關于增材制造-3D打印技術在發(fā)酵行業(yè)的應用，3D科學谷曾經(jīng)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(nèi)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(yè)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(nèi)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(fā)有限公司研發(fā)生產(chǎn)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(fā)酵并產(chǎn)生一般粘滯性氣泡的生產(chǎn)工藝中，而螺線管作為自動吞沫機的核心部件，由于內(nèi)部流通通道的復雜性和特殊性，采用傳統(tǒng)制造工藝難以滿足現(xiàn)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(chuàng)新帶來了新的空間。

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

圖1 螺線管的優(yōu)化設計流程。來源：安世亞太

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(shù)化，然后通過流體仿真軟件獲得氣流在螺線管內(nèi)的流動情況，并利用參數(shù)優(yōu)化軟件完成對螺線管的設計參數(shù)優(yōu)化，最后通過增材制造技術生產(chǎn)得到優(yōu)化后的螺線管。

 研究對象及目標

      本文以某種規(guī)格螺線管作為分析對象，其原始設計結(jié)構(gòu)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(yōu)化螺線管的幾何結(jié)構(gòu)，提高空氣入流速度以及吸沫口內(nèi)外壓力差，進而提高螺線管的吸沫能力。

圖2 某規(guī)格螺線管原始設計。來源：安世亞太

 參數(shù)化建模

按照螺線管的原始結(jié)構(gòu)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(shù)進行參數(shù)化，詳情可見表3.1。幾何特征的建模及參數(shù)化可通過ANSYS DesignModeler進入到后續(xù)仿真流程中。

圖3 流體仿真所用計算域。來源：安世亞太

表3.1 可進行參數(shù)化的幾何特征參數(shù)。來源：安世亞太

 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(nèi)的流動情況，得出管道入口的空氣進氣量和吸沫口內(nèi)外壓力差，并對管道入口的空氣進氣量和吸沫口內(nèi)外壓力差進行參數(shù)化，用于后續(xù)optiSLang的參數(shù)優(yōu)化。

     空氣在原設計螺線管內(nèi)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(nèi)外壓力差為5.255KPa。

圖4 空氣在原設計螺線管內(nèi)的速度和壓力分布情況。來源：安世亞太

 優(yōu)化設計

     采用optiSLang對螺線管的幾何特征參數(shù)進行優(yōu)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(nèi)外壓力差最大。該優(yōu)化設計過程分為三步，第一步是參數(shù)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(shù)，并對設計目標和約束進行響應面的擬合，生成高質(zhì)量的響應面，用于后續(xù)的優(yōu)化分析。本案例的參數(shù)敏感性分析結(jié)果見圖5，通過分析，發(fā)現(xiàn)螺旋數(shù)和螺旋葉片數(shù)量對設計目標和約束最敏感。

圖5 參數(shù)敏感性分析結(jié)果。來源：安世亞太

(責任編輯：admin)

• NASA與ICON聯(lián)手推進太空3D
• 第八屆醫(yī)院3D打印論壇：個
• 3D打印巨頭Stratasys收購
• Nature子刊：3D打印技術助
• 全球兩大3D掃描儀巨頭合并
• 美國交通部長稱，F(xiàn)AA正借

• ·NASA與ICON聯(lián)手推進太空3D打印：月球基
• ·第八屆醫(yī)院3D打印論壇：個性化醫(yī)療已成
• ·3D打印巨頭Stratasys收購破產(chǎn)企業(yè)Forwa
• ·Nature子刊：3D打印技術助力可穿戴皮膚
• ·全球兩大3D掃描儀巨頭合并，形創(chuàng)母公司
• ·美國交通部長稱，F(xiàn)AA正借助3D打印與eBa
• ·意大利WASP與哥倫比亞大學合作：3D打印
• ·Formlabs首席執(zhí)行官稱公司陷入中美貿(mào)易