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FDM 3D打印機是市面上最常見的入門級3D打印機，隨著適用于FDM機型的3D打印材料的不斷擴充，F(xiàn)DM 3D打印機所具備的經濟性優(yōu)勢也越來越顯現(xiàn)出來。然而，如何通過FDM 3D打印機讓一個5歲的孩子都能夠一鍵打印出合格質量的產品來，這成為衡量一款設備是否能夠得到市場的快速認可的關鍵要素。這其中，仿真技術可以有效地幫助設備開發(fā)者通過優(yōu)化設備的設計來獲得滿意的3D打印質量。
安世亞太展示了針對某款FDM機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力翹曲；
調整合適的溫度環(huán)境以增加打印層之間的粘結性，提高打印模型的性能。
主要涉及到的CFD問題如下：
優(yōu)化出風口的形狀、尺寸大小、位置等參數(shù)；
優(yōu)化出風口、加熱器和風機的相互擺放位置；
得到合適的加熱器的功率和風機風速、風量等建議；
得到合適的隔熱材料的厚度建議。
圖1-1 某款FMD整機圖（左）
圖 1-2 某款FMD高溫倉截面示意圖（右）
圖1-3 某款FMD內部結構1（左）
圖1-4 某款FMD內部結構2（右）模型簡化及假設
- 腔體模型
某款FDM機型腔體主要保留尺寸較大、對流動有明顯影響的結構，如冷卻水管道、散熱片結構等，去掉倒角及螺孔。
圖2-1 整機分解圖（左）
圖2-2 整機簡化模型圖（右）本報告中所進行的計算采用圖2-2中左側風道內部分，如下圖所示。為保證FLUENT計算的收斂性，對空調內部的計算域出口進行簡單修改。本報告中采用延長出口段的方法來調整流體域，保持出口截面積相同，垂直向外延長，把進出口適當延長，并將壓力為0 的邊界定義在較遠的位置。這樣FLUENT 的計算收斂性會更好，計算出來的結果也更貼合實際。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
對于所計算的模型進行了如下假設：
操作壓強為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
風機外殼內部有設置有一層1mm的不銹鋼內蓋，由于尺寸與周圍差異較大，非常不利于網(wǎng)格劃分，將這一薄壁結構進行簡化，在進行邊界條件設置的時候設置為有0.001m厚度的不銹鋼壁面。
圖2-4 內殼薄壁結構
- 針對離心式風機進行的假設
離心式風機是根據(jù)動能轉換為勢能的原理，利用高速旋轉的葉輪將氣體加速，然后減速、改變流向，使動能轉換成勢能（壓力）。在單級離心式風機中，氣體從軸向進入葉輪，氣體流經葉輪時改變成徑向，然后進入擴壓器。在擴壓器中，氣體改變了流動方向造成減速，這種減速作用將動能轉換成壓力能。壓力增高主要發(fā)生在葉輪中，其次發(fā)生在擴壓過程。
由于給出的模型中的風機結構不是真實葉片，所以在本報告中使用速度入口邊界來模擬葉片帶來的旋轉效應。進行入口設置時，設置切向速度和軸向速度。其中軸向速度為風機額定流量與葉片所在圓周面折算結果，切向速度為半徑與額定轉速折算結果。
圖2-5 模型中的風機葉片（左）
圖2-6 真實的風機葉片（右）網(wǎng)格處理
基準案例網(wǎng)格總數(shù)為2485252，最高扭曲率為0.86,網(wǎng)格質量過關。
圖3-1 基準案例網(wǎng)格示意圖
風道設計
市場上可見的風道結構，總結其設計原則，均為將風機抽取的氣體均勻、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板的方式來實現(xiàn)這一目的。
圖4-1 F370風道示意圖（左）
圖4-2 F370風道局部圖（右）
圖4-3 F450風道示意圖（左）
圖4-4 F450風道局部圖（右）本報告中給出兩種擋風罩形式，添加擋風罩的目的之一為在豎直方向上，限制氣流的擴展；其二為在左右方向上限制氣流的流動。兩種擋風罩形式如下，區(qū)別在于是否將風機上邊的位置封口。
圖4-5 擋風罩優(yōu)化方案一（左）
圖4-6 擋風罩優(yōu)化方案二（右）
圖4-7 擋風罩優(yōu)化方案一局部放大圖（左）
圖4-8 擋風罩優(yōu)化方案二局部放大圖（右）方案設置
表格 5-1 工況設置
仿真結果
- 流場結果
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）溫度場結果
工況2
圖 6-19 加熱器截面檢測位置
工況4
圖6-20 Y方向加熱器入口截面溫度場分布（左）
圖6-21 Y方向加熱器出口截面溫度場分布（右）
圖6-22 Z=0.35截面溫度場分布（左）
圖6-23 Z=-0.025截面溫度場分布（右）工況6
圖6-28 Y方向加熱器入口截面溫度場分布（左）
圖6-29 Y方向加熱器出口截面溫度場分布（右）
圖6-30 Z=0.35截面溫度場分布（左）
圖6-31 Z=-0.025截面溫度場分布（右）分析、結論及改進建議
- 對比分析
流場分析
由于當前的流體域邊界是從固體實體模型中抽取出來的，因此在出口處距離風扇比較短，而在FLUENT 計算中出口強制定義為壓力邊界并固定了相對壓力為0（壓力出口靜壓為0），這和實際情況是不相符的。實際情況是空氣在出口流出后又經過適當發(fā)展后才達到和外界大氣相同的靜壓為0 條件，所以在計算時采用出口延長后的模型。
圖7-1 加熱器入口所在截面與腔體截面
上圖為加熱器入口所在截面與腔體截面，S1為加熱器所在區(qū)域，S2為相同為相同截面的腔體流通區(qū)域。當S1對來流有一定阻力時，氣流自然會繞過S1，而從S2紅色框外的區(qū)域流動。即散熱區(qū)域內由于散熱片的排列影響了流通面積，增大了此區(qū)域的阻力，氣流很少從散熱區(qū)流通過，進而影響換熱效果。
其中inlet面是整個計算域的入口面，也就說散熱器入口截面的流量等于S1面與S2面流量之和。
表7-1 原方案-入口總流量與進入散熱區(qū)域流量數(shù)值
表7-2方案1-入口總流量與進入散熱區(qū)域流量數(shù)值
表7-3方案2-入口總流量與進入散熱區(qū)域流量數(shù)值
對比表7-1、7-2、7-3可知，各工況的散熱區(qū)內氣流的流速有著明顯的不同，這說明散熱片區(qū)域的阻力對來流有很大的影響，若大部分氣流從散熱片區(qū)域外流過，那么冷源與熱源的接觸面積不足，熱交換效果不好。
溫度場分析
下表為各方案的溫度及熱流量統(tǒng)計表格，可以看出當入口溫度都為23℃時，方案二的出口溫度（74℃）高于方案一（72℃），遠高于原始方案（4℃8）。其中原始方案的溫升為25℃，方案一的溫升為46℃，方案二的溫升為56℃。雖然方案二比方案一的出口溫升高15.2%，方案二的加熱器的總換熱量高于方案一14.3%，即方案二的熱能利用率高于方案一。
表7-4 各方案溫度及熱流量統(tǒng)計
從上表可以看出，優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二的換熱性能力都高于原始方案，其中方案二的流體出口和入口的熱量差值 (w)是方案一的1.28倍。原因在于，對于方案一來說，從離心風機出來的氣流又兩個方向可以流動，流向換熱區(qū)域或流向相反區(qū)域（如圖7-2所示），流向反方向的氣流沒有擋風罩的約束，從擋風罩外側流向出口，導致流向換熱區(qū)域的流量只占總流量的一半，且此時出口的溫度并不均勻（如圖7-3、7-4）。
圖7-2 方案一 風機流出氣流方向示意
圖7-3 方案一出口面溫度分布
圖7-4 方案二出口面溫度分布- 結論
經過對比分析可以得出如下結論：根據(jù)數(shù)值模擬的結果，添加了阻力的的散熱片區(qū)域的流量很小，大部分氣流從散熱片區(qū)域外流過，會導致散熱效果不好。
添加擋風罩后，氣流被強制通過散熱片區(qū)域，增大與加熱器加熱面的接觸面積和接觸風量，可以有效的提高加熱器的熱能利用效率，采用方案二中的擋風罩后，出口的溫升較原方案提高一倍至53℃，且出口風溫分布也比較均勻。
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