Este guia resume conselhos práticos de projeto para dutos e coletores de ar impressos em 3D. Ele ajuda suas peças a movimentar o ar com eficiência e a entrar na produção com mais rapidez.
Usinar ou moldar dutos de ar com curvas internas, ramificações ou saídas angulares é difícil e caro. O custo do molde para tais formatos pode exceder a própria peça. Algumas geometrias internas não podem ser formadas sem corrediças complexas ou montagem de múltiplas peças.
A impressão 3D não precisa considerar isso. Canais curvos, ramificações internas, estruturas de montagem integradas e geometria compacta podem ser formados em uma única peça sem qualquer trabalho de molde. Os seguintes designs difíceis de conseguir podem ser feitos com impressão 3D:
Dutos que antes eram quase impossíveis de moldar agora podem ser fabricados, testados e otimizados em poucos dias.
Os projetos de dutos de ar raramente são finalizados em uma única passagem. Produtos de refrigeração HVAC, automotivos, robóticos e eletrônicos geralmente precisam de várias rodadas de testes de fluxo de ar antes que a geometria se torne gradualmente fixa. A impressão 3D permite testar diferentes diâmetros de dutos, ângulos de saída, posições de divisores e configurações de montagem sem investir em moldes.
Cada versão pode ser impressa e testada em poucos dias. Se for esperado que um duto mude de três a cinco vezes, a impressão 3D é mais rápida e barata do que fazer moldes antecipadamente. Na fase inicial do projeto, os requisitos de fluxo de ar e o layout da instalação ainda não estão totalmente estáveis. Essa capacidade de se ajustar rapidamente é o que mais ajuda.
Em aplicações automotivas, de drones, de robótica, de refrigeração eletrônica e de dispositivos portáteis, o peso e o espaço são mais críticos. Cada grama extra de peso do duto significa que o resto do sistema suporta mais um grama de carga, carga de dissipação de calor ou espaço de fiação.
A impressão 3D pode colocar material apenas onde o suporte estrutural é necessário. Isso mantém a parede do duto compacta sem perder resistência. Costelas, reforços e espessura da parede podem ser ajustados localmente. Não é necessário aplicar uma espessura uniforme em toda a peça.
Essa abordagem é comum em:
Ao projetar dutos de ar, primeiro defina as metas de desempenho. Antes de abrir o software CAD, pense nos objetivos que a peça precisa atender em termos de fluxo de ar, pressão e espaço de instalação.
Antes de finalizar a geometria, primeiro esclareça as condições de trabalho que o duto ou manifold precisa atender. Esses dados determinarão a espessura da parede, o raio de curvatura e as posições de saída no projeto posterior.
Pelo menos esclareça o seguinte:
Se os dados de desempenho ainda não estiverem completos, tudo bem. Forneça as informações que você já possui, como modelo do ventilador, fluxo de ar alvo, dimensões de entrada e saída e condições gerais de operação. O fornecedor pode então avaliar a estrutura com base nisso.
Um projeto que pareça razoável no desenho pode não ser viável na montagem real. Peças próximas, folgas e espaço operacional afetam a geometria final.
Antes de finalizar o projeto, verifique os seguintes itens:
Em nossa experiência, alterações na montagem são uma causa comum de retrabalho nos dutos de ar. Depois que a posição de montagem muda, o raio de entrada, saída ou curvatura também precisa ser ajustado, mesmo que o projeto original do fluxo de ar em si estivesse bom. Considerar o espaço de fluxo de ar e o espaço de montagem juntos desde o início pode evitar o redesenho posterior.
A posição de entrada e o layout de saída afetam diretamente a distribuição uniforme do fluxo de ar pela peça. Isto é especialmente importante para variedades.
Uma abordagem comum é usar uma única entrada central para fornecer múltiplas saídas. Mas se o volume próximo à entrada se expandir muito rapidamente, ou se o fluxo se dividir muito repentinamente, algumas saídas fornecerão claramente mais ar do que outras. Determine antecipadamente as posições de entrada e saída. Isso deixa espaço para ajustar o comprimento dos ramos e o volume interno antes que a geometria seja finalizada.
A geometria interna do duto geralmente tem um impacto maior na queda de pressão, no ruído e na uniformidade do fluxo de ar do que as pessoas esperam. Siga alguns princípios simples de design e o resultado será muito melhor.
Cantos agudos, mudanças repentinas na seção transversal, transições abruptas e etapas internas desnecessárias perturbam o fluxo de ar, aumentam a resistência e forçam o ventilador ou soprador a consumir mais energia.
Ao projetar, siga estes pontos:
Quando for necessário girar, use um raio de curvatura tão grande quanto possível, evitando ângulos retos forçados de 90 graus. Quanto maior o raio, menor será a turbulência e a perda de pressão naquele local.
O efeito da alteração da área da seção transversal é mais direto do que a geometria do canto. Quando um duto encolhe ou expande repentinamente a partir de uma grande seção transversal, isso traz uma série de problemas:
As transições perto de saídas críticas devem usar reduções graduais, evitando mudanças escalonadas. Aumentar um pouco mais a seção de transição não aumenta muito o tempo de impressão, mas pode proporcionar um fluxo de ar mais uniforme.
A espessura da parede precisa equilibrar o espaço interno do fluxo de ar, a rigidez estrutural, a capacidade de impressão, o peso e o custo.
Se a parede for muito fina, é provável que ocorram estes problemas:
Se a parede for muito grossa, surge outro conjunto de problemas:
Processo | Parede Mínima Típica | Recomendado para dutos funcionais |
SLA (resina) | 0,5-1,0mm | 1,5-2,0 mm |
SLS (náilon) | 0,8-1,0 mm | 1,5-2,5mm |
MJF (náilon PA12) | 0,8-1,0 mm | 1,5-2,5mm |
FDM | 0,8-1,2 mm | 2,0-3,0 mm |
Esses intervalos são apenas referências iniciais. A espessura mínima real da parede depende da geometria da peça, do vão e da classe do material.
Comparado com um único duto, um coletor possui uma estrutura mais complexa. O ar precisa se dividir e ainda manter fluxo e pressão semelhantes em cada saída. O design precisa de mais reflexão.
Quando múltiplas saídas precisam de fluxo de ar semelhante, você deve manter a geometria de cada ramificação do coletor o mais equilibrada possível. O comprimento do ramo, o diâmetro de saída, o ângulo de saída e o volume interno afetam a distribuição do fluxo em cada junção.
Por exemplo, em um coletor com uma ramificação curta e uma ramificação longa, mais ar fluirá pelo caminho mais curto, a menos que você compense com o tamanho ou ângulo da saída. É melhor verificar o equilíbrio dos ramos antes do primeiro teste de fluxo. Isso pode evitar retrabalhos posteriores.
Algumas áreas dentro do coletor tendem a formar zonas de estagnação de baixa velocidade onde o ar quase não se move. Ramos mal posicionados criam zonas mortas, reduzem o fluxo de ar eficaz e causam desempenho de saída inconsistente.
Evite, tanto quanto possível, grandes cavidades fechadas. Posicione as saídas ao longo da direção do fluxo principal, não deslocadas para um lado. Ajustar as posições das ramificações pode eliminar zonas mortas. Você não precisa redesenhar todo o coletor.
A posição da divisão e o formato da junção afetam a suavidade com que o ar entra em cada ramificação. Quando o fluxo se divide repentinamente, o ar se separa abruptamente em uma junção acentuada. Esta área produz turbulência mais forte.
Mude para uma divisão gradual com uma junção curva ou cônica. A transição é mais suave e o fluxo em cada ramificação é mais fácil de controlar. Essa pequena mudança geométrica é fácil de conseguir com a impressão 3D, mas é mais difícil de fazer com a moldagem.
O acabamento da superfície interna é invisível nas renderizações CAD. É fácil ignorar durante o design. Mas afeta diretamente a resistência ao fluxo de ar dentro da peça.
Uma superfície interna mais áspera aumenta a resistência. Também pode criar turbulência local. O impacto varia de acordo com a aplicação. O impacto depende principalmente de vários fatores:
Canais pequenos com alta velocidade de fluxo são muito mais sensíveis à rugosidade do que dutos grandes com baixa velocidade de fluxo. Entenda primeiro suas condições de fluxo. Então você pode avaliar quanto pós-processamento é necessário.
Superfícies impressas padrão podem atender às necessidades da maioria dos dutos, especialmente para protótipos iniciais e aplicações de baixa velocidade. Para peças de alto desempenho ou alta velocidade, a superfície interna geralmente precisa de tratamento extra.
Alisamento, revestimento e vedação aumentam custo e prazo de entrega. Quando vale a pena fazê-los depende das necessidades específicas:
Escolha o tratamento com base em como a peça é realmente utilizada. Fazer todas elas apenas acrescenta custos e pode não ser útil. O desempenho das peças funcionais do fluxo de ar é determinado pela superfície interna. Não importa quão lisa seja a superfície externa, se a superfície interna for áspera e não vedada, o desempenho real ainda não atenderá às expectativas do projeto.
Xunjie tem mais de 10 anos de experiência em impressão 3D. Oferecemos suporte para impressão em nylon FDM, resina SLA, MJF ou SLS, impressão em metal SLM, bem como usinagem CNC e fundição a vácuo após o projeto entrar em produção de baixo volume.
Se você estiver trabalhando em um projeto de duto de ar ou coletor, sinta-se à vontade para nos contatar e nos informar suas necessidades de fluxo de ar. Forneceremos o suporte correspondente.
1. Quão resistentes são os coletores impressos com náilon MJF ou SLS? Eles podem ser usados em linhas de ar pressurizado?
As peças impressas em nylon (MJF e SLS) apresentam boa tenacidade e resistência à temperatura. Eles também podem imprimir canais internos complexos sem suporte. Se a pressão da linha de ar não for muito alta, o náilon é muito adequado para coletores. Uma espessura de parede de 2 a 3 milímetros pode atender à maioria das condições de trabalho de média pressão. A superfície terá uma leve textura fosca. Você pode melhorá-lo polindo ou revestindo.
2. Quando você deve considerar dutos de ar ou coletores impressos em metal SLM?
Você deve considerar a impressão em metal quando a temperatura de trabalho for alta, a pressão for grande ou o meio for corrosivo. SLM pode imprimir aço inoxidável, liga de alumínio, liga de titânio e outros metais. Os coletores feitos dessa maneira têm resistência à pressão e à temperatura muito maiores do que o plástico. Mas o custo é muito maior. Além disso, os canais internos precisam de orifícios de drenagem de pó projetados. Após a impressão, o pó residual deve ser limpo. Geralmente sugerimos confirmar primeiro se as peças plásticas realmente não atendem aos requisitos. Em seguida, use a impressão 3D de metal. Isso evita gastos desnecessários.
3、 O que deve ser considerado ao projetar juntas e posições de vedação? As linhas podem ser impressas diretamente?
As roscas podem ser impressas, mas as peças impressas em plástico são fáceis de remover após repetidas montagens e desmontagens. Isto é especialmente verdadeiro para threads pequenos. Um método mais confiável é projetar furos simples ou rebaixos no manifold e, em seguida, incorporar porcas metálicas fixadas a quente ou usar conexões de conexão rápida. Se precisar de vedação da face final, você pode deixar uma ranhura para O-ring na peça impressa. O tamanho da ranhura e a quantidade de compressão devem ser projetados de acordo com o padrão. Isso proporciona uma confiabilidade de vedação muito melhor do que depender apenas de fita de vedação de rosca.
4. Ao projetar dutos de ar e coletores, como você pode reduzir os suportes internos? Além de alterar a secção transversal, que outros métodos existem?
Além de alterar a seção transversal do canal de fluxo para um formato autossustentável, você também pode ajustar o caminho do duto para que o ângulo de balanço seja sempre maior que 45 graus. Muitos processos podem então imprimir diretamente sem suporte. Quando uma saliência de pequeno ângulo é necessária, você pode engrossar localmente essa área ou torná-la uma estrutura de ponte, usando a capacidade de formação de ponte do próprio material. Os processos de nylon SLS e MJF basicamente não precisam de suportes internos. Se o canal de fluxo for especialmente complexo, use primeiro a impressão em náilon. Ele economiza design de suporte e trabalho de limpeza.
5、 Ao projetar dutos e coletores de ar de alta pressão, além de aumentar a espessura da parede, que outros pontos devem ser observados?
Sob alta pressão, as maiores preocupações são a concentração de tensões locais e falhas na superfície de vedação. Além da espessura da parede, aumente os filetes dos cantos internos. Geralmente sugerimos que o raio do filete não seja inferior a 1,5 vezes a espessura da parede para reduzir a concentração de tensão. Nas juntas, use flanges com anéis de vedação tanto quanto possível. Não confie nas roscas para vedação direta, pois as roscas impressas vazam facilmente sob alta pressão. Além disso, torne as alterações nas seções transversais mais graduais. Controle o ângulo de conicidade entre 10 e 15 graus para evitar aumentos repentinos na velocidade do fluxo local.
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