光固化技術，除了SLA激光掃描和DLP數字投影，目前形成了一種新的技術，就是利用LCD作為光源的技術，簡單理解就是DLP技術的光源使用LCD來代替。桌面型打印機光源位於下側，通過窗口和離型膜，成型往上拉出。
LCD光固化打印機的優點：精度高，可輕易達到平面精度100微米。價格便宜，性價比突出。結構簡單，因為沒有激光振鏡或者投影模塊，容易組裝和維修。樹脂通用，所有DLP類的樹脂或者大部分光固化樹脂理論上都可以兼容。可以同時打印多個零件而不犧牲速度，因為是面成型光源。缺點：需要關鍵部件對405光有很好的選擇性透過，需要經得住幾十瓦405LED燈珠的數小時高強度烘烤，考驗散熱和耐溫性能。因此散熱仿真也是光固化打印機研發過程中的重點。
本文主要基於某款LCD桌面機對燈源區的溫度進行散熱仿真分析，以期獲得整個下側腔室內部溫度分佈狀況，為後期產品的設計改進提供參考依據。
LCD光固化桌面機模型簡化處理
某款LCD桌面級光固化打印機模型（圖2-1），其中上半部分為打印腔室，下半部分腔室主要包括LED燈泡光源區以及其周圍的電機與風扇。針對該打印機熱仿真需求主要為（1）燈珠內腔散熱設計是否合理（2）製冷片外側是否需要加裝水冷。所以重點關注下部腔室的整體散熱系統包括風扇與水冷以及內腔下部的散熱片，針對此款LCD打印機，此機型腔體結構流體部分主要進行三部分的仿真計算：
1）內腔流場的熱量仿真；
2）流場與周圍固體元件的溫度場仿真；
3）確定正確的半導體元件仿真方案：確定整體散熱情況，是否需要加裝水冷。
對現有設計進行打印平臺下方燈區內腔的散熱性能做評估，112顆LED燈產生大量熱量會燒壞板子和屏幕（工作溫度不能超過60度），大大降低屏幕的使用壽命，為了降低溫度燈珠內腔側壁加裝5個半導體制冷片，使用對角風扇形成內部循環。仿真計算首先從得到內腔的熱流場開始。
圖2-1 LCD機型整體構造
散熱仿真模型的建立
對LCD燈區內腔模型進行幾何清理，主要保留尺寸較大、對流動有明顯影響的結構以及主要的散熱與受熱部件，如內部散熱器、玻璃燈罩、兩層亞克力板、PCB板、風扇等。內部為空氣流域，四周壁面簡化為絕熱平面，去掉倒角及螺孔。
為簡化計算，本部分腔體主計算域不保留上方鋁板及玻璃屏幕、下方的散熱板以及右側的半導體元件。風扇流量為45標準件（45mm*45mm*10mm）0.04kg/m3。燈源內腔尺寸：230mm*417mm*55mm。
整個仿真模型是基於仿真軟件Ansys 19.2進行搭建，由於結構複雜，使用四面體劃分網格，在細小結構附近採用小尺寸1mm捕捉曲率變化,模型中最小間隙尺寸為2mm,保證小間隙內至少有2層網格。燈區內腔網格總數為3055362，網格最大畸率為0.8，網格質量良好。
圖3-3 局部放大燈泡熱源
同時對仿真模型進行了如下假設：
1.四周壁面在流場中均按絕熱壁面設置。
2.上部分壁面分別按照鋁薄壁與玻璃薄壁設置，粗略估算上方溫度（距離實際中上方屏幕仍有一段距離）,設置為自然對流。
3.內腔側壁的散熱片右側壁面給出不同的傳熱係數（模擬不同散熱效率下流場情況），近似看成不同導熱能力下的半導體元件即工況設置。
4.下方壁面因與散熱器連接，給一個較大的傳熱係數，近似模擬為增大散熱面積。
5.燈罩及亞克力板壁面均按照絕熱壁面設置。
6.循環氣體介質為空氣，密度取1.205kg/m3，粘度為2.593e-5kg/m.s，因為流場域內的溫度範圍理論上不會太高，所以先假設空氣的熱傳導係數為常數。
7.led燈源不是輻射光源，僅考慮空氣的熱對流，暫不考慮熱輻射，所有熱量加載上表面，功率為3w全部轉化為熱能，燈珠PCB電路板按照鋁基板設置。
圖3-4 熱源施加處示意圖
l 邊界條件設置：
操作環境壓力為101325Pa，四周壁面設置為絕熱光滑壁面邊界，上下邊界為自然對流，內散熱片右邊界為自然對流。
氣循環工況流場邊界條件：風扇（2個）絕對靜壓10pa。
l 工況設置：
內腔散熱器右側外壁面設置三種不同的傳熱係數，近似模擬無半導體情況，加裝散熱片情況以及更高效率下的散熱情況。
表格3-1工況設置
仿真計算結果及分析
結果重點展示速度與溫度雲圖，顯示面為XZ中截面（Y=-43.75 mm），上玻璃與鋁板俯視圖。截面見圖4-1。XZ截面 （灰色）位於兩個風扇以及內散熱的中心位置，便於觀察內腔的流場結果。上部頂板的俯視圖觀察頂部的溫度結果。
從中截面的速度雲圖看出，對角風扇形成的流場是基本對稱的，內腔中間的流速均勻，這樣就達到了使內腔的熱量隨著氣體均勻分佈其中，對散熱起到了良好的推進作用，由於對流存在，氣體有向散熱片流動的趨勢，由於散熱片的存在，熱量向散熱區聚攏，散熱設計起到了效果。
由中截面溫度雲圖可以看到隨著傳熱係數的增大，溫度在相同位置得到了下降。而工況一頂面的俯視圖看到，無論是玻璃頂層還是鋁板頂層均遠遠超過了60度，即在不加散熱的情況下，會影響配件的使用壽命，隨著傳熱係數進一步提升，頂部溫度下降十分明顯。
結論
隨著外側牆壁的導熱率的提高，近似模擬了半導體即散熱系統的存在，對內腔的散熱起到了良好的效果，頂部溫度下降明顯。對角風扇的設計合理，使得內腔形成均勻流場對散熱起到積極作用。
作者
薛一戈，安世亞太流體工程師，伊利諾伊理工機械與航空航天工程專業，碩士學位，超過2年的汽車行業CAD設計與CAE仿真，擅長湍流、邊界層、多相流、顆粒物等多個領域的仿真與CFD分析，目前主要參與增材設備的流體仿真分析項目，積累大量3D打印設備流體優化經驗。
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