(邵陽(yáng)學(xué)院,湖南邵陽(yáng)422000)
(邵陽(yáng)學(xué)院,湖南邵陽(yáng)422000)
綜述了化纖熔融紡絲冷卻吹風(fēng)裝置及絲束冷卻過(guò)程中冷卻風(fēng)流場(chǎng)仿真的研究進(jìn)展.討論了針對(duì)吹風(fēng)裝置冷卻風(fēng)不均勻、不穩(wěn)定、提高絲束質(zhì)量、降低裝置能耗等問(wèn)題所采取的相關(guān)對(duì)策與措施.對(duì)吹風(fēng)冷卻裝置的研究和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望.
絲束吹風(fēng)冷卻裝置;流場(chǎng)仿真;對(duì)策與措施;發(fā)展趨勢(shì);
化纖熔融紡絲時(shí),熔體從噴絲板的毛細(xì)孔噴出,經(jīng)吹風(fēng)冷卻、拉伸,最后凝固成絲條[1].絲束冷卻凝固過(guò)程是決定絲束質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié).隨著人們對(duì)化纖產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高,絲束吹風(fēng)冷卻技術(shù)越來(lái)越被重視,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)冷卻風(fēng)的風(fēng)速、壓力、溫度、濕度、均勻性、穩(wěn)定性等工藝參數(shù)及吹風(fēng)冷卻裝置的結(jié)構(gòu)對(duì)絲束質(zhì)量的影響進(jìn)行了深入研究和應(yīng)用[2-3].
絲束冷卻裝置可分為側(cè)吹風(fēng)、外環(huán)吹風(fēng)和中心環(huán)吹風(fēng)3類.本文綜述了以上吹風(fēng)冷卻裝置及其流場(chǎng)仿真分析的研究現(xiàn)狀,然后對(duì)它們的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望.
側(cè)吹風(fēng)冷卻裝置結(jié)構(gòu)如圖1.裝置的工作原理:首先冷卻風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道6,通過(guò)閥5控制風(fēng)量、風(fēng)速進(jìn)入氣室4,然后經(jīng)整流層3進(jìn)行整流勻風(fēng)后,對(duì)絲速進(jìn)行冷卻后,一部分從排風(fēng)門2散發(fā)到周圍環(huán)境中,另一部分隨絲束下行進(jìn)入甬道.側(cè)吹風(fēng)冷卻方式具有孔數(shù)較少、冷卻散失熱量少的特點(diǎn),主要用于異形長(zhǎng)絲、粗旦長(zhǎng)絲等冷卻中.如果用于短纖維紡絲,需采用矩形噴絲板(絲條并排分布),以減少吹風(fēng)絲層的厚度;減小受風(fēng)面和背風(fēng)面的冷卻速度差異.自上世紀(jì)70年代紡絲工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化以來(lái),化纖側(cè)吹風(fēng)冷卻使絲束的產(chǎn)量、質(zhì)量、單線生產(chǎn)能力等有很大的提高,并在長(zhǎng)絲、粗旦絲和異形絲等紡絲冷卻中得到廣泛應(yīng)用[4-5].
圖1 側(cè)吹風(fēng)裝置Fig.1 Lateral blowing device
國(guó)內(nèi)研究人員在提高絲束質(zhì)量方面進(jìn)行了深入研究:趙會(huì)錦[6]等針對(duì)側(cè)吹風(fēng)冷卻方式下紡POY細(xì)旦纖維時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率偏低和條干不勻率偏大的問(wèn)題,通過(guò)延長(zhǎng)側(cè)吹風(fēng)緩冷區(qū)高度至90mm、增加冷卻風(fēng)導(dǎo)流裝置和防干擾裝置,并改進(jìn)其風(fēng)網(wǎng)工藝和設(shè)備條件,使128dtex/114f POY的條干不勻率小于0.63%,顯著地提高了纖維品質(zhì);張尚垛[7-8]等在側(cè)吹風(fēng)裝置緩冷區(qū)采用弧形板技術(shù),減少了野風(fēng)對(duì)緩冷區(qū)的干擾、避免飄絲,絲層冷卻更均勻一致.
針對(duì)側(cè)吹冷卻風(fēng)不同的相對(duì)濕度對(duì)制冷量和耗熱量的影響都較大的問(wèn)題,冷正平[9]提出了冷卻風(fēng)相對(duì)濕度參數(shù)浮動(dòng)和合理利用回風(fēng)的觀點(diǎn),以某高速紡絲機(jī)側(cè)吹風(fēng)冷卻裝置為例,冷卻風(fēng)夏季相對(duì)濕度87%,冬季相對(duì)濕度37%,回風(fēng)取自卷繞間且回風(fēng)比例在40%左右,達(dá)到夏季耗冷量節(jié)約57%,冬季加熱量節(jié)約70%的效果.萬(wàn)仁里[10]針對(duì)不同的絲束品種,提供不同風(fēng)溫和相對(duì)濕度來(lái)進(jìn)行研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)提高夏季的送風(fēng)溫度和相對(duì)濕度;降低冬季的送風(fēng)溫度和相對(duì)濕度都能獲得好的節(jié)能效果.
雖然側(cè)吹風(fēng)冷卻形式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn),然而其能耗大、同一截面上近風(fēng)網(wǎng)與遠(yuǎn)風(fēng)網(wǎng)處絲束均勻性差,尤其是紡制聚合物熱量較高的纖維或大容量紡絲時(shí),絲束質(zhì)量更難保證.隨著人們對(duì)絲束質(zhì)量要求的提高及能源效率問(wèn)題的重視,越來(lái)越多的側(cè)吹風(fēng)冷卻工藝將逐步被環(huán)吹風(fēng)所取代[11].
環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置的冷卻吹風(fēng)系統(tǒng)分為外環(huán)(向內(nèi))吹風(fēng)和中心環(huán)(向外)吹風(fēng)裝置[12-13].
2.1 外環(huán)吹風(fēng)裝置
外環(huán)吹風(fēng)裝置如圖2.裝置的工作原理:首先冷卻風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道后,經(jīng)過(guò)多孔板6進(jìn)行一次整流,進(jìn)入下部氣室,然后通過(guò)多孔板4進(jìn)行二次整流,進(jìn)入上部氣室,再通過(guò)外多孔板1、內(nèi)多孔板2進(jìn)行整流勻風(fēng),然后從金屬絲網(wǎng)3中均勻吹出對(duì)絲束進(jìn)行冷卻,最后散發(fā)到周圍空氣中.
圖2 外環(huán)吹風(fēng)裝置Fig.2 Outer ring blowing device
外環(huán)吹冷卻方式因其冷卻風(fēng)由絲束外側(cè)周向均勻地吹向環(huán)狀排布的絲束,出風(fēng)面與絲束距離很近,極好的利用了能量.同時(shí)由于冷卻風(fēng)不需穿過(guò)多層纖維,冷卻風(fēng)溫升較小,各絲束冷卻條件相近[14].
根據(jù)冷卻室密封情況可將外環(huán)吹風(fēng)冷卻方式分為三種形式:敞開(kāi)式、半敞開(kāi)式、密閉式[15].
敞開(kāi)式,其冷卻室上下兩端都開(kāi)放.由于冷卻室不密封,氣流外溢,會(huì)影響噴絲、增加絲束顫動(dòng),導(dǎo)致絲束質(zhì)量變差,同時(shí)使現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境惡化.基于以上原因,該形式的環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置基本被淘汰了.
密閉式,其冷卻室是封閉的,用下抽風(fēng)的方式從甬道中排風(fēng),不會(huì)受外界的干擾,紡絲間溫度也不會(huì)太高,是理論上最理想的冷卻方式.早期的密閉式環(huán)吹風(fēng)裝置,由于加工精度達(dá)不到要求,供回風(fēng)平衡控制及裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,其冷卻效果不好,如在20世紀(jì)70年代初期仿制的VD406高壓高阻尼密閉式環(huán)吹風(fēng)裝置,該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件加工困難、整流層更換清洗頻繁、進(jìn)排風(fēng)平衡要求高,冷卻動(dòng)力消耗大、工藝難以穩(wěn)定控制,紡絲過(guò)程中易出現(xiàn)并絲及疵點(diǎn)[15].
隨著加工、控制等技術(shù)的進(jìn)步,環(huán)吹風(fēng)裝置的制造精度和冷卻風(fēng)工藝參數(shù)的控制精度有了很大改善,黑龍江龍滌集團(tuán)有限公司1992年從吉瑪公司引進(jìn)的低阻尼密閉式環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置,通過(guò)對(duì)冷卻風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)和供、回風(fēng)采用步進(jìn)電機(jī)根據(jù)風(fēng)壓差來(lái)控制風(fēng)平衡[16],實(shí)現(xiàn)風(fēng)速1m/s時(shí)差異率小于0.05m/s,伸長(zhǎng)不勻率、斷裂強(qiáng)度不勻率都小于6%,原絲、成品中疵點(diǎn)含量很少.針對(duì)密閉式環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置冷卻風(fēng)的均勻性和裝置的能耗的問(wèn)題,近年來(lái)國(guó)內(nèi)的學(xué)者也研發(fā)出一些性能良好的環(huán)吹裝置[17-18].
半敞開(kāi)式,其冷卻室上端密封,下端開(kāi)放,進(jìn)排風(fēng)易達(dá)到平衡,且能耗較小,與全封閉式環(huán)吹工藝相比,氣流透過(guò)性好,是近年來(lái)紡滌綸短纖維和超細(xì)纖維工藝采用較多的冷卻形式.但其下端開(kāi)放,會(huì)受外界干擾,并使紡絲間的溫度過(guò)高.而當(dāng)紡速較高、噴絲板孔圈數(shù)較多時(shí)冷卻風(fēng)很難穿透到絲束內(nèi)層,使內(nèi)外層絲束均勻性變差.
為了節(jié)能降耗,Oerlikon Barmag公司研發(fā)的Eco Quench外環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置,采用金屬網(wǎng)型整流筒整流,其風(fēng)阻力小,使絲條冷卻過(guò)程所需冷卻風(fēng)量節(jié)約了約40%,風(fēng)速不勻率小于4%,產(chǎn)品的CV值降到1.0以下,內(nèi)外層絲束均勻性好,且可反復(fù)使用.同時(shí)配套推出第三代雙通道快裝式紡絲組件,紡絲位距更小,減少了單位占地面積,紡絲操作更方便[19].
TMT用于細(xì)旦纖維紡絲的CIQ外環(huán)吹冷卻裝置,其風(fēng)向整流筒制作精細(xì),不但能保證每個(gè)位及位與位之間的每束絲的受風(fēng)不勻率小于4%.而且冷卻風(fēng)量?jī)H為普通側(cè)吹風(fēng)方式的1/3,能以最省的冷卻風(fēng)量達(dá)到最佳的冷卻效果;位距小,對(duì)單絲纖度為0.3 D的多孔超細(xì)旦纖維加工性極佳.但它的整流筒風(fēng)阻大,能耗較大.
北京中麗研發(fā)用于DTY單絲纖度在0.3~1.0 D之間的超細(xì)纖維的新型外環(huán)吹風(fēng)絲束冷卻裝置,其環(huán)吹風(fēng)整流筒吹風(fēng)均勻、清洗更換方便,并且能獲得品質(zhì)更優(yōu)的滌綸超細(xì)長(zhǎng)絲.該新型外環(huán)吹風(fēng)裝置紡程上無(wú)風(fēng)區(qū)高度可根據(jù)生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)可節(jié)約80%的側(cè)吹風(fēng)量,節(jié)能效果顯著.
邵陽(yáng)紡織機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)的兩用型半敞開(kāi)式外環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置,出風(fēng)直徑410mm,出風(fēng)高度300mm,采用4塊多孔板和10層金屬絲網(wǎng)整流,在紡棉型纖維時(shí)風(fēng)壓1080Pa,風(fēng)速達(dá)到2m/s左右,不勻率小于10%,紡中空纖維時(shí)風(fēng)壓2200Pa,風(fēng)速達(dá)到5m/s左右,不勻率小于15%,絲的品質(zhì)都達(dá)到要求.
由于外環(huán)吹風(fēng)在吐出量大、孔數(shù)多、絲條比熱高的情況下易使熱量滯留在噴絲板無(wú)孔區(qū)下方區(qū)域難以散發(fā)出來(lái),容易造成內(nèi)層絲束并絲,影響絲的品質(zhì).然而,中心環(huán)吹風(fēng)裝置冷卻后的冷卻風(fēng)直接散發(fā)到周圍環(huán)境中,不會(huì)出現(xiàn)冷卻風(fēng)滯留、熱量集中的情況,且工藝彈性大,通過(guò)對(duì)環(huán)吹風(fēng)裝置做簡(jiǎn)單的調(diào)整后,既能得到粗的纖維,也能得到高品質(zhì)的微細(xì)纖維.其難點(diǎn)是保證冷卻風(fēng)在周向各點(diǎn)的風(fēng)速均勻.
2.2 中心環(huán)吹風(fēng)裝置
中心環(huán)吹風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)如圖3.裝置的工作原理:首先冷卻風(fēng)進(jìn)入風(fēng)道,然后進(jìn)入內(nèi)膽2,經(jīng)過(guò)內(nèi)膽的整流進(jìn)入氣室3,再通過(guò)整流層4進(jìn)行整流勻風(fēng),最后經(jīng)過(guò)金屬絲網(wǎng)吹出對(duì)絲束進(jìn)行冷卻,然后散發(fā)到周圍環(huán)境中.
中心環(huán)吹裝置主要缺陷是會(huì)受環(huán)境風(fēng)的干擾,而且對(duì)吹風(fēng)速度、紡絲張力等的控制很嚴(yán).如果紡絲和冷卻工藝控制不當(dāng)也會(huì)造成部位飄絲現(xiàn)象,產(chǎn)生毛絲和斷頭.
圖3 中心環(huán)吹風(fēng)裝置Fig.3 The center ring blowing device
瑞士伊文達(dá)的燭芯式中心吹風(fēng)裝置,過(guò)濾整流材料采用燒結(jié)金屬筒,這種高阻尼材料可提高冷卻吹風(fēng)效率,增大噴絲孔密度,減小紡絲位距.該燭芯式中心吹風(fēng)裝置氣室形狀簡(jiǎn)單,能保證筒的軸向和徑向風(fēng)速均勻,但是上風(fēng)室風(fēng)壓高達(dá)6000-10000Pa,阻力很大,故能耗也大[20].
韓國(guó)三星公司的中心環(huán)吹風(fēng)裝置,風(fēng)速均勻性好,生產(chǎn)的成品絲質(zhì)量好.但其中心燭筒形吹風(fēng)細(xì)筒制作成本高,且吹風(fēng)對(duì)周圍環(huán)境要求高,能耗較大.
上海二紡機(jī)股份有限公司連續(xù)申請(qǐng)了4個(gè)中心環(huán)吹風(fēng)裝置實(shí)用新型專利,其整流材料均采用多孔板與鋼絲網(wǎng)等低阻尼材料,有效降低裝置阻力,然而裝置的冷卻效果有待改進(jìn).試驗(yàn)表明,雖然此類裝置對(duì)風(fēng)壓要求低,節(jié)能的效果好,但鋼絲網(wǎng)的剛性差,在安裝、使用中容易變形、損壞,進(jìn)而影響吹風(fēng)性能.
周應(yīng)祥[21]通過(guò)研究中心環(huán)吹風(fēng)裝置喉頸、內(nèi)管的錐度與開(kāi)孔率、外管的開(kāi)孔率、外管與內(nèi)管間的間隔距離等參數(shù)變化對(duì)風(fēng)速的影響,得到使吹風(fēng)均勻、穩(wěn)定、冷卻效果好的結(jié)構(gòu)參數(shù),同時(shí)實(shí)現(xiàn)低阻尼、低能耗.謝丹潔[22]針對(duì)中心環(huán)吹風(fēng)裝置的氣室設(shè)計(jì)進(jìn)行理論分析,在此基礎(chǔ)上建立理論模型,然后在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行測(cè)試、修正,使其更趨合理、完善,滿足紡絲工藝要求.
邵陽(yáng)紡織機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)的年產(chǎn)3~6萬(wàn)噸滌綸短纖維紡絲聯(lián)合機(jī)中所采用的低阻尼中心環(huán)吹風(fēng)裝置,解決了一些進(jìn)口的高阻尼中心環(huán)吹風(fēng)設(shè)備投資、運(yùn)行成本高的問(wèn)題.
總之,中心環(huán)吹和外環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置各有各的優(yōu)劣,由于差別化纖維生產(chǎn)的品質(zhì)要求高、技術(shù)難度大,對(duì)絲束冷卻均勻性要求更高,風(fēng)速不勻率更小,所以為了滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求,環(huán)吹風(fēng)冷卻裝置的風(fēng)速均勻性、穩(wěn)定性及設(shè)備的密封性等問(wèn)題仍然有待深入研究.
表1 各類吹風(fēng)裝置特征、性能對(duì)比表Tab.1 The contrast table of characteristics and performances of all kinds of blowing device
流場(chǎng)分析方法是通過(guò)將流體力學(xué)基本方程離散化,以流體有限元法來(lái)仿真復(fù)雜的流場(chǎng),有理論建模研究、實(shí)驗(yàn)分析和計(jì)算機(jī)模擬仿真三種.
化纖熔融紡絲中熔體細(xì)絲的冷卻都是在熱絲束流和冷風(fēng)流的以對(duì)流為主的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中用換熱方式完成的.而冷風(fēng)流的溫度場(chǎng)決定它的動(dòng)力場(chǎng),包括速度場(chǎng)和靜力場(chǎng)等,冷風(fēng)流溫度場(chǎng)和動(dòng)力場(chǎng)的變化會(huì)引起絲束在紡程上的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和張力場(chǎng)的變化,所有這些變化都會(huì)對(duì)初生纖維的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生影響[23].
上世紀(jì)60年代起,人們對(duì)紡絲過(guò)程做了大量研究:提出建立紡絲過(guò)程模型,通過(guò)數(shù)學(xué)表達(dá)式描述紡絲過(guò)程中各點(diǎn)溫度、速度和張力等的變化,為更有效的控制紡絲過(guò)程[24-25];通過(guò)研究絲束冷卻時(shí)的熱傳導(dǎo)系數(shù)、絲條對(duì)空氣的阻力、聚合物的拉伸粘度,使力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)的理論計(jì)算成為可能.所有這些研究都為流場(chǎng)模擬仿真打下了良好的基礎(chǔ).1981年,何華雄[26]通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬了滌綸短纖維單絲的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和張力場(chǎng)情況,得到冷卻過(guò)程的數(shù)值解.為了減少冷卻裝置冷卻風(fēng)的橫向湍動(dòng),陳賢銳[27]對(duì)各類吹風(fēng)裝置的氣流流態(tài)做了較詳細(xì)的分析,提出了消除氣流干擾的措施.1998年,為了優(yōu)化紡絲工藝,掌握纖維成形時(shí)的物理行為,STRAUB R[28]等進(jìn)行了環(huán)吹風(fēng)冷卻的數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)模擬研究.馬強(qiáng)[29]等重點(diǎn)對(duì)環(huán)吹風(fēng)單絲和復(fù)絲冷卻過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬和試驗(yàn)研究,得出模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合性較好.
袁婷婷[30]等對(duì)氨綸干法紡絲動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,獲得絲條沿紡絲線上的速度、溫度與溶劑濃度的分布規(guī)律,并優(yōu)化了氨綸紡絲工藝、提高了干紡氨綸的絲束質(zhì)量.
為了得到風(fēng)速均勻的吹風(fēng)冷卻裝置,傳統(tǒng)的做法是采用反復(fù)試驗(yàn)、修改裝置結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)等方法,客觀上造成了盲目性、增加了成本.隨著CFD(Computational Fluid Dynamics)技術(shù)越來(lái)越成熟,將其運(yùn)用到吹風(fēng)冷卻裝置的設(shè)計(jì)和改造中,對(duì)吹風(fēng)冷卻裝置復(fù)雜的流場(chǎng)進(jìn)行仿真、數(shù)值模擬,減少了制造加工環(huán)節(jié),是化纖紡絲冷卻裝置開(kāi)發(fā)過(guò)程中降低成本、提高效率非常有效的手段[31].
在對(duì)流場(chǎng)的研究中,人們?cè)诓粩嗤晟茖?shí)驗(yàn)方法的同時(shí),也在根據(jù)理論模型進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)研究流體機(jī)械內(nèi)的流動(dòng)狀況.研究表明,將流場(chǎng)仿真技術(shù)引入到吹風(fēng)冷卻裝置的設(shè)計(jì)中,利用CFD流場(chǎng)仿真軟件對(duì)吹風(fēng)冷卻裝置的流場(chǎng)進(jìn)行仿真和關(guān)鍵部位周圍空間進(jìn)行氣流場(chǎng)分析,這樣不僅可預(yù)測(cè)吹風(fēng)冷卻裝置的性能,還可較方便地修改物理模型,預(yù)測(cè)裝置改進(jìn)后的性能,為吹風(fēng)冷卻裝置的技術(shù)改進(jìn)和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo).
隨著人們對(duì)化纖產(chǎn)品的需求和要求不斷提高,并且能源問(wèn)題得到前所未有的重視.化纖絲束冷卻裝置向著高效、低耗、低排方向發(fā)展,同時(shí)冷卻吹風(fēng)裝置的差別化、柔性化、多樣化得到用戶的親睞.而將冷卻吹風(fēng)裝置設(shè)計(jì)與仿真軟件的有效結(jié)合,在降低成本、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益等方面受到前所未有的重視.
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化纖絲束吹風(fēng)冷卻裝置研究進(jìn)展
李吉肖,曾寶成,姜宏陽(yáng),李夢(mèng)奇
Review of Melt Spinning Quenching Equipment
LI Ji-xiao,ZENG Bao-cheng,JIANG Hong-yang,LI Meng-qi
(Shaoyang University,Shaoyang,Hunan 422000,China)
The melt spinning quenching equipment and its advance research of computer simulation process are reviewed. Measures taken to overcome cooling air's uneven,unstable,and how to improve tow quality,reducing device's energy consumption are discussed.The development trends and application of melt spinning quenching equipment are forecasted.
melt spinning quenching equipment;computer simulation;countermeasure;development trends
TQ340.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
1672-7010(2014)03-0066-06
2014-04-03
湖南省教育廳科研項(xiàng)目(13C844);湖南省邵陽(yáng)學(xué)院研究生科研項(xiàng)目(CX2013SY007)資助.
李吉肖(1988—),男,湖南永州人,邵陽(yáng)學(xué)院2012級(jí)碩士研究生,研究方向:專用裝備設(shè)計(jì)與制造.