3Dプリントと流体シミュレーションおよび最適化技術を組み合わせることで、ソレノイドの設計と製造が可能になります。

著者: 鄭千千出典: Anshi Asia Pacific

発酵産業における積層造形（3Dプリント技術）の応用に関して、3D Science Valleyはかつて、ビール醸造者向けにGEが設計した新しいブレードを紹介した。このブレードは3Dプリント技術を使用して作られ、麦芽を刻んだり叩いたりするときに水を注入できる特殊な内部チャネルを備えている。このアプリケーションでは、GE は航空宇宙産業と同様の空気力学の専門知識を活用して、ろ過と注入のプロセスの時間を約 50% 短縮しました。これにより、醸造業者は 1 日に醸造できるビールの量を 2 倍にすることができます。

偶然にも、3Dプリントによる空気流入速度の向上技術は、北京博碩徳恒技術開発有限公司が開発・製造した空気脱泡技術、自動泡飲み込み装置にも応用されている。 Boshuo Deheng は、3D プリント技術を利用して、自社のデバイス内のソレノイドのフォーム吸引能力を向上させようとしています。

博碩徳恒科技の設備は、生物の好気性発酵や一般的な粘性泡の生産プロセスに広く使用されています。ソレノイドは自動泡飲み機のコアコンポーネントです。内部循環チャネルの複雑さと特殊性により、従来の製造プロセスでは、ソレノイドの迅速かつ低コストの開発に対する現代のプロセスの要求を満たすことが困難です。3Dプリントは、ソレノイドの革新に新たな空間をもたらしました。

この号では、流体最適化シミュレーション技術に基づくソレノイド最適化設計のための Ansem Asia Pacific の分析プロセスと方法を詳しく説明します (図 1 を参照)。

図1 ソレノイド最適化設計プロセス

この記事の場合、ソレノイドは最初に元の設計に基づいて幾何学的にモデル化され、パラメータ化されます。次に、流体シミュレーションソフトウェアを使用してソレノイド内の空気の流れを取得し、パラメータ最適化ソフトウェアを使用してソレノイドの設計パラメータを最適化します。最後に、最適化されたソレノイドが積層造形技術を使用して製造されます。

研究対象と目的 本論文では、ある仕様のソレノイドを解析対象とし、その本来の設計構造を図2に示す。流体シミュレーション解析により、ソレノイド通過後の空気の噴流速度を求め、ソレノイドの幾何学的構造を最適化することで、空気の流入速度と泡吸引口の内外の圧力差を増加させ、ソレノイドの泡吸引能力を向上させた。
図2 特定仕様のソレノイドのオリジナル設計 パラメトリックモデリング ソレノイドの本来の構造に従って確立された流体シミュレーションの計算領域を図 3 に示し、対象となる幾何学的特徴パラメータをパラメータ化します。詳細は表 3.1 を参照してください。幾何学的特徴のモデリングとパラメータ化は、ANSYS DesignModeler を通じて後続のシミュレーションプロセスに組み込むことができます。
図3 流体シミュレーションに用いられる計算領域表3.1 パラメータ化可能な幾何学的特徴パラメータ
フローフィールド解析 流体シミュレーションソフトウェアANSYS Fluentを使用してソレノイドの流れ場を解析し、特定の境界と材料特性の下での螺旋管内の空気の流れを取得しました。パイプ入口での空気取り入れ口と泡吸引口の内外の圧力差を取得し、パイプ入口での空気取り入れ口と泡吸引口の内外の圧力差をパラメータ化して、その後のoptiSLangのパラメータ最適化を行いました。

オリジナルのソレノイド設計における空気の流れを図 4 に示します。図から、ソレノイド入口の空気流量は485m/s、泡吸引口内外の圧力差は5.255KPaであることがわかります。

図4. オリジナルのソレノイド設計における空気の速度と圧力分布

最適化されたデザイン OptiSLang は、ソレノイドの幾何学的特性パラメータを最適化するために使用され、パイプ入口での空気吸入を最大化し、所定の圧力条件下でのフォーム吸引ポートの内側と外側の圧力差を最大化することを目的としています。

最適化設計プロセスは 3 つのステップに分かれています。最初のステップはパラメータ感度分析です。これは、設計目標と制約に対して最も敏感な (つまり、最も重要な) 設計パラメータを見つけ、応答曲面を設計目標と制約に適合させて、後続の最適化分析のための高品質の応答曲面を生成することです。この場合のパラメータ感度解析結果を図 5 に示します。解析により、スパイラルの数とスパイラルブレードの数が設計目標と制約に対して最も敏感であることがわかります。
図5 パラメータ感度解析結果 2番目のステップは、パラメータ感度解析によって得られた設計パラメータ空間と応答曲面関数（MOP）に基づいて最適化解析を実行することです。最適化の目的と制約を定義し、最適化アルゴリズムを設定することで、最初のステップで得られた高品質の応答曲面関数 (MOP) に基づいて、最適化設計を迅速に実行でき、多くの時間を節約できます。迅速な最適化分析の結果は図 6 に示されており、そこから特定の目的と制約の下での最適な設計ポイントが得られます。
図 6 MOP 最適化解析結果 3 番目のステップは、2 番目のステップで得られた最終的な最適化設計に対して確認解析を実行することです。迅速な最適化解析結果に基づいて、最適な幾何学的構造パラメータの組み合わせが得られ、図 7 に示すように、ANSYS DesignModeler でソレノイド構造が更新されます。次に、ANSYS Fluent で確認解析を実行して、最終的にソレノイドの最適設計が完了します。
図 7 最適化されたソレノイド構造最適化されたソレノイド内の空気の流れを図 8 に示します。図から、ソレノイド入口の空気流量は594m/s、泡吸引口内外の圧力差は32.641KPaであることがわかります。
図8 最適化後のソレノイド内の空気の速度と圧力分布。ソレノイドの最適化前後の空気の流量と圧力分布を比較すると、最適化後にソレノイドに入る空気の流量が22％増加し、泡吸引ポートの内外の圧力差が最適化後に5倍に増加し、ソレノイドの泡吸引効果が大幅に向上していることがわかります。

ソレノイド製造 積層造形技術によって製造されたソレノイドを図 9 に示します。
図9 最適化されたソレノイドの完成品
概要 本稿では、流体シミュレーションソフトウェアANSYS Fluentとパラメータ最適化ソフトウェアoptiSLangを呼び出し、与えられた制約条件と設計要件に基づいて一定仕様のソレノイド構造の設計を最適化し、性能設計要件を満たすソレノイド構造を実現する。上記の事例は、流体シミュレーション最適化技術を製品最適化設計プロセスに適用することで、製品性能の向上、製品設計サイクルの短縮、積層造形の製造コストの削減が実現できることを示しています。

従来の鋳造および加工技術と比較して、3Dプリント-付加製造技術は、金型フリー、ツールフリー、加工フリーを大幅に実現できるため、自由な製造が実現され、複雑な構造の製造問題を効果的に解決し、多様でパーソナライズされた生産と加工が可能になります。これにより、プロセスの制約も大幅に軽減され、自由な設計と革新的な設計の可能性が高まります。そのため、付加製造技術は製品に新たな設計コンセプトをもたらし、製品設計プロセスを大幅に簡素化し、設計者は元の設計に基づいて大規模な、あるいは破壊的な設計改善を行うことができ、製品開発コストとサイクルが大幅に短縮されます。

-著者-
鄭千千は天津大学で化学工学の博士号を取得しており、CAE 業界の研究と応用で 10 年の経験があります。多相流、燃焼反応、伝熱解析など、複数の分野でのシミュレーション解析を得意としており、国内外で数多くのシミュレーションコンサルティングプロジェクトに参加し、完了させています。彼は現在、Anshi Sino-German Consultingの専門家であり、主に流体シミュレーションのコンサルティングに従事しています。

3Dプリントと流体シミュレーションおよび最適化技術を組み合わせることで、ソレノイドの設計と製造が可能になります。

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