增材設(shè)計(jì)與增材制造在復(fù)雜流道產(chǎn)品中的應(yīng)用

來(lái)源：安世亞太

增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，使得復(fù)雜流道產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造迎來(lái)了革命性的變革，真正實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜流道在產(chǎn)品中的結(jié)構(gòu)/功能一體化。一般而言，流道的功能是交換物質(zhì)或者能量，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括航空航天、機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

傳統(tǒng)加工方法通常難以直接制造這些具有復(fù)雜流道的產(chǎn)品。即使采用分步制造，設(shè)計(jì)師也通常不得不犧牲部分產(chǎn)品性能來(lái)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(nèi)部通道復(fù)雜的產(chǎn)品提供了一種新的制造方法，而且引發(fā)了新的設(shè)計(jì)方法的變革。

△增材制造技術(shù)在復(fù)雜流道產(chǎn)品中的典型應(yīng)用

熱交換器：增材設(shè)計(jì)讓換熱更高效
熱交換器是通過(guò)冷、熱兩種流體在流道中的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，達(dá)到預(yù)期的加熱或冷卻效果。

對(duì)于熱交換器來(lái)說(shuō)，流道設(shè)計(jì)的首要需求就是實(shí)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(jié)構(gòu)為管式或者板式結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)加工方式很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜內(nèi)部流道的制造，并且后續(xù)的焊接工藝可能引起傳熱介質(zhì)的泄漏，從而降低傳熱效率。

增材制造擁有極大的設(shè)計(jì)自由度，可以設(shè)計(jì)出具有非常規(guī)截面、復(fù)雜幾何形狀的換熱流道，甚至可以使用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)得到更合理的流道分布。

增材制造的換熱器復(fù)雜流道設(shè)計(jì)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(diǎn)陣增加表面積、（c）在流道內(nèi)部設(shè)計(jì)擾流結(jié)構(gòu)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(nèi)翅片的通道、（f）帶內(nèi)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?fù)鋬?yōu)化冷卻流道。

熱交換器的流道設(shè)計(jì)

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(lái)提高冷卻效率，從而提高生產(chǎn)效率，而且使得冷卻速度更加均勻，提高注塑產(chǎn)品的力學(xué)性能和良品率。

流體動(dòng)力元件：增材設(shè)計(jì)讓流動(dòng)更高效
流體動(dòng)力元件中流道的作用是利用流體流動(dòng)來(lái)傳遞液體的壓力，從而實(shí)現(xiàn)所要求的驅(qū)動(dòng)動(dòng)作及控制功能。

功能流道在流體動(dòng)力元件中的重要目標(biāo)之一是實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)力元件的高功率密度或功重比。實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)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(jié)構(gòu)及排布。

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

增材制造技術(shù)可以一體化成形，消除了工藝孔，減小了潛在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

增材制造可以摒棄原有的交叉鉆孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)化為管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，去除冗余質(zhì)量，有效地減小了動(dòng)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(gè)閥門和一個(gè)傳感器，通過(guò)基于增材制造的設(shè)計(jì)，利用平緩的過(guò)渡、更大的轉(zhuǎn)彎半徑和更少的轉(zhuǎn)彎數(shù)量，提高液壓集成塊中的流體流動(dòng)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(jié)構(gòu)重量的同時(shí)提高了流體的流動(dòng)性能。

燃料電池雙極板：增材設(shè)計(jì)讓反應(yīng)更均勻
雙極板是質(zhì)子交換薄膜燃料電池的重要組成部分。燃料和氧化劑通過(guò)雙極板中的流道供應(yīng)到反應(yīng)區(qū)，并為反應(yīng)產(chǎn)物提供排出通道。

雙極板中這些功能流道的優(yōu)化目標(biāo)是提高質(zhì)子交換膜燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率。通過(guò)優(yōu)化雙極板內(nèi)流道排布的路徑，可以使化學(xué)反應(yīng)物均勻分布，達(dá)到均勻的溫度分布和均勻的電流密度分布，從而提高質(zhì)子交換膜燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

△質(zhì)子交換膜燃料電池組件

利用增材制造技術(shù)具有的極大設(shè)計(jì)自由度，研究者通過(guò)仿生設(shè)計(jì)或一些特定的幾何設(shè)計(jì)，改進(jìn)雙極板的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，使反應(yīng)物混合更加均勻，并降低雙極板的壓降，從而提高質(zhì)子交換膜燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

△3D打印仿生雙極板流場(chǎng)

人造血管：增材設(shè)計(jì)讓機(jī)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(zhì)，為器官和組織提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)，并排出廢物。因此，人造血管必須滿足足夠的機(jī)械性能和良好的生物相容性的要求。

增材制造技術(shù)由于極高的設(shè)計(jì)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(jī)械性能，比如楊氏模量和拉伸強(qiáng)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(shù)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作室設(shè)計(jì)的3D打印內(nèi)流道產(chǎn)品
結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作室基于注塑產(chǎn)品的技術(shù)需求、隨形水路的設(shè)計(jì)要求、3D打印的工藝特點(diǎn)，為模具行業(yè)應(yīng)用提供全套解決方案。包括模流分析、隨形水路設(shè)計(jì)、模具3D打印、模具的后續(xù)處理和加工。

在塑料注塑過(guò)程中，模具溫度對(duì)注塑制品的質(zhì)量和生產(chǎn)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(yīng)力，熱殘余應(yīng)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(shí)間，整個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期長(zhǎng)短主要由冷卻時(shí)間控制。因此對(duì)模具的溫度控制就變得尤為重要，它主要通過(guò)模具的冷卻系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂坪驼{(diào)節(jié)。

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

3D打印隨形冷卻流道的設(shè)計(jì)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(chǎn)效率提高。在一個(gè)注塑成形周期中，開模、閉模、注塑以及保壓時(shí)間通常遠(yuǎn)小于塑件的固化及冷卻時(shí)間，固化及冷卻時(shí)間占整個(gè)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(dòng)，提高塑件成形精度。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)晶形塑料，模具溫度高有利于結(jié)晶過(guò)程的進(jìn)行，結(jié)晶充分的塑件在存放或使用過(guò)程中不易發(fā)生尺寸的變化。較柔軟的塑料，成形過(guò)程中適合用低模具溫度。無(wú)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(yīng)力小，力學(xué)性能更強(qiáng)
不均勻的冷卻會(huì)在注塑件中產(chǎn)生內(nèi)部殘余熱應(yīng)力，對(duì)注塑件的力學(xué)性能產(chǎn)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(nèi)應(yīng)力，提高塑件的力學(xué)性能和使用壽命。

注：本文部分內(nèi)容來(lái)自Additive manufacturing of products withfunctional fluid channels: A review （Additive Manufacturing）

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1. 試用功能：自動(dòng)化模具隨形水路設(shè)計(jì)、數(shù)字化紋理設(shè)計(jì)、其他智能設(shè)計(jì)需求對(duì)接；
2. 試用對(duì)象：創(chuàng)成云目前只開通企業(yè)功能，試用以企業(yè)為單位；
3. 試用規(guī)則：企業(yè)填寫信息征集表，安世亞太進(jìn)行信息篩選和需求確認(rèn)后，給與試用賬號(hào)和功能權(quán)限；
4. 試用方法：安世亞太將對(duì)試用企業(yè)提供輕咨詢陪伴式在線實(shí)操培訓(xùn)和服務(wù)。

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