，为更清楚的展示模型结构，图例皆截取三维模型的中截面进行展示。
图2 喷嘴结构说明激光熔覆工艺
图3 仿真模型喷嘴整体简化示意图，a.无底板影响b. 有底板影
响。
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