全文3900字，阅读需7分钟。本文分享ToffeeX利用拓扑优化+3D打印在航空燃料电池的三个技术案例。
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AM易道导语：
本文写作动因是看到重磅！爱立信3D打印散热器应用问世应用中这家ToffeeX企业针对于拓扑优化以及散热领域领域所作的软件工作而自发分享其在其他领域的一些成果。
其将在Formnext德国展会参展，请有兴趣的读者前往交流，并欢迎向AM易道分享其最新展示成果。
在全球"双碳"目标的推动下，航空业的绿色转型迫在眉睫。
根据国际能源署（IEA）最新数据，2022年航空业占全球能源相关CO2排放的2%，而且随着航空需求的快速增长，这一数字还在持续攀升。
在众多减碳技术路线中，氢燃料电池因其高能量密度和零排放特性，正成为航空领域的新宠。
然而，要让燃料电池在航空领域真正应用起量，还面临着重量过大、性能不足等一系列挑战。
AM易道认为，拓扑优化与增材制造的结合，为解决这些难题提供了一条创新路径。
这种组合不仅能够突破传统制造工艺的限制，实现燃料电池关键部件的性能优化，还能确保优化后的复杂结构能够被精准制造出来。
本文将通过三个实际案例，向读者展示这一创新组合如何在航空燃料电池领域发挥"1+1>2"的效果。
本文案例技术内容来自于ToffeeX自己发布的案例分享：
创新赋能的技术基础
在深入案例之前，我们需要理解拓扑优化这一强大工具的工作原理。
简单来说，拓扑优化是一种模拟自然沉积过程的算法，它能够在给定的设计空间内，通过不断调整材料分布，找到满足特定性能目标的最优构型。
在流体系统优化中，算法通过调整域内的"渗透率"分布，逐步形成固态结构，最终得到性能最优的流道设计。
这种优化方法与增材制造可谓天作之合。
传统制造方法往往受限于刀具可达性、模具抽芯等工艺约束，而增材制造的层层堆积特性，则让那些看似奇特的优化结构变得可实现。
正如英国ToffeeX公司在这项研究中展示的，他们不仅能够进行复杂的多物理场优化，还能在优化过程中考虑增材制造的工艺特点，确保输出的方案既有卓越性能，又具备可制造性。
从技术角度来看，该研究采用了"修正的Navier-Stokes方程"进行流体优化，通过在动量方程中引入Brinkman项来表征多孔介质中的流动阻力。
这种方法不仅能够准确描述流体行为，还能与热传导方程耦合，实现流固耦合优化。
用大白话说：
想象一下，当水流过一片布满大大小小孔洞的海绵时，水流会受到不同程度的阻碍。
研究团队正是利用了类似的原理，通过调整海绵中孔洞的大小和分布，来引导流体按照我们期望的方式流动。
更厉害的是，这种方法不仅能够处理流体的流动，还能同时考虑热量的传递，就像同时解决"水怎么流"和"热量怎么传"这两个问题。
通过这种方式，设计师可以在电脑中快速找到既能让流体顺畅流动、又能有效传递热量的最佳结构。
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更重要的是，研究团队在算法中融入了增材制造的工艺约束，比如最小特征尺寸控制、支撑结构考虑等，这些细节直接关系到优化结果能否被成功打印出来。
在接下来的内容中，我们将通过冷却板、进气歧管和流场板三个具体案例，详细展示这种创新方法如何帮助航空燃料电池实现性能突破。
每个案例都包含详实的技术数据和性能提升证明，让读者能够直观感受这种技术组合的强大价值。
案例一：冷却板的革命性创新
冷却板作为燃料电池（其他电池也需要）的关键部件，直接影响着整个系统的性能和可靠性。
传统的蛇形冷却通道设计，虽然在工程实践中被广泛采用，但其性能局限性日益凸显。
以陈等人（Chen et al., 2023）的研究为例，他们开发的蛇形通道冷却板虽然能将温度控制在323K以内，但高达38kPa的压降却意味着系统需要消耗大量能量来驱动冷却液流动。
通过仔细观察上图所示的传统蛇形设计，我们可以发现其中存在多个U形弯道。
每个弯道不仅会造成显著的局部压降，还会导致流动分布不均。
上图清晰地展示了这种设计在弯道处的巨大压力损失，这对于追求高效率的航空应用来说是难以接受的。
AM易道认为，这正是拓扑优化与增材制造协同创新的最佳切入点。
通过优化设计（如下图所示），完全突破了传统的"通道式"思维，创造出了一种全新的"岛状"结构布局。
这种设计巧妙地将流体分散到整个冷却板区域，通过精心设计的"岛屿"引导冷却液流动，实现了更均匀的传热和更低的压降。
优化后的设计展现出令人瞩目的性能提升。
如上图所示，最高温度比传统设计降低了1K，更重要的是，压降从38kPa骤降至3.5kPa，降幅超过90%。
这种性能飞跃意味着燃料电池系统的泵功率可以大幅降低，从而减轻系统重量、提升整体效率。
这对于重量敏感的航空应用具有重大意义。
从增材制造的角度来看，该设计采用了"2.5D"结构（统一截面的挤出体），这种设计思路既保证了优化结构的可制造性，又为工艺选择提供了更大的灵活性。
制造商可以根据具体需求，选择金属激光熔融（SLM）、电子束熔融（EBM）等增材制造工艺，甚至可以考虑使用传统的化学蚀刻或精密铣削工艺。
更值得一提的是，整个优化过程仅需90分钟就能完成，这种高效率使得设计团队能够快速进行多个方案的迭代优化，大大加快了产品开发周期。这也充分展示了数字化工具在现代工程设计中的强大价值。
案例二：进气歧管的3D智能优化
相比冷却板的二维优化，进气歧管的设计挑战更为复杂。
它需要在三维空间中实现从单一入口到多个出口的均匀流动分配，这对于燃料电池堆的性能至关重要。
上图展示的简化歧管模型，虽然结构看似简单，但实际包含了歧管设计中最具挑战性的特征：
大截面入口到多个小截面出口的流动转换，以及确保各出口流量均匀性的腔室设计。
通过全三维拓扑优化，研究团队获得了一个极具创新性的设计方案（如下图所示）。
最引人注目的是优化算法自动形成的渐变式收缩结构，它不仅能维持流动的稳定性，还能确保压力分布的合理性。
这种设计灵感来自自然界中的河流分叉系统，展现了拓扑优化向自然学习的特点。
从上图的流量分布对比可以看出，优化后的设计将出口流量的统计偏差降低了约20%。
这意味着燃料电池堆的各个单元能够获得更加均匀的反应气体供应，从而提高整体性能并延长使用寿命。
AM易道认为，这种高度复杂的三维结构正是金属增材制造的理想应用场景。
值得注意的是，虽然该优化案例耗时16小时，远超过冷却板的优化时间，但考虑到问题的复杂度（约300万网格单元的三维计算）和最终取得的性能提升，这个时间成本是完全可以接受的。
案例三：流场板的精准优化
流场板的设计直接关系到燃料电池的反应效率，其核心挑战在于如何在不影响活性区域的前提下，实现气体的均匀分配。
如上图所示，绿色区域代表着反应区域，这里不允许出现任何阻碍结构，这给优化设计带来了独特的挑战。
优化后的流场板设计（如上图所示）很精妙。
算法在入口区域创造了一个精妙的分配器结构，通过一系列优化的障碍物，将高速入口气流巧妙地分散和减速，使其能够均匀地覆盖整个反应区域。
上图速度分布曲线（三种颜色曲线分别对应下图不同彩色位置）
清晰地显示了这一效果：
在远离入口的区域，流速与目标值的偏差已经降到了15%以内，即便在靠近入口的区域，最大偏差也控制在了30%以内。
更令人印象深刻的是，这种性能提升是在仅产生15Pa压降的情况下实现的。
这意味着系统几乎不需要额外的能量来维持气体流动，对于提高燃料电池系统的整体能量效率具有重要意义。
考虑到流场板在使用过程中可能面临的腐蚀环境，案例考虑使用316L不锈钢粉末材料进行3D打印。
这种材料不仅具有良好的耐腐蚀性，在SLM工艺下还能实现较好的表面质量，这对于控制流场的均匀性至关重要。
此外，整个优化过程仅需3小时即可完成，并且可以直接进行2D到3D的模型转换和验证，缩短了设计周期。
写在最后: 技术价值与展望
通过以上三个案例，我们可以清晰地看到拓扑优化与增材制造结合所带来的应用突破。
告别了传统的"蛇形通道"等固有设计模式
引入了全新的"岛状"分布、"渐变式收缩"等创新结构
实现了在不影响反应区域的情况下优化流场分布这样的复杂目标
不仅在性能指标上实现了显著提升（压降降低90%以上、流量均匀性提升20%等），而且大大缩短了开发周期（从几天缩短到几小时）。
这种效率的提升，对于加速航空燃料电池技术的商业化具有重要意义。
AM易道认为，随着算法的进一步发展和增材制造工艺的持续进步，这种创新组合在航空燃料电池领域还有更大的发展空间。特别是在以下几个方向：
1.多物理场耦合优化的进一步深化。
未来的优化算法可能会将电化学反应、结构强度等更多物理场纳入考虑，实现更全面的系统优化。
2. 面向增材制造的智能优化。
通过将更多的工艺约束（如热应力控制、支撑结构优化等）整合到优化过程中，进一步提高设计方案的可制造性。
3.基于人工智能的优化加速。
通过引入机器学习技术，可能会大幅提升优化效率，使实时优化设计成为可能。
在这个充满挑战与机遇的转型时期，拓扑优化与增材制造的结合无疑为航空燃料电池的发展提供了一条极具潜力的创新路径。
通过持续的技术创新和工程实践，我们有理由相信，更多的突破性成果将不断涌现，推动航空工业向着更清洁、更高效的方向迈进。
案例当中的流体优化带来的散热+轻量化优势，绝不仅仅限于燃料电池这个领域，未来AM易道将分享更多技术本质同源但领域不同的案例，敬请关注。
如果读者对拓扑优化在热管理方面应用有更多见解或者应用设想，欢迎在评论区或者在25年的TCT在展会现场与我们交流讨论。
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