Esta guía resume consejos prácticos de diseño para conductos y colectores de aire impresos en 3D. Ayuda a que sus piezas muevan el aire de manera eficiente y entren en producción más rápido.
Mecanizar o moldear conductos de aire con curvas internas, ramas o salidas en ángulo es difícil y costoso. El costo del molde para tales formas puede exceder el costo de la pieza misma. Algunas geometrías internas no se pueden formar sin guías complejas o ensamblajes de varias piezas.
La impresión 3D no necesita tenerlos en cuenta. Se pueden formar canales curvos, ramas internas, estructuras de montaje integradas y geometría compacta en una sola pieza sin necesidad de moldear. Los siguientes diseños que son difíciles de lograr se pueden realizar con impresión 3D:
Los conductos que antes eran casi imposibles de moldear ahora se pueden fabricar, probar y optimizar en cuestión de días.
Los diseños de los conductos de aire rara vez se finalizan en una sola pasada. Los productos de refrigeración HVAC, automoción, robótica y electrónica a menudo necesitan varias rondas de pruebas de flujo de aire antes de que la geometría se fije gradualmente. La impresión 3D le permite probar diferentes diámetros de conductos, ángulos de salida, posiciones de divisores y configuraciones de montaje sin invertir en moldes.
Cada versión se puede imprimir y probar en unos días. Si se espera que un conducto cambie de tres a cinco veces, la impresión 3D es más rápida y económica que hacer moldes por adelantado. En la etapa inicial del proyecto, los requisitos de flujo de aire y el diseño de la instalación aún no son completamente estables. Esta capacidad de adaptarse rápidamente es la que más ayuda.
En aplicaciones de automoción, drones, robótica, refrigeración de dispositivos electrónicos y dispositivos portátiles, el peso y el espacio son más críticos. Cada gramo adicional de peso del conducto significa que el resto del sistema soporta un gramo más de carga, carga de disipación de calor o espacio para cableado.
La impresión 3D puede colocar material solo donde se necesita soporte estructural. Esto mantiene la pared del conducto compacta sin perder resistencia. Las nervaduras, los refuerzos y el espesor de la pared se pueden ajustar localmente. No es necesario aplicar un espesor uniforme a toda la pieza.
Este enfoque es común en:
Al diseñar conductos de aire, primero defina los objetivos de rendimiento. Antes de abrir el software CAD, piense qué objetivos debe cumplir la pieza en cuanto a flujo de aire, presión y espacio de instalación.
Antes de finalizar la geometría, primero aclare las condiciones de trabajo que debe cumplir el conducto o colector. Estos datos determinarán el espesor de la pared, el radio de curvatura y las posiciones de salida en el diseño posterior.
Al menos aclarar lo siguiente:
Si los datos de rendimiento aún no están completos, está bien. Proporcione la información que ya tiene, como el modelo de ventilador, el flujo de aire objetivo, las dimensiones de entrada y salida y las condiciones generales de funcionamiento. A continuación, el proveedor puede evaluar la estructura basándose en esto.
Un diseño que parece razonable en el dibujo puede no ser viable en el montaje real. Las piezas cercanas, los espacios libres y el espacio operativo afectan la geometría final.
Antes de finalizar el diseño, verifique los siguientes elementos:
Según nuestra experiencia, los cambios de montaje son una causa común de revisión de los conductos de aire. Una vez que cambia la posición de montaje, a menudo también es necesario ajustar la entrada, la salida o el radio de curvatura, incluso si el diseño original del flujo de aire estaba bien. Considerar el espacio para el flujo de aire y el espacio de ensamblaje juntos desde el principio puede evitar un rediseño posterior.
La posición de entrada y el diseño de salida afectan directamente la distribución uniforme del flujo de aire en la pieza. Esto es especialmente importante para los colectores.
Un enfoque común es utilizar una única entrada central para suministrar múltiples salidas. Pero si el volumen cerca de la entrada se expande demasiado rápido, o si el flujo se divide demasiado repentinamente, algunas salidas entregarán claramente más aire que otras. Determine las posiciones de entrada y salida con anticipación. Esto deja espacio para ajustar la longitud de las ramas y el volumen interno antes de finalizar la geometría.
La geometría interna del conducto suele tener un impacto mayor en la caída de presión, el ruido y la uniformidad del flujo de aire de lo que la gente espera. Siga algunos principios de diseño simples y el resultado será mucho mejor.
Las esquinas pronunciadas, los cambios repentinos de sección transversal, las transiciones abruptas y los escalones internos innecesarios perturban el flujo de aire, aumentan la resistencia y obligan al ventilador o soplador a consumir más energía.
Al diseñar, siga estos puntos:
Cuando sea necesario girar, utilice un radio de curvatura lo más grande posible, evitando ángulos rectos forzados de 90 grados. Cuanto mayor sea el radio, menor será la turbulencia y la pérdida de presión en ese lugar.
El efecto del cambio del área de la sección transversal es más directo que el de la geometría de las esquinas. Cuando un conducto se contrae o se expande repentinamente a partir de una sección transversal grande, trae una serie de problemas:
Las transiciones cerca de salidas críticas deben reducirse gradualmente, evitando cambios escalonados. Hacer la sección de transición un poco más larga no agrega mucho tiempo de impresión, pero puede brindar un flujo de aire más uniforme.
El espesor de la pared debe equilibrar el espacio interno para el flujo de aire, la rigidez estructural, la imprimibilidad, el peso y el costo.
Si la pared es demasiado delgada, es probable que se produzcan estos problemas:
Si la pared es demasiado gruesa, aparecen otra serie de problemas:
Proceso | Muro mínimo típico | Recomendado para conductos funcionales |
SLA (Resina) | 0,5-1,0 milímetros | 1,5-2,0 milímetros |
SLS (nylon) | 0,8-1,0 milímetros | 1,5-2,5mm |
MJF (nylón PA12) | 0,8-1,0 milímetros | 1,5-2,5mm |
MDF | 0,8-1,2 milímetros | 2,0-3,0 milímetros |
Estos rangos son sólo referencias iniciales. El espesor mínimo real de la pared depende de la geometría, la luz y la calidad del material de la pieza.
En comparación con un solo conducto, un colector tiene una estructura más compleja. El aire debe dividirse y mantener un flujo y una presión similares en cada salida. El diseño necesita más reflexión.
Cuando varias salidas necesitan un flujo de aire similar, debe mantener la geometría de cada rama del colector lo más equilibrada posible. La longitud de la rama, el diámetro de salida, el ángulo de salida y el volumen interno afectan la distribución del flujo en cada unión.
Por ejemplo, en un colector con una rama corta y una rama larga, fluirá más aire a través del camino más corto a menos que lo compense con el tamaño o ángulo de salida. Lo mejor es comprobar el saldo de la sucursal antes de la primera prueba de flujo. Esto puede evitar retrabajos posteriores.
Algunas áreas dentro del colector tienden a formar zonas de estancamiento de baja velocidad donde el aire apenas se mueve. Las ramas mal colocadas crean zonas muertas, reducen el flujo de aire efectivo y provocan un rendimiento de salida inconsistente.
Evite en la medida de lo posible las grandes cavidades cerradas. Coloque las salidas a lo largo de la dirección principal del flujo, no desplazadas hacia un lado. Ajustar las posiciones de las ramas puede eliminar las zonas muertas. No es necesario rediseñar todo el colector.
La posición de división y la forma de la unión afectan la suavidad con la que el aire ingresa a cada rama. Cuando el flujo se divide repentinamente, el aire se separa abruptamente en una unión cerrada. Esta zona produce turbulencias más fuertes.
Cambie a una división gradual con una unión curva o cónica. La transición es más suave y el flujo hacia cada rama es más fácil de controlar. Este pequeño cambio geométrico es fácil de lograr con la impresión 3D, pero es más difícil de lograr con el moldeo.
El acabado de la superficie interna es invisible en las representaciones CAD. Es fácil ignorarlo durante el diseño. Pero afecta directamente la resistencia al flujo de aire dentro de la pieza.
Una superficie interna más rugosa aumenta la resistencia. También puede crear turbulencias locales. El impacto varía según la aplicación. El impacto depende principalmente de varios factores:
Los canales pequeños con alta velocidad de flujo son mucho más sensibles a la rugosidad que los conductos grandes con baja velocidad de flujo. Primero, comprenda sus condiciones de flujo. Entonces podrá juzgar cuánto posprocesamiento se necesita.
Las superficies impresas estándar pueden satisfacer las necesidades de la mayoría de los conductos, especialmente para prototipos iniciales y aplicaciones de baja velocidad. Para piezas de alto rendimiento o alta velocidad, la superficie interna suele necesitar un tratamiento adicional.
El alisado, el recubrimiento y el sellado añaden costos y plazos de entrega. Cuándo vale la pena hacerlo depende de las necesidades específicas:
Elija el tratamiento en función de cómo se utiliza realmente la pieza. Hacerlos todos sólo agrega costos y puede no ser útil. El rendimiento de las piezas funcionales de flujo de aire está determinado por la superficie interna. No importa cuán lisa sea la superficie exterior, si la superficie interna es rugosa y no está sellada, el rendimiento real aún no cumplirá con las expectativas del diseño.
Xunjie tiene más de 10 años de experiencia en impresión 3D. Admitimos la impresión de nailon FDM, resina SLA, MJF o SLS, la impresión de metal SLM, así como el mecanizado CNC y la fundición al vacío una vez que el proyecto ingresa a la producción de bajo volumen.
Si está trabajando en un proyecto de conducto o colector de aire, no dude en contactarnos y contarnos sus requisitos de flujo de aire. Brindaremos el soporte correspondiente.
1. ¿Qué resistencia tienen los colectores impresos con nailon MJF o SLS? ¿Se pueden utilizar en líneas de aire presurizado?
Las piezas impresas de nailon (MJF y SLS) tienen buena tenacidad y resistencia a la temperatura. También pueden imprimir canales internos complejos sin soporte. Si la presión de la línea de aire no es muy alta, el nailon es muy adecuado para los colectores. Un espesor de pared de 2 a 3 milímetros puede satisfacer la mayoría de las condiciones de trabajo de presión media. La superficie tendrá una textura ligeramente esmerilada. Puedes mejorarlo puliendo o recubriendo.
2. ¿Cuándo debería considerar los conductos o colectores de aire impresos en metal SLM?
Debe considerar la impresión en metal cuando la temperatura de trabajo es alta, la presión es grande o el medio es corrosivo. SLM puede imprimir acero inoxidable, aleaciones de aluminio, aleaciones de titanio y otros metales. Los colectores fabricados de esta manera tienen una resistencia a la presión y a la temperatura mucho mayor que el plástico. Pero el costo es mucho mayor. Además, los canales internos necesitan orificios de drenaje de polvo diseñados. Después de la impresión, se debe limpiar el polvo residual. Por lo general, sugerimos primero confirmar que las piezas de plástico realmente no pueden cumplir con los requisitos. Luego utilice la impresión 3D de metal. Esto evita gastos innecesarios.
3. ¿Qué se debe considerar al diseñar juntas y posiciones de sellado? ¿Se pueden imprimir hilos directamente?
Los hilos se pueden imprimir, pero las piezas impresas de plástico son fáciles de pelar después de repetidos montajes y desmontajes. Esto es especialmente cierto para hilos pequeños. Un método más confiable es diseñar orificios lisos o avellanados en el colector y luego incrustar tuercas metálicas termofijadas o usar accesorios de conexión rápida. Si necesita sellar la cara del extremo, puede dejar una ranura para junta tórica en la pieza impresa. El tamaño de la ranura y la cantidad de compresión deben diseñarse de acuerdo con la norma. Esto proporciona una confiabilidad de sellado mucho mejor que confiar únicamente en la cinta selladora de roscas.
4. Al diseñar conductos y colectores de aire, ¿cómo se pueden reducir los soportes internos? Además de cambiar la sección transversal, ¿qué otros métodos existen?
Además de cambiar la sección transversal del canal de flujo a una forma autoportante, también puede ajustar la trayectoria del conducto para que el ángulo saliente sea siempre superior a 45 grados. Muchos procesos pueden entonces imprimir directamente sin soportes. Cuando es necesario un voladizo de ángulo pequeño, puede engrosar localmente esa área o convertirla en una estructura de puente, utilizando la propia capacidad de formación de puente del material. Los procesos de nailon SLS y MJF básicamente no necesitan soportes internos. Si el canal de flujo es especialmente complejo, utilice primero la impresión de nailon. Ahorra trabajo de limpieza y diseño de soporte.
5. Al diseñar conductos y colectores de aire de alta presión, además de aumentar el espesor de la pared, ¿qué otros puntos se deben tener en cuenta?
Bajo alta presión, las mayores preocupaciones son la concentración de tensiones locales y el fallo de la superficie de sellado. Además del espesor de la pared, agrande los filetes de las esquinas internas. Generalmente sugerimos que el radio del filete no sea inferior a 1,5 veces el espesor de la pared para reducir la concentración de tensiones. En las uniones, utilice en la medida de lo posible bridas con juntas tóricas. No confíe en las roscas para el sellado directo, ya que las roscas impresas pierden fácilmente bajo alta presión. Además, haga que los cambios de sección transversal sean más graduales. Controle el ángulo del cono entre 10 y 15 grados para evitar aumentos repentinos en la velocidad del flujo local.
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