關于增材制造-3D打印技術在發酵行業的應用，3D科學谷曾經介紹過一種GE公司為啤酒釀造商設計的新型刀片，這款刀片采用3D打印技術制造，擁有特殊的內部通道，能夠在切碎和攪打麥芽時將水注入其中。在這一應用中，GE利用類似于航空航天領域空氣動力學的專業知識將過濾和噴射過程的時間減少了近50％，這意味著啤酒釀造商可以在一天之內將啤酒釀造量增加一倍。

 

無獨有偶，通過3D打印來提高空氣入流速度的技術在北京博碩德恒科技開發有限公司研發生產的空氣消泡技術-自動吞沫成套設備中也得到了應用。博碩德恒正在嘗試通過3D打印技術提高其設備中螺線管的吸沫能力。

 

博碩德恒科技的設備廣泛適用于生物好氧發酵并產生一般粘滯性氣泡的生產工藝中，而螺線管作為自動吞沫機的核心部件，由于內部流通通道的復雜性和特殊性，采用傳統制造工藝難以滿足現代工藝對螺線管快速低成本研制的需求，而3D打印為螺線管的創新帶來了新的空間。

 

本期的增材.專欄文章完整地展示了安世亞太基于流體優化仿真技術進行螺線管優化設計的分析流程及方法（如圖1所示）。

 

圖1 螺線管的優化設計流程

 

在本文的案例中，先是基于螺線管原始設計對螺線管進行幾何建模并參數化，然后通過流體仿真軟件獲得氣流在螺線管內的流動情況，并利用參數優化軟件完成對螺線管的設計參數優化，最后通過增材制造技術生產得到優化后的螺線管。

 

研究對象及目標

本文以某種規格螺線管作為分析對象，其原始設計結構如圖2所示，通過流體仿真分析，獲得空氣通過螺線管后的射流速度，并通過優化螺線管的幾何結構，提高空氣入流速度以及吸沫口內外壓力差，進而提高螺線管的吸沫能力。

 

圖2 某規格螺線管原始設計

 

參數化建模

按照螺線管的原始結構所建立的流體仿真用計算域如圖3所示，并對關注的幾何特征參數進行參數化，詳情可見表3.1。幾何特征的建模及參數化可通過ANSYS DesignModeler進入到后續仿真流程中。

 

圖3 流體仿真所用計算域

 

表3.1 可進行參數化的幾何特征參數

流場分析

利用流體仿真軟件ANSYS Fluent對螺線管進行流場分析，獲得在特定邊界與材料屬性下空氣在螺線管道內的流動情況，得出管道入口的空氣進氣量和吸沫口內外壓力差，并對管道入口的空氣進氣量和吸沫口內外壓力差進行參數化，用于后續optiSLang的參數優化。

 

空氣在原設計螺線管內的流動情況，如圖4所示。從圖中可以看出，螺線管入口的空氣流速為485m/s，而吸沫口內外壓力差為5.255KPa。

 

圖4 空氣在原設計螺線管內的速度和壓力分布情況

 

優化設計

采用optiSLang對螺線管的幾何特征參數進行優化設計，其目標是使得所設計的螺線管在給定壓力條件下，管道入口的空氣進氣量最大，吸沫口內外壓力差最大。

 

該優化設計過程分為三步，第一步是參數敏感性分析，即尋找對設計目標和約束最敏感（即最重要）的設計參數，并對設計目標和約束進行響應面的擬合，生成高質量的響應面，用于后續的優化分析。本案例的參數敏感性分析結果見圖5，通過分析，發現螺旋數和螺旋葉片數量對設計目標和約束最敏感。

 

圖5 參數敏感性分析結果

 

第二步是根據參數敏感性分析得到的設計參數空間和響應面函數（MOP）進行優化分析。通過定義優化目標、約束條件以及設定優化算法，并基于第一步得到的高質量響應面函數（MOP），可以進行快速進行優化設計，節省大量時間?？焖賰灮治鼋Y果如圖6所示，由此獲得在特定目標和約束條件下的最優設計點。

 

圖6 MOP優化分析結果

 

第三步是對第二步中獲得的最終優化設計進行驗證性分析?；诳焖賰灮治鼋Y果獲得最優幾何結構參數組合，并在ANSYS DesignModeler中更新螺線管結構，如圖7所示，然后在ANSYS Fluent中進行驗證性分析，最終完成螺線管的優化設計。

 

圖7 優化后的螺線管結構

 

空氣在優化后螺線管內的流動情況，如圖8所示。從圖中可以看出，螺線管入口的空氣流速為594m/s，而吸沫口內外壓力差為32.641KPa。

 

圖8 空氣在優化后螺線管內的速度和壓力分布情況

 

通過對比螺線管優化前后的空氣的流速和壓力分布發現，優化后空氣進入螺線管的流量增加22%，而優化后吸沫口內外壓力差增大了5倍，螺線管的吸沫效果得到了顯著提高。

 

螺線管生產制造

采用增材制造技術生產得到的螺線管如圖9所示。

 

圖9 優化后螺線管的制造成品

 

總結

本文通過調用流體仿真軟件ANSYS Fluent和參數優化軟件optiSLang，基于給定的約束條件和設計要求，對某規格螺線管結構進行了優化設計，實現了滿足性能設計要求的螺線管結構。通過上面的案例說明，流體仿真優化技術可以應用于產品的優化設計過程，從而提升產品性能、縮短產品設計周期、降低增材制造的生產成本。

 

3D打印-增材制造技術與傳統鑄造、加工工藝相比，可以在很大程度上實現免模具、免工裝、免加工，從而實現自由制造，有效解決復雜結構的制造難題，使得多元化、個性化生產加工成為可能，這也大大減少了工藝的約束，為自由設計、創新設計提供了更大的可能性，因此，增材制造技術帶來了產品全新設計的理念，使得產品設計過程大大簡化，設計師可以在原來設計的基礎上進行大規模甚至顛覆性的設計改進，產品的開發成本與周期明顯縮短。