厦门大学等：改善SLM粉末输送性能——新型吸嘴结构设计与CFD-DEM多目标优化--颗粒学报PARTICUOLOGY

选区激光熔化（SLM）成形质量高度依赖铺粉均匀性，而粉末输送系统作为铺粉工序的上游，其供粉连续性与稳定性直接决定最终制件品质。遗憾的是，以往研究多聚焦刮刀几何与工艺参数优化，鲜有工作从粉末输送系统核心部件——吸嘴本身的结构创新入手。传统直管式吸嘴易产生"射流效应"，气流高度集中于轴线，对料仓底部边缘粉末驱动力不足，常引发启动迟滞、脉冲输送及严重残留，成为制约SLM供粉稳定性的瓶颈。

针对这一研究空白，本研究首次系统性提出一种带底部开口并去除环形鳍片的新型吸嘴结构。通过CFD-DEM耦合数值模拟并结合实验验证，系统考察了倾斜角（θ）、垂直开口高度（H）及开口数量（N）对清粉率（η）与平均输送速度（v）的影响规律。流场分析表明，新结构有效扩展了高速‑低压核心区域范围并改善了压力梯度分布，使吸嘴具备"全域抽吸"能力；微观颗粒动力学分析进一步证实，优化流场使颗粒所受拖曳力分布更均匀、速度波动显著降低，从颗粒受力层面抑制了脉冲流与粉末残留。基于正交实验与响应面分析定量识别出参数主效应：倾斜角对清粉率呈强正效应，开口高度呈显著负效应，开口数量影响较弱；对输送速度而言，开口高度为相对主导因素。面对两性能指标间的权衡关系，研究采用满意度函数法实现多目标优化，获得最优几何组合（θ＝14.2°，H＝0.32H₀，N＝7，综合满意度 D＝0.89）。验证结果显示，相较初始设计，优化吸嘴使清粉率提升47.4％（达73.98％），输送速度提高34.5％（达0.74 g/s），成功实现两项关键指标的协同优化。

新型吸嘴（b）去除环形鳍片并增设底部开口，流场由射流型转变为扩散型，扩大高速‑低压核心区，提升粉末输送稳定性与清粉效率

本研究给出了经理论分析与仿真验证的高性能吸嘴设计方案，建立了"模型验证—参数分析—机理揭示—多目标优化"的完整研究范式，为SLM及其他气力输送系统的关键部件设计提供了重要理论依据与方法参考。未来可进一步拓展至非球形颗粒与粒径分布等复杂工况，推动成果向工程实用化迈进。

相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 116），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！

作者简介

尤晓萍（通讯作者），厦门大学嘉庚学院机械电气与自动化学院副教授，主要从事增材制造、数字化设计与制造等方面的研究工作。

汪俊荣，厦门汉印股份有限公司工程师，主要从事增材制造设备研发与应用。

沈婷婷，厦门大学嘉庚学院机械电气与自动化学院讲师，研究方向为机械设计与制造。

梁淯贤，厦门大学嘉庚学院机械电气与自动化学院讲师，研究方向为先进制造技术。

董其缘，厦门大学嘉庚学院机械电气与自动化学院讲师，研究方向为机电一体化。

孙满乾，集美大学海洋装备与机械工程学院硕士研究生，研究方向为智能制造与精密加工。

供稿：原文作者

排版：《颗粒学报》编辑部

文章信息

You, X., Wen, L., Wang, J., Shen, T., Liang, Y., Dong, Q., & Sun, M. (2026). CFD-DEM simulation and multi-objective optimization of a novel suction nozzle for enhanced powder delivery in selective laser melting. Particuology, 116, 55-68. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.06.012

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