增材設計與增材制造在復雜流道產品中的應用

來源：安世亞太

增材制造技術的出現(xiàn)，使得復雜流道產品的設計與制造迎來了革命性的變革，真正實現(xiàn)了復雜流道在產品中的結構/功能一體化。一般而言，流道的功能是交換物質或者能量，廣泛應用于各個領域，包括航空航天、機器人和生物醫(yī)學應用。

傳統(tǒng)加工方法通常難以直接制造這些具有復雜流道的產品。即使采用分步制造，設計師也通常不得不犧牲部分產品性能來滿足工藝的約束或者減輕制造成本的壓力。增材制造不僅為具有內部通道復雜的產品提供了一種新的制造方法，而且引發(fā)了新的設計方法的變革。

△增材制造技術在復雜流道產品中的典型應用

熱交換器：增材設計讓換熱更高效
熱交換器是通過冷、熱兩種流體在流道中的流動，實現(xiàn)熱量的傳遞，達到預期的加熱或冷卻效果。

對于熱交換器來說，流道設計的首要需求就是實現(xiàn)熱交換器的高傳熱效率。其中提高流道的比表面積是提高換熱器換熱效率的主要途徑。

常規(guī)的換熱器結構為管式或者板式結構，這是因為傳統(tǒng)加工方式很難實現(xiàn)復雜內部流道的制造，并且后續(xù)的焊接工藝可能引起傳熱介質的泄漏，從而降低傳熱效率。

增材制造擁有極大的設計自由度，可以設計出具有非常規(guī)截面、復雜幾何形狀的換熱流道，甚至可以使用拓撲優(yōu)化技術得到更合理的流道分布。

增材制造的換熱器復雜流道設計可以分為三類：
增加流道的比表面積。如下圖中的（a）增加凹凸或翅片增加表面積、（b）填充點陣增加表面積、（c）在流道內部設計擾流結構增加表面積。
改變流道的截面形狀。如下圖中（d）液滴截面的通道、（e）帶內翅片的通道、（f）帶內外翅片的通道。
改變流道的流道方向。如下圖中（g）螺旋隨形冷卻流道、（h）等距隨形冷卻流道、（i）熱-流拓撲優(yōu)化冷卻流道。

熱交換器的流道設計

圖（g）、（h）、（i）中這些塑料注塑模具中的隨形冷卻流道，不僅具有更好的冷卻效果來提高冷卻效率，從而提高生產效率，而且使得冷卻速度更加均勻，提高注塑產品的力學性能和良品率。

流體動力元件：增材設計讓流動更高效
流體動力元件中流道的作用是利用流體流動來傳遞液體的壓力，從而實現(xiàn)所要求的驅動動作及控制功能。

功能流道在流體動力元件中的重要目標之一是實現(xiàn)流體動力元件的高功率密度或功重比。實現(xiàn)該目標的兩大主要途徑：一是降低流道的能量損失，二是優(yōu)化流道結構及排布。

增材制造技術可以消除傳統(tǒng)加工產生的直角轉彎及刀尖容腔，采用更平緩、更隨形的曲線過渡，減少了渦流，優(yōu)化了流動狀態(tài)，從而降低了壓力損失。

增材制造技術可以一體化成形，消除了工藝孔，減小了潛在的泄漏風險。

增材制造可以摒棄原有的交叉鉆孔結構，優(yōu)化為管網(wǎng)結構，去除冗余質量，有效地減小了動力元件尺寸和重量。

△增材制造液壓元件

上圖（d）中的液壓集成塊，其上連接了8個閥門和一個傳感器，通過基于增材制造的設計，利用平緩的過渡、更大的轉彎半徑和更少的轉彎數(shù)量，提高液壓集成塊中的流體流動性能。與原液壓集成塊相比，重量減小了92%，平均壓力損失降低了31%，在減輕結構重量的同時提高了流體的流動性能。

燃料電池雙極板：增材設計讓反應更均勻
雙極板是質子交換薄膜燃料電池的重要組成部分。燃料和氧化劑通過雙極板中的流道供應到反應區(qū)，并為反應產物提供排出通道。

雙極板中這些功能流道的優(yōu)化目標是提高質子交換膜燃料電池的能量轉換效率。通過優(yōu)化雙極板內流道排布的路徑，可以使化學反應物均勻分布，達到均勻的溫度分布和均勻的電流密度分布，從而提高質子交換膜燃料電池的能量轉換效率。

△質子交換膜燃料電池組件

利用增材制造技術具有的極大設計自由度，研究者通過仿生設計或一些特定的幾何設計，改進雙極板的流場設計，使反應物混合更加均勻，并降低雙極板的壓降，從而提高質子交換膜燃料電池的能量轉換效率。

△3D打印仿生雙極板流場

人造血管：增材設計讓機械性能和生物相容性更優(yōu)良

血管的功能是利用血液與組織液交換物質，為器官和組織提供氧氣和營養(yǎng)，并排出廢物。因此，人造血管必須滿足足夠的機械性能和良好的生物相容性的要求。

增材制造技術由于極高的設計自由度、使用材料的多樣性和制造的高效性，開始被用于制造人造血管。

一方面，人造血管的機械性能，比如楊氏模量和拉伸強度，要與人體自身的血管相匹配；另一方面，人造血管還要兼顧生物活性，可以輸送氧氣和養(yǎng)分，并排出新陳代謝后的廢物。

△3D打印人造血管技術

結構優(yōu)化工作室設計的3D打印內流道產品
結構優(yōu)化工作室基于注塑產品的技術需求、隨形水路的設計要求、3D打印的工藝特點，為模具行業(yè)應用提供全套解決方案。包括模流分析、隨形水路設計、模具3D打印、模具的后續(xù)處理和加工。

在塑料注塑過程中，模具溫度對注塑制品的質量和生產效率有重要的影響。模具型腔中的冷卻均勻性直接影響制品的熱殘余應力，熱殘余應力是注塑品變形的重要原因。模具型腔中的冷卻速度直接影響冷卻時間，整個產品的生產周期長短主要由冷卻時間控制。因此對模具的溫度控制就變得尤為重要，它主要通過模具的冷卻系統(tǒng)來進行適當?shù)目刂坪驼{節(jié)。

3D打印技術在成形復雜結構方面具有毋庸置疑的優(yōu)勢，讓復雜結構的隨形冷卻流道變?yōu)榭赡�。隨形冷卻流道的結構優(yōu)化，有利于提高水路的冷卻平衡性，消除模具中的熱點，使冷卻更均勻，避免產品發(fā)生變形、裂紋等缺陷。隨形冷卻流道的結構優(yōu)化，也有利于減少冷卻時間，縮短產品的生產周期，提高生產效率。

3D打印隨形冷卻流道的設計思路是將冷卻水道緊附于模具型腔表面，隨模具型腔形狀變化而改變。

1）周期縮短，成形速度更快
縮短成形周期可以使注塑件生產效率提高。在一個注塑成形周期中，開模、閉模、注塑以及保壓時間通常遠小于塑件的固化及冷卻時間，固化及冷卻時間占整個成形周期的50%~80%。3D打印隨形冷卻流道更貼近模具型腔表面，提高冷卻效率，縮短成形周期。

2）冷卻均勻，尺寸精度更高
模具溫度穩(wěn)定，能減少塑件收縮率的波動，提高塑件成形精度。一般來說，結晶形塑料，模具溫度高有利于結晶過程的進行，結晶充分的塑件在存放或使用過程中不易發(fā)生尺寸的變化。較柔軟的塑料，成形過程中適合用低模具溫度。無論哪種材料，3D打印隨形冷卻流道模具溫度越恒定，其收縮越一致，越有利于提高成形注塑品的尺寸精度。

3）熱應力小，力學性能更強
不均勻的冷卻會在注塑件中產生內部殘余熱應力，對注塑件的力學性能產生不利的影響。3D打印隨形冷卻流道模具均勻冷卻可以降低塑件內應力，提高塑件的力學性能和使用壽命。

注：本文部分內容來自Additive manufacturing of products withfunctional fluid channels: A review （Additive Manufacturing）

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3. 試用規(guī)則：企業(yè)填寫信息征集表，安世亞太進行信息篩選和需求確認后，給與試用賬號和功能權限；
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