教程|用3DXpert设计国际竞赛获奖同款直升机热交换器


想知道获得国际Cool Parts Show竞赛设计大奖的直升机热交换器优化方案是怎样制作的吗?Oqton 旗下软件3DXpert 和Amphyon赋能增材制造,跟着文末教程操作,你也可以设计同款!

使用3DXpert 设计、Trumpf打印的热交换器
(Cool Parts Show竞赛设计大奖作品, 图片来源:美国增材制造行业杂志 Additive Manufacturing Media)

什么是热交换器

热交换器是用来交换热量的部件。有些设备工作时会产生大量的热量,而这些多余的热量如若不能快速散去就会聚积起来产生高温,很可能会毁坏正在工作的设备。热交换器被广泛应用于汽车、航空航天、化工、发电厂、家用空调和电子设备等各个行业。

在先进的增材制造工艺技术的加持下,热交换器的设计流程也有了很多优化。

使用3DXpert 设计、Trumpf打印的热交换器
使用3DXpert 设计、Trumpf通快金属打印的热交换器)

获奖直升机热交换器优化方案解析

这个方案首先对原本由12个部件组成的设计,改进为单个零件,并采用了内部Gyroid隐式模型和晶格填充以及表面翅片的结构,在进行了流体仿真验证使用效果后,将设计优化结果在Oqton旗下的Amphyon插件中进行成型仿真以确保打印一次成功。

amphyone仿真
(Amphyon进行成型仿真)

基于增材制造思路设计的一体化成型热交换器,其体积仅为原始设计的一半,而其效能则提升了四倍,并且支持自支撑,减少不必要的支撑材料使用和后处理时间,达到减轻减重、保证强度的同时避免浪费、节约成本。

表面的网格线翅片结构也有异曲同工之妙。通过添加网格线设计,可以增大热交换器的表面积,同时类似加强筋的结构可以更好地保证结构强度。
获奖作品内部结构分析
(获奖作品内部结构分析,图片来源:美国增材制造行业杂志 Additive Manufacturing Media)

此外,在零件壳体和内部隐式模型直接还额外添加了一层网状晶格结构,用于搅浑气流,强化对流使温度分布均匀。

在实际打印前,零件导入Oqton旗下的Amphyon软件中进行工艺成型仿真,仿真的结果用于判断是否会打印失败以及打印中可能产生的风险。
仿真
Amphyon独特的针对增材设计的网格划分方法,可对热交换器内部结构细节进行描述,更好地预测打印结果。并可根据零件变形结果进行预变形,以保证最终打印成品与设计一致。

手把手教你创建热交换器

第一步:导入模型

首先,打开3DXpert,并导入一个热交换器设计模型。您也可以在3DXpert中从零开始创建。3DXpert在部件创建模式下,提供了丰富的基于B-rep的模型设计功能,符合CAD设计习惯,可进行快速创建与编辑。

第一步:导入模型


第二步:添加内部热交换结构

模型设计时已将内外部分进行了单独创建,因而可轻松选取内部结构,并对其设置为 Gyriod单元。我们采用和获奖案例类似的尺寸和方式。
第二步:添加内部热交换结构
在3DXpert中,有两种方式可以创建这种单元结构。一个是选择“隐式建模-创建隐式对象”,并选中内部结构。另一种是在“晶格”中添加“基于功能”在的晶胞结构。在几何界面的模板下的Gyroid单元类型。单元尺寸设置为7mm*7mm*12mm。如果需要设置为渐变的结构或者更改为自定义晶胞结构,需要采用第一种方式,并通过打开右侧的公式设置界面,进行编写公式。

第三步:添加网状搅浑结构晶格

隐藏Gyriod结构后,选择晶格下的“曲面晶格”并选择需要添加网格的表面。选择网格线类型,并设置合适的参数。(下图中切割面的搅浑结构只是作为展示添加)
第三步:添加网状搅浑结构晶格
第四步:添加外部翅片网格线

采用与内部一样的步骤,并更改合适的参数,为外表面添加网格线。
第四步:添加外部翅片网格线
第五步:成型仿真

在3DXpert中,内嵌了Amphyon的成型仿真算法,用户可在同一界面内使用Amphyon独特的网格划分方法和求解器,对设计后的零件进行仿真。根据零件形状和材料特性,创建支撑。随后对其进行“建模模拟分析”,采用推荐尺寸大小进行网格划分。
第五步:成型仿真
第六步:扫描策略规划

为不同类型的部分设置不同的属性,并配置各自专属的扫描策略。如需针对某个区域设额外的扫描方式,可以使用虚拟部件的方式,将此部分提取出来并设置相应策略。
第六步:扫描策略规划

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