複雑な流路製品における積層設計と積層造形の応用

出典: アリアンツ・アジア・パシフィック

積層造形技術の登場により、複雑な流路を持つ製品の設計・製造に革命的な変化がもたらされ、製品における複雑な流路の構造的・機能的統合が真に実現されました。一般的に、流路の機能は物質またはエネルギーを交換することであり、航空宇宙、ロボット工学、生物医学アプリケーションなど、さまざまな分野で広く使用されています。

従来の処理方法では、複雑な流路を持つこれらの製品を直接製造することは通常困難です。段階的な製造であっても、設計者はプロセスの制約を満たしたり、製造コストの圧力を軽減したりするために、製品のパフォーマンスをある程度犠牲にしなければならないことがよくあります。付加製造は、複雑な内部チャネルを持つ製品に新しい製造方法を提供するだけでなく、新しい設計方法の変化も引き起こします。

△複雑な流路を持つ製品における積層造形技術の代表的な応用例
熱交換器: 付加的な設計により熱交換の効率が向上 熱交換器は、流路内で冷たい流体と熱い流体を流すことで熱を伝達し、望ましい加熱または冷却効果を実現します。

熱交換器の場合、流路設計の主な要件は、熱交換器の高い熱伝達効率を達成することです。その中で、流路の比表面積を増やすことが、熱交換器の熱伝達効率を向上させる主な方法です。

従来の熱交換器の構造は、管状または板状構造です。これは、従来の加工方法では複雑な内部流路を製造することが難しく、その後の溶接工程で熱伝達媒体が漏れ、熱伝達効率が低下する可能性があるためです。

付加製造は設計の自由度が高く、従来とは異なる断面や複雑な形状の熱交換チャネルを設計できます。トポロジー最適化技術を使用して、より合理的なチャネル分布を得ることもできます。

積層造形熱交換器の複雑な流路設計は、次の 3 つのカテゴリに分類できます。
流路の比表面積を増やす。下の図に示すように、(a) バンプやフィンを追加して表面積を増やす、(b) ドットマトリックスを充填して表面積を増やす、(c) 流路内にスポイラー構造を設計して表面積を増やす。
流路の断面形状を変更します。次の図に示すように、(d) は液滴断面を持つチャネル、(e) は内部フィンを持つチャネル、(f) は内部フィンと外部フィンを持つチャネルです。
流路の流れ方向を変更します。次の図に示すように、(g) スパイラルコンフォーマル冷却チャネル、(h) 等距離コンフォーマル冷却チャネル、および (i) 熱流体トポロジー最適化冷却チャネル。

熱交換器の流路設計図(g)、(h)、(i)のプラスチック射出成形金型の適合冷却流路は、冷却効果が向上して冷却効率が向上し、生産効率が向上するだけでなく、冷却速度がより均一になり、射出成形製品の機械的特性と歩留まりが向上します。
流体動力部品: 添加剤設計により流体効率が向上 流体動力素子の流路の機能は、流体の流れを利用して液体の圧力を伝達し、それによって必要な駆動動作と制御機能を実現することです。

流体動力コンポーネントの機能的なフローチャネルの重要な目標の 1 つは、流体動力コンポーネントの高出力密度または高出力重量比を実現することです。この目標を達成するには、主に 2 つの方法があります。1 つは流路のエネルギー損失を減らすことであり、もう 1 つは流路の構造と配置を最適化することです。

付加製造技術により、従来の処理で生成される直角の曲がりやツール先端の空洞がなくなり、より滑らかでコンフォーマルな曲線遷移が採用され、渦電流が減少し、流れの状態が最適化され、圧力損失が低減します。

付加製造技術により、統合成形が実現し、プロセス穴がなくなり、潜在的な漏れのリスクが軽減されます。

付加製造により、元のクロスドリル構造を放棄し、パイプネットワーク構造に最適化し、余分な質量を取り除き、電力コンポーネントのサイズと重量を効果的に削減できます。

△上図(d)の油圧統合ブロックには、8つのバルブとセンサーが接続されています。積層造形に基づく設計により、スムーズな遷移、より大きな旋回半径、より少ない旋回回数で、油圧統合ブロック内の流体流動性能が向上しています。従来の油圧一体型ブロックに比べ、重量が92%削減され、平均圧力損失が31%削減され、構造重量を軽減しながら流体の流動性能が向上します。

燃料電池バイポーラプレート：添加剤設計により反応がより均一に バイポーラプレートは、プロトン交換膜燃料電池の重要な構成要素です。燃料と酸化剤は、バイポーラプレートの流路を通じて反応ゾーンに供給され、反応生成物の排出流路も提供します。

バイポーラプレート内のこれらの機能的な流路を最適化する目的は、プロトン交換膜燃料電池のエネルギー変換効率を向上させることです。バイポーラプレート内の流路配置の経路を最適化することで、化学反応物質を均一に分散させ、均一な温度分布と均一な電流密度分布を実現し、プロトン交換膜燃料電池のエネルギー変換効率を向上させます。
△プロトン交換膜燃料電池部品は、積層造形技術の優れた設計自由度を活用しています。研究者は、バイオニック設計や特定の幾何学的設計を通じてバイポーラプレートのフローフィールド設計を改善し、反応物の混合をより均一にし、バイポーラプレートの圧力降下を低減することで、プロトン交換膜燃料電池のエネルギー変換効率を向上させています。

△3Dプリントバイオニックバイポーラプレートフローフィールド
人工血管：添加剤設計により機械的特性と生体適合性が向上

血管の機能は、組織液と物質を交換し、臓器や組織に酸素や栄養素を供給し、老廃物を排泄することです。したがって、人工血管は適切な機械的特性と良好な生体適合性の要件を満たす必要があります。

積層造形技術は、設計の自由度が極めて高く、使用材料の多様性があり、製造効率も高いことから、人工血管の製造に利用され始めています。

一方で、人工血管のヤング率や引張強度などの機械的特性は、体内の血管のそれと一致していなければなりません。他方で、人工血管は生物活動も考慮し、酸素や栄養素を輸送し、代謝老廃物を排泄できなければなりません。

△3Dプリント人工血管技術
構造最適化スタジオが設計した 3D プリント内部流路製品 構造最適化スタジオは、射出成形製品の技術要件、コンフォーマル水路の設計要件、および 3D 印刷のプロセス特性に基づいて、金型業界のアプリケーション向けの完全なソリューションセットを提供します。金型フロー解析、コンフォーマル水路設計、金型 3D プリント、およびその後の金型の処理と機械加工が含まれます。

プラスチック射出成形プロセス中、金型温度は射出成形製品の品質と生産効率に重要な影響を及ぼします。金型キャビティ内の冷却均一性は製品の熱残留応力に直接影響し、射出成形製品の変形の重要な原因となります。金型キャビティ内の冷却速度は冷却時間に直接影響し、製品の生産サイクル全体の長さは主に冷却時間によって制御されます。したがって、金型の温度制御が特に重要になり、適切な制御と調整を行うために主に金型冷却システムを通じて実現されます。

3D プリント技術は、複雑な構造を形成する上で疑いの余地のない利点があり、複雑な構造のコンフォーマル冷却チャネルを可能にします。コンフォーマル冷却チャネルの構造最適化は、水チャネルの冷却バランスの改善、金型内のホットスポットの排除、冷却の均一化、製品の変形や亀裂などの欠陥の回避に役立ちます。コンフォーマル冷却チャネルの構造最適化は、冷却時間の短縮、製品生産サイクルの短縮、生産効率の向上にも役立ちます。

3D プリントのコンフォーマル冷却チャネルの設計アイデアは、冷却チャネルを金型キャビティの表面にしっかりと取り付け、金型キャビティの形状に合わせて変化させることです。

1) サイクルの短縮と成形速度の高速化 成形サイクルを短縮することで、射出成形部品の生産効率を向上させることができます。射出成形サイクルでは、金型の開閉、射出、圧力保持にかかる時間は、通常、プラスチック部品の硬化および冷却時間よりもはるかに短くなります。硬化および冷却時間は、成形サイクル全体の 50% ～ 80% を占めます。 3D プリントされたコンフォーマル冷却チャネルは金型キャビティ表面に近いため、冷却効率が向上し、成形サイクルが短縮されます。

2) 均一な冷却と高い寸法精度 金型温度を安定させることで、プラスチック部品の収縮の変動を抑え、プラスチック部品の成形精度を向上させることができます。一般的に、結晶性プラスチックの場合、金型温度が高いと結晶化プロセスが促進され、完全に結晶化したプラスチック部品は保管中や使用中にサイズが変化する可能性が低くなります。柔らかいプラスチックは、成形プロセス中の金型温度が低い場合に適しています。材質に関係なく、3D プリントされたコンフォーマル冷却チャネル金型の温度が一定であればあるほど、収縮も安定し、射出成形された製品の寸法精度の向上につながります。

3) 熱応力が小さく、機械的性質が強い 冷却が不均一になると、射出成形部品に内部残留熱応力が生じ、射出成形部品の機械的特性に悪影響を与える可能性があります。 3D プリントされたコンフォーマル冷却チャネル金型の均一な冷却により、プラスチック部品の内部応力が軽減され、プラスチック部品の機械的特性と耐用年数が向上します。

注: この記事の一部は、「機能性流体チャネルを備えた製品の付加製造: レビュー (付加製造)」からの抜粋です。

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1. 試用機能：自動金型適合水路設計、デジタルテクスチャ設計、その他のインテリジェント設計要件のドッキング。
2. トライアル対象：創成クラウドは現在、エンタープライズ機能のみを公開しており、トライアルはエンタープライズに基づいています。
3. トライアルルール：企業は情報収集フォームに記入し、Anshi Asia Pacificが情報を審査してニーズを確認した後、トライアルアカウントと機能権限が付与されます。
4. トライアル方法：アリアンツ・アジア・パシフィックは、トライアル企業に簡単なコンサルティングとそれに伴うオンライン実践トレーニングおよびサービスを提供します。

△QRコードをスキャンしてトライアルに申し込む

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