積層造形による高効率傾斜型の設計と評価

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 19477 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

積層造形設計（DfAM）に基づいた新しいミリスケールミキサー（傾斜翼混合ユニット、TWMユニット）を開発しています。提案された傾斜翼ミキサーは、基本的に、流体を効果的に混合するために流体を分割して結合する 3 つの個別の翼を持つように設計されています。構造はシンプルで製作が容易です。3 つの翼間の角度と傾斜ユニット間の接続角度の 2 つの主要な設計パラメータは、数値流体力学 (CFD) 解析を使用して最適化されています。 CFD解析により、TWMユニットのさまざまな組み合わせの解析から最適に組み合わせた混合モジュールを取得し、非常に効果的な混合比を実現します。 3つの組み合わせユニットの混合比はほぼ100%に達し、それは実験と解析によって検証されています。私たちは、提案されたミリスケールミキサーは、環境を汚染する可能性のある化学物質の使用を最小限に抑えるために、さまざまな化学薬品の連続ミキサーや反応器に利用できると信じています。

流体の混合は、化学工学 1、2、食品工学 3、エレクトロニクス、鉱業 4 などにおいて重要なプロセスです。これまで、多様なミキサー設計による混合比の効率を向上させるために多くの研究が行われてきました3,4。さまざまな産業分野の高度化や環境問題が叫ばれる中、化学品の混合プロセスには低公害性や安全性だけでなく高性能も求められています2,3,4,5,6,7。たとえば、PPO (ポリフェニレンオキシド) は、電気的性能が高く、誘電損失が低く、幅広い周波数での誘電性能の変化が小さいという特徴を備えた、第 5 世代 (5G) 通信アンテナの重要な材料の 1 つです。しかし、製造コストの安さから化学プラントで一般的に採用されているバッチ式混合機を用いて PPO を混合すると、爆発の危険性があり、高い混合収率を得ることが困難である8。バッチ式ミキサーの限界を解決するために、バッチ式ミキサーの特性と比較して、高い混合性能、安全性、制御の容易さ、拡張性、低汚染物質発生量を備えた連続式ミキサーに関する多くの研究が報告されている9,10。。

連続ミキサーには、レイノルズ数 (Re)、流体の種類、流体の流量などのいくつかのプロセス条件があります。混合条件に基づいて、さまざまな連続混合機が提案されています。カオスミキサー 11、三重周期最小曲面 (TPMS) ミキサー 12、水平および垂直ウィービング (HVW) ミキサー 13、および Kenics 14。特に、格子構造ベースミキサー（LSM）は、その長さに比べて混合効率が高いため、注目を集めています。通常、複雑に交差するバーまたはロッド (通常は 10 本以上) で構成され、流体が格子構造を通過するときに混合します。したがって、LSM の設計形状と構造は混合性能に影響を与えます。 LSM の概念設計は、1960 年代にスルザーによって最初に提案されました。この設計では、ミキサー内のいくつかのバーがベーカーの分割と再結合を実行して流体の混合を実行します15。 LSMは、バーの数と寸法を変更して混合比を制御することにより、数十から数千の流体流量の幅広いReを有するように設計できます。

LSM の最初の開発以来、混合比を高めて適用範囲を広げることが多くの研究者の主な焦点でした。アリモンドら。 Fradette らは、Kenics タイプのミキサー 16 を使用してパッシブミキサーの分野で混合解析を実行しました。は、格子ベースのミキサーの流れ解析を実施しました17。 Pianko-Oprych et al. Li らは、二相流の混合解析を実行し、数値流体力学 (CFD) を使用してミキサー構造の効果を示しました18。 LSM の応用範囲を広げるために、非ニュートン液体の流れ解析を研究しました 19,20。ローリンら。 Zalc らは、CFD 解析 21 を使用していくつかのミキサーの性能を比較しました。速度分布によるLSMの混合原理を解明した22。 Heniche et al.23 と Liu et al.24 は、単位構造の形状に応じた LSM の混合比を研究しました。ガーネムら。らはこれまでの研究をまとめ、LSM25の形状特性、混合原理、応用分野などをまとめた。ヒルシュバーグら。 Shahbazi らは、LSM26 の圧力上昇を軽減するために形状変更を実行しました。彼らは、遺伝的アルゴリズムを使用して LSM の形状を最適化することを試みました 27。

しかし、LSM は高性能であるにもかかわらず、LSM の内部には多数の小規模なロッドが交差しているため、作製が困難です 23,24。製造上の問題を解決するために、積層造形 (AM) プロセスを利用して高性能ミキサーを作成し、CFD 解析を使用して液体と液体の混合における設計パラメーターを最適化します。積層造形 (AM) プロセス技術の最近の進歩 28、29、30、31、32 により、多くの研究者がスタティックミキサーでの AM プロセスに注目しています。しかし、多くの研究者は、Y 字型または分割再結合チャネルを備えたチャネル結合ミキサーユニットのような単純な形状を設計しました 32,33。また、広く使用されている AM プロセスを考慮して設計された LSM タイプのミキサーは普及していません 34,35。そこで今回は、市販の細径チューブ（6.35mm）用ミキサーを用いて、よりシンプルな形状で、同一粘性流体の混合性能を高めたLSMを新たに設計しました。基本的には傾斜した3枚の翼からなるユニット構造となっており、効果的な分割・合体が可能です。

提案したミキサを検証するために、実験を実施し、実験結果と解析結果を比較しました。視覚化するために、実験では比較的高い粘度 (3000 mPa s) の流体 (塗料の種類) が使用されましたが、これも層流領域にあります。本書では、ミキサの概念設計から設計の最適化、DfAM プロセス、試作したミキサを用いたテスト結果までの全プロセスを説明しました。この論文の内容は以下の通りです。「傾斜翼連続ミキサー（TWM）の設計」。 AMプロセスを考慮した混合ユニットのコンセプト設計と検証；「TWM-FWMモジュールの最適化」。提案された混合モジュールの設計変数の選択と最適化。「実験と議論」。 AM を使用した試験片の作製と CFD 結果の検証。

本研究では、ミキサーの混合性能をCFDを用いて評価しました。混合プロセスの CFD モデルでは、層流、壁流、乱流、混合などの複数の物理現象を考慮する必要があります。特に、ミキサーの混合比を評価するには、各流体の体積分率を追跡する必要があります。したがって、分画容積 (VOF) 分析を専門とする Flow-3D (Flow Science Inc.、米国) 32,33 を使用して混合分析を実行しました。

解析は方程式に基づいて実行されました。 (1) これは非圧縮性流体の連続方程式の方程式です。と式。 (2) これは乱流流体を考慮した非圧縮性流体の運動量保存方程式を意味します。と式。 (3)、二相流について説明します。と式。 (4)はVOF技術を表現したものです。これらの方程式では、\(\overrightarrow{\mathrm{v}}\) は平均速度、\(\mathrm{P}\) は圧力、\(\uprho\) は流体の密度、\( \mathrm{g}\) は重力加速度、\(\upmu\) は粘性係数、\(\mathrm{f}\) は体積分率、\(\overrightarrow{{\mathrm{v}}_ {1}}\) は流体 1 の速度、\(\overrightarrow{{\mathrm{v}}_{2}}\) は流体 2 の速度、\(\overline{\overrightarrow{\mathrm) {v}}\overrightarrow{\mathrm{v}}}\) は乱流応力です。 \(\mathrm{f}\) は常に 0 から 1 までの値になります。 \(\mathrm{f}=0\) は領域内に流体が存在しないことを意味し、\(\mathrm{f}=1\)流体が領域全体に存在することを示します。本稿で対象とするミキサーのReは625と層流の範囲内であるにも関わらず、内部構造により局所的な乱流が発生する可能性があります。したがって、\(\mathrm{k}-\upomega\) 乱流モデルが採用されました 36,37。

図 1a に示すように、解析モデルの流路形状は 2 つの入口と 1 つの出口を備えた Y 字型でした。また、入口部分の直径は 1/8 インチ (3.18 mm)、出口部分の直径は 1/4 インチ (6.35 mm) で、2 つの入口間の角度は 90°でした。このチャネルでは、3 つのフラットウィングミキサー (FWM) モジュールを備えた基本モデルがチャネルに配置されました。挿入された混合構造の厚さと全長はそれぞれ 0.5 mm と 12 mm で、3 つの平らな翼の幅は等しく 1/12 インチ (2.12 mm) であり、ミリスケールのスケールです。図1aのFWM混合モジュールに示すように、2つのユニット（混合ユニットⓐ、ⓑ）がペアで配置され、各ユニットが90°の角度で回転されます。各ユニット間の回転により、混合性能が向上します27,32。

混合の分析条件。 (a) 混合解析の境界条件と形状。基本解析モデルは、2 つの入口（各直径 3.18 mm）と 1 つの出口（直径 6.25 mm）にフラットウィング混合モジュール（FWM モジュール）を配置して構成され、（b）さまざまなメッシュ条件に応じたメッシュ収束の結果(a)に示す点α。収束条件はメッシュ数5×105以上です。

混合解析の境界条件は図1aに示されており、出口での流出圧力（FLOW-3Dでは連続境界を意味します）が選択され、壁の摩擦は無視されています。解析モデルには Z 方向の重力加速度があります。解析領域は混合モデルのサイズを考慮して8×20×40mm（x×y×z方向）とした。壁は滑りにくい状態であると仮定し、熱伝達と表面粗さの影響は無視しました。解析領域のz方向のサイズは、混合ユニットの数に応じて適宜変更した。メッシュの品質を検証するために、上記の解析条件に基づいて、さまざまなメッシュ条件で解析を実施しました。両方の混合流体 (流体 1、2) が水の材料特性 (粘度および密度がそれぞれ 1000 kg/m3 および 1 mPa s であるため、優れた相溶性を有する) を有すると仮定され、表面張力は無視されます。各入口の流量は０．１Ｌ／ｍｉｎであった。

したがって、チャネルの流れは層流の領域である 668 の Re になります。図1bに示すように、定常状態では図1a（出口）の同じ点αがメッシュ数5×105以上で収束することが確認されました。したがって、解析時間を考慮して 5 × 105 のメッシュサイズが選択されました。

一般的なミリスケール連続パッシブミキサーは、流体を分割・再結合することにより、折り曲げたり伸ばしたりすることで混合を実現します。これはベイカー折りプロセスとして知られています38。同様に、FWM の形状により、流れの分割と再結合が発生して混合が達成されます (図 2a)。流体がFWMを通過する二流体混合において、流路断面におけるCFDによる混合パターンは図2a26,27,32,34の①、②、③、④に示されます。断面の色は、各流体が占める体積と単位メッシュの体積の比率である混合体積率を意味します。

混合機構と混合部の形状。 (a) FWM ユニットの混合機構と断面。断面の色の等高線は混合体積分率を示します。ベイカー折り過程（分割と再結合）は、混合ユニットの翼によって引き起こされる乱流によって行われます。（b）FWMユニットと傾斜翼ユニット（TWMユニット）の混合性能の共鳴により、\({\theta }_ {T}\) (傾斜翼間の角度) は、再結合機能を高めて混合性能を向上させます。

最初の FWM ユニットの 2 流体の並列通過中に、セクション①は流体 1 が中央翼を通過することを示し、セクション②は流体 1 が中央翼部分から側翼部分に流れて渦を生成することを示します。流体 1 と流体 2 とは反対に、LSM26、27、32、39 に示すように、反対方向 (サイドウィングからセンターウィングへ) に流れます。これは、2 つの回転渦が流体の分割を引き起こし、図 2a の 2 つの折り畳み軸に基づいて折り畳みを作成し、回転中に再結合します。同様に、混合物が 2 番目の FWM を通過する間に、4 つの折り畳み軸が生成されることによって混合物の分割と再結合が発生します 17、25、27、32。

上記の混合メカニズムを考慮すると、図 2b の傾斜翼ミキサー (TWM) ユニットに示すように、サイドウィングを回転させることで FWM ユニットの混合性能を向上させることができます。この研究では、FWM と区別するために、傾斜した側翼を備えたミキサーを TWM と呼びます。2 つの傾斜した翼の間の位置決め角度は θT です。翼を傾けることで横方向の流れを誘導し、再結合機能を強化します。 TWMユニットの混合メカニズムを確認するために、基本タイプのFWMユニットとTWMユニットの流れパターンを比較しました。図3にFWMユニット部とTWMユニット部の速度分布を示します。セクション A ～ A' では、TWM ユニットの場合、より高速の横方向の流れが傾斜翼の前で発生します。図3に示すように、これにより、セクションB'のチャネル中央のFWMユニットと比較して、TWMユニットの高速領域が約47％拡大します。そして、この大きな中央高速領域は、TWM ユニットが横方向の流れによる流体の再結合を増加させることで流体の混合を強化できることを意味します。

FWMユニットとTWMユニットの速度分布。 FWMユニットとTWMユニットの各セクション②を比較すると、TWMユニットの中央部に高速領域が現れます（FWMユニットよりも47％大きい）。これはTWMユニットがFWMユニットよりも高い組換え機能を持っていることを意味します。

混合モジュールの設計に対する TWM の効果を検証するには、混合モジュールの混合性能を定量的に評価する必要があります。特に、上で述べたように、FWM モジュールは、各ユニット間に 90 度の角度を持つ 2 つの FWM ユニットを組み合わせました。したがって、FWM ユニットと TWM ユニットのペアのモジュールのパフォーマンスを混合する必要があります。

混合性能は、式 (1) の混合体積分率 (\({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\)) の標準偏差を使用して定量化することで評価できます。 (5)38、39。体積分率は、各流体の濃度と呼ぶことができます。したがって、\({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) は濃度の標準偏差を意味し、混合性能に直接関係します。これは、\({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) を混合パフォーマンスを定量化するための指標として使用できることを意味します。 \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) を計算するプロセスは次のとおりです。式では、 (5)、\({\mathrm{N}}_{\mathrm{t}}\) は測定点 (ノード) の数、\({\mathrm{C}}_{\mathrm{i}} \) は i 番目の点における流体 1 の体積分率であり、\({\mathrm{C}}_{\mathrm{mean}}\) はすべての点の体積分率の平均です。 \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) が 0 に近づくほど、各流体が単位体積に対して同様の割合で存在するため、混合パフォーマンスは向上します。

FWMユニットとTWMユニットを考慮すると、FWM-TWM（FTMユニットを前部、TWMユニットを後部にした複合モジュール）、TWM-FWM、FWM-FWM、TWM-TWMの4つの組み合わせがあります。出口部分での各組み合わせの \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) を表 1 に示します。表 1 に基づいて、2 つの観測ができます。まず、TWM ユニットを前に配置すると混合比が増加します (FWM-FWM と TWM-FWM のセクション⑤を比較)。TWM ユニットを後ろに配置すると混合比は減少します (FWM-FWM と FWM のセクション⑤を比較) -TWM）。これは、TWM ユニットが流体の分離ではなく流体の再結合を促進するためです。次に、TWM ユニットの混合率は混合直後は低下しますが、ミキサーから一定距離離れると混合率が向上します (FWM-FWM、TWM-TWM のセクション④と、FWM-FWM、TWM-TWM のセクション⑤を比較してください)。これはTWMユニットにより横方向の流れが発生している証拠です。

混合構造のメカニズムと設計を検証するために、図4に示すように、FWM-TWMとTWM-FWMの混合パターンを比較しました。図4では、流線が現れる透明部分の色が流れを示しています。図 4 の断面図の赤い領域は流体 1 が完全に占める領域を示し、青の領域は流体 2 が完全に占める領域を示します。赤と青の領域が混合すると、黄色または緑色の領域が現れます。面積が増える。各断面について以下に示す値は、各断面の評価された \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) を表します。前述したように、TWMユニットはFWMユニットに比べて横方向の流れと高速領域の流量が増加し、混合性能が向上します。ただし、図4に示すように、TWMユニットのすぐ後ろには「ウィークゾーン」が形成されます。この部分では勢いが伝わらず、うまく撹拌できません。この弱いゾーンは、TWM ユニットの直後に流線がほとんど現れないという事実によっても確認できます (図 4 の「希薄流線」)。そのため、TWMユニットであるFWM-TWMモジュールが後段に配置されており、ミキシング性能はFWM-FWMモジュールよりも低くなります。ただし、TWM-FWM モジュールは FWM-FWM モジュールよりも優れた混合比を持っています。これは、後部に配置された FTM ユニットが TWM ユニットの弱点を除去することを意味します。つまり、TWM ユニットにより一定領域のミキシング性能は向上しますが、TWM ユニットの背後に部分的に弱いゾーンが発生するため、改善には限界があります。ただし、TWM ユニットの後ろにある FWM ユニットによりウィークゾーンが削除されます。これが、TWM-FWM モジュールで最高の混合パフォーマンスが達成される理由です。したがって、ミキシングモジュールの最適な組み合わせとして TWM-FWM モジュールが選択されました。「TWM-FWMモジュールの最適化」では、TWM-FWMモジュールの形状を最適化します。

FWM-TWM（フロントのFWMユニットとリアのTWMユニットの組み合わせ）モジュールとTWM-FWMモジュールの合理化とミキシング性能。 TWMユニット内では横方向の流れが発生します。したがって、TWM-FWMモジュールを搭載したミキサーでは、TWMユニットを後段に配置することでミキシング性能が16%向上します。

TWM を含む TWM-FWM モジュールの設計変数は次のとおりです。第一に TWM ユニットの翼部分間の角度 (θT)、第二に側翼の幅比 (α)、および翼の半値幅FWMユニットとTWMユニットのセンターウイング（β）（幅比）。次に、最適化されたTWM-FWMモジュールについて、モジュール数に応じた混合比を評価しました。

「傾斜翼連続ミキサー（TWM）の設計」で説明したように、θTは横方向の運動量の生成につながりますが、ウィークゾーンも生成されます。したがって、高い混合比を実現するには、FWM ユニットに流れを十分に分配できる適切な弱ゾーンと、適切な θT による横方向の高い運動量を同時に生成する必要があります。その結果、さまざまなθTでTWM-FWMモジュールを解析した結果、θTが約115°の場合、 \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) が0.0804となり、最小の混合比を示すことがわかりました（図を参照） .5a）。これは、単純な FWM-FWM の 0.1025 よりも約 21.6% 高くなります。図5aにおいて、θTが115°より大きい場合、横方向の運動量はほとんど発生しません。したがって、θＴ＝１５０°では高速度分布を示す領域が減少する。これにより、TWM ユニットの混合比向上効果が減少し、θT 150°では \({\upigma }_{\mathrm{VF}}\) が 0.0967 まで低下します。これは、混合比 FWM-FWM と比較して 5% の改善ですが、最適な結果よりは 16%p 低くなります。

(a) θT に応じた混合性能。 θT が 115°から離れると、小さな領域の高速分布が発生し、(b) θT の変化に応じて流線化します。 θT が減少すると、弱いゾーンが増加します (θT = 60°の場合)。

逆に、θT が 115°より小さい場合は、FWM ユニットで均等化できないほどウィークゾーンが増加し、混合比が低下します。したがって、図 5b では、θT が 60°の点の流線は、TWM ユニットの θT が小さいため、流線はほとんど発生しません (希薄な流線)。混合比の場合、60°での θT は 0.0826 で、FWM-FWM より 19% 高くなりますが、最適結果より 2.6% p 低くなります。また、混合比は、θＴが１１５°よりも低い場合よりも、θＴが大きい場合の方が、θＴの変化に対して敏感に反応する。これは、θT が最適値より小さい場合の混合性能の低下は、FWM ユニットによるウィークゾーンの除去の失敗によるものであることを示唆しています。

α/βとは、流路に投影した断面における側翼の幅（α）と中央翼の半幅（β）との比である。 α/βは混合比に影響を与えるため、適切なα/βを選択するために、図6aのようにα/βに基づいて混合比を評価しました。図6aでは、TWMユニットのθTは「TWM-FWMモジュールの角度θT」で設計したように115°です。図6aに示すように、FWMユニットとTWMユニットの両方のα/βが1.4のときに混合比が最も良く、α/βが1.4から離れると混合比は減少します。翼部分の面積が増加するにつれて (α/β が増加すると)、中央翼を通過する流量は減少します。これは、図6aの高いα/β点（α/βが3.1）に小さな高速領域が出現することによっても確認できます。また、TWMユニットの場合、α/βが大きいとウィークゾーンが過度に増加します。これは図6bで確認できます。α/βでの流線は3.1であり、α/βが高いため流線はほとんど発生しません（希薄な流線）。

α/β比に応じた混合性能。 α/β が 1.4 から等しいため、高速分布を持つ小さな領域が生成されます。 (b) α/β の比に従って流線化します。 α/β が増加すると、弱点ゾーンのサイズも増加します (α/β = 3.1 の場合)。

したがって、この場合の混合比の低下は、基本的には中央と側翼での流れのアンバランスによる分岐機能の低下によるものと考えられます。これが、TWM ユニットが FWM ユニットよりも α/β に対してより敏感である理由です (α/β が 0.1 (1.4 から 1.5 に) 増加すると、\({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) FWM ユニットの値は 0.001 増加します (0.0804 から 0.0814)。一方、TWM ユニットの値はさらに 0.0018 増加します (0.0804 から 0.0822)。 α/βが小さい場合にも同様の効果が観察されます。翼部分の面積が減少すると（α/βが減少すると）、側翼を通過する流量が減少し、分割機能も減少します。ただし、α/β の減少は小さな弱いゾーンを生成し、混合比の α/β の減少は増加よりも顕著ではありません。

一般に、ミキサーは、複数の配置された混合モジュール 25、26、27、39 から構成されます。したがって、商用ミキシングモジュールの配置数は、製造性やメンテナンス性を考慮して選択される。ただし、既存のミキサーとは異なり、AM が使用されるため、装置のビルドサイズが許す限り、TWM-FWM モジュールのミキシングモジュールの数は製造性に影響しません。ただし、メンテナンスや修理の観点から適切なミキサーの数を選択することが重要であるため、「TWM-FWMモジュールの最適化」の最適なケースに基づいて、ミキシングモジュールの数に応じたミキシングパフォーマンスを図7に分析しました。 (θTは115°、幅比(α/β)は1.4)。

最適化されたTWM-FWMモジュールの数に応じたミキシングパフォーマンス。 TWM-FWM モジュールの数が増加すると、\({\sigma }_{VF}\) は指数関数的に減少します。 TWM-FWM モジュール数が 3 の場合、\({\sigma }_{VF}\) は 98.19% 減少します。

図7に示すように、混合モジュールを取り付けていない場合のパイプの \({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) は 0.328 でしたが、TWM-FWM モジュールを 1 つ取り付けた場合、 \({\ upsigma }_{\mathrm{VF}}\) は 75.5% 削減されました。 TWM-FWM モジュールの数が増加するにつれて、\({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) は減少しました。 TWM-FWM モジュールを 4 つ配置した場合、\({\upsigma }_{\mathrm{VF}}\) は 0.00168 で、99.5% 削減されました。TWM-FWM モジュールを 6 つ配置した場合、\({\upsigma } _{\mathrm{VF}}\) は 0.000136 で、99.96% の削減でした。これは、TWM-FWM モジュールの数に応じた混合比が LSM25、26、27、39 のように指数関数として表現できることを意味します。したがって、１つの混合モジュールによる混合モジュールの数に基づいて混合比率を推定することができる。

提案された TWM-FWM ジオメトリを作製するために、AM を使用できるように形状変更が実行されました。 AM40,41については2つの点を考慮する必要があります。まず、すべてのパーツは、表面やエッジの接触ではなく、体積によって接続される必要があります。接続されていない部品は、AM 中に剥離や崩壊などの製造上の問題を引き起こす可能性があります。さらに、高比率ミキサーを実現するには、各ミキシングユニットを一定の角度を維持するように接続する必要があります。これにより、すべての構造を接続する必要性が高まります。第二に、サポートは最小限に抑える必要があります40,41。サポートは、構造の崩壊を防ぎ、熱放散を高めるために、AM 中に部品と一緒に印刷される構造です。しかし、サポートは製品の表面粗さを低下させたり、美観を損ねるなど、製品に悪影響を及ぼします。さらに、提案された混合構造のサイズはミリスケールであるため、支持体を除去するプロセス中に試料が損傷する危険性があります。したがって、形状設計は図 8a に示すように変更されました。図8aでは、各TWMとFWMのエッジ接触部分と表面接触部分が接続され、FWMユニットとTWMユニットがリンクされた構造に接続されています。このプロセスを通じて修正された積層造形 TWM-FWM (AMed TWM-FWM) は、適切な位置を想定していれば、サポートなしで製造できます。 AMed TWM-FWM は、選択バット光重合型装置 (Z-rapid、中国、SLA300) と「ABS 様」素材を使用して印刷されました。図8bに示すように、試験片のすべての部分は適切に印刷されており、製造された厚さは0.48〜0.51 mmの範囲でした。設計厚さ0.5mmと比較すると、寸法誤差は約4％以内に達します。なお、TWM-FWMユニットの設計長は設計通りの12mmとした。したがって、設計した形状と試験片が大きな差異なく正しく印刷されていることが確認できます。

(a) 積層造形のための設計変更。ユニット間のリンク構造が追加されます。(b) 積層造形 TWM-FWM (AMed TWM-FWM) の設計ジオメトリと製作された試験片。

図9aに示すように、印刷されたミキサーサンプルを使用して混合実験が行われました。この実験システムは、2 つのインテリジェントポンプ (FLOM、日本、UI-22、2 つの流体、Y 字型ニップル)、カメラ (Cannon、日本、EOS 20D)、およびコントローラー (PC) で構成されています。混合時の壁流の流線が観察できるよう透明なテフロンチューブを使用し、実験に使用した液体は密度と粘度が1000 kg/m3、粘度が3000 mPaの2色（青と黄色）の油絵の具を使用しました。 s. 混合過程で現れる流線を可視化・撮影し、インテリジェントポンプにより各流体を2ml/minの流量で流し、内部に設置されたミキサーで混合を行い、混合を考慮して再解析を行った。実験条件は、図9bで比較することによって検証されました。

(a) 混合可視化のための実験設定。 2台のポンプ、透明テフロンパイプ内の混合モジュール、監視カメラ、コントローラーで構成され、(b) 数値解析結果と実験の比較。 4 つの特徴点 (α-入口、β,γ-ミキサーモジュール、δ-出口) は、数値解析と実験結果で同様のパターンを示します。

図 9b は流体の濃度の分布を示しています。赤い部分は流体 1 の濃度 100% の領域、青い部分は流体 2 の濃度 100% の領域です。図 9b において、ミキサーの入口で TWM ユニットによって流れが曲がる部分 (α) は、数値解析と実験の両方で同じパターンを示します。 AMed TWM-FWM がチューブ内に挿入されている混合領域 (β、γ) では、流線パターンがよく一致しています。特に、β 部分では弱いゾーンと不十分な混合が観察されます。最後に、流れが混合されない FWM ユニット後の領域を考慮すると、その領域が拡張されるため (δ)、解析と実験はよく一致していると結論付けることができます。

直径数mmの細管内では乱流を利用した混合を実現することが難しいため、本論文の混合器設計では乱流領域の流れを考慮していませんでした。ただし、一般的には乱流が発生すると混合性能が向上するため、層流領域の議論で十分であると考えられます。さらに、この論文で提示された設計戦略は、既存のミキサー設計に大きな変更を加えることなく適用でき、積層造形のための設計を考慮することで混合性能を効果的に向上させるという点で有意義です。

本研究では最も基本的な FWM 構造である 3 本のバー構造に基づいて設計を行ったが、このミキサーの設計思想は、外側のバーを傾けることにより、より多くのバーを備えた既存のミキサーの形状にも適用できます。したがって、混合器の設計を組み合わせることで、より高Reな流れなど、さまざまな環境に適した混合器の設計が可能になります。ただし、粘度が大きく異なる 2 つの流体が混合される場合、混合パターンの変化に応じて横方向の流れの強さが変化する可能性があります。したがって、粘度の異なる流体を混合する場合には、設計パラメータの最適化を進める必要があります。

シンプルな形状の高効率ミリスケール連続ミキサー (TWM) は、積層造形 (AM) ベースの設計で開発されました。新しい混合ユニットには、交差する 3 つの傾斜翼があり、分割と再結合を強化することで混合比を高めることができます。 FWMとTWMユニットの組み合わせにより、最適なミキシングモジュール(TWMフロント-FWMバック)を最適化しました。複合ミキサーの混合機構と性能をCFD解析と実験により解明しました。 TWMでは混合中に高流速域と低流速域があり、FWMでは流速分布が変化するため、2台を組み合わせることで混合比が飛躍的に高まります。

翼の幅比や2つのユニット間の位置決め角度(\({\theta }_{T}\))などの設計パラメータを考慮してTWM-FWMモジュールを最適化することにより、混合効率が従来と比較して約21%向上しました。 FWMモジュールのみ。提案された TWM-FWM モジュールは AM プロセスを使用して製造され、実験的に性能が評価されました。局所的な混合状態を比較した結果、CFD解析と実験がよく一致していることがわかりました。この研究により、少量の薬液でさまざまな薬液の混合プロセスに使用できる、材料のロスと汚染物質を削減するための簡単で効果的なミキサーが開発されました。今後は、各種流体の粘度を考慮した提案形状の最適化や、様々な流量範囲での検証を行っていく予定です。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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この研究は、産業通商資源部 (MOTIE、韓国) の資金提供を受けた技術革新プログラム (No. 20011243) によって支援されました。また、韓国政府の資金提供を受けた韓国国立研究財団 (NRF) の助成金によっても支援されました。 (番号 2020R1F1A1069374) および (番号 2021R1A6C101A449)。

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パトリック・Y・シム

釜山大学機械工学部、釜山、46241、韓国

サンフ公園

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S.-HB は原稿の初期バージョンの執筆に貢献し、J.-HY と C.-WH が FE 分析を実行し、PYS と SY がこのプロジェクトを管理し、S.-HP が原稿をレビューして修正しました。

Sang-Hu Park への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

ペク、SH、ヤン、JH、ハ、CW。他。積層造形による高効率傾斜翼型連続ミキサーの設計と評価。 Sci Rep 12、19477 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-23809-2

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受信日: 2022 年 6 月 18 日

受理日: 2022 年 11 月 6 日

公開日: 2022 年 11 月 14 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23809-2

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