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竹澤晃弘

広島大学大学院工学研究科
輸送・環境システム専攻
准教授



Design for Additive Manufacturing: 液体冷却のための傾斜機能ラティス構造


射出成形やダイカスト用の金型は多品種少量生産であり,金属3Dプリンタの活用先として良く挙げられます.特に内部に複雑な水路を設け,高効率冷却を図る技術がコンフォーマル冷却と呼ばれ注目を集めています.もし,冷却水路という概念を捨て,金型内部にラティス構造を形成し,冷却水で満たすような構造にすればもっと冷えるのではないでしょうか?ただし,均一にラティスを形成しただけではうまく冷却水が流れてくれません.例えば,以下のように左面に冷却水の流入口と流出口がある直方体の領域が,周囲から熱流束を受ける場合に表面温度を下げる問題を考えます.

以下は当研究室で開発した最適化法で得た最適なラティス構造です.場所によってラティスの密度が異なる傾斜機能ラティス構造となっています.最適化手法はレイノルズ数300程度までの流速に対応可能で,同体積の均一なラティス構造と比較しおよそ3倍の冷却性能を持ちます(冷却水の供給圧力を等しくした場合).

左上はラティスの直径分布,右上と下図はラティスの詳細なジオメトリです.対称性を考慮し,下半分のみで解析と最適化を行っています.

最適ラティス構造を導入した小型の金型を知の拠点あいちの金属3Dプリンターで作って頂きました.内視鏡で覗き込むと内部のラティス構造が確認できます.

関連文献:

A. Takezawa, X. Zhang, M. Kato, M. Kitamura, Method to Optimize an Additively-Manufactured Functionally-Graded Lattice Structure for Effective Liquid Cooling, Addit. Manufact., 28 (2019) 285-298.