不僅是減重! 職業(yè)賽事帆船3D打印液壓歧管背后的應(yīng)用邏輯

魔猴君  行業(yè)資訊   1622天前

增材制造技術(shù)為液壓系統(tǒng)零部件制造帶來了設(shè)計(jì)優(yōu)化的空間。已經(jīng)通過這一技術(shù)開展液壓元件重新設(shè)計(jì)的液壓制造商并不是用3D打印制造傳統(tǒng)加工技術(shù)所能夠制造的液壓件，而是用于制造根據(jù)“增材制造設(shè)計(jì)思維”進(jìn)行過設(shè)計(jì)優(yōu)化的特殊液壓零件。

本期3D科學(xué)谷分享的帆船3D打印液壓歧管正是抓住了“增材制造設(shè)計(jì)思維”對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，從而促進(jìn)產(chǎn)品性能升級(jí)。

比賽帆船3D打印液壓歧管。來源：Prodrive

與傳統(tǒng)閥塊完全不同的設(shè)計(jì)

制造商Prodrive 為美洲杯比賽用的帆船上開發(fā)了一種增材制造的微液壓閥。Prodrive 對(duì)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，打印材料為鈦合金。與傳統(tǒng)液壓閥塊相比（左圖），重量減輕2.5千克。這一增材制造液壓件尺寸約為10×10厘米。

傳統(tǒng)液壓閥塊與3D打印液壓歧管。來源：Prodrive

通過上圖可以看出傳統(tǒng)液壓閥與增材制造液壓閥在設(shè)計(jì)上的明顯差異。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，傳統(tǒng)液壓閥通過機(jī)械加工交叉鉆孔的方式來實(shí)現(xiàn)，在制造時(shí)首先要切割和加工坯料，使其達(dá)到規(guī)定的尺寸，之后進(jìn)行鉆孔以形成液體流動(dòng)通道。由于要完成復(fù)雜鉆孔，因此通常會(huì)用到特殊工具。通道內(nèi)還需要一些堵塞頭，以正確引導(dǎo)液體在系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)路線。

傳統(tǒng)制造工藝固有的局限性會(huì)導(dǎo)致相鄰流動(dòng)通道之間形成突兀的拐角，造成液體流動(dòng)不暢和/或停滯，這是效率損失的一個(gè)重要原因。從流體力學(xué)的角度來看，傳統(tǒng)方式加工的液壓歧管在設(shè)計(jì)上存在許多有待改進(jìn)的空間，這正是3D打印技術(shù)可以發(fā)揮作用之處。

與傳統(tǒng)液壓閥塊規(guī)則的長方塊狀結(jié)構(gòu)相比，3D打印液壓閥帶給人的最直觀印象是其結(jié)構(gòu)不再是規(guī)則的閥塊，而是一組具有不規(guī)則形狀的管道。設(shè)計(jì)3D打印液壓歧管時(shí)的關(guān)鍵步驟包括：提取流體路徑-優(yōu)化流形-確定壁厚和支撐結(jié)構(gòu)等。

基于3D打印技術(shù)重新設(shè)計(jì)液壓歧管價(jià)值體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面是重量得到減輕，使用的制造材料相應(yīng)減少。另一方面是提高設(shè)計(jì)自由度，優(yōu)化內(nèi)部流體通道的設(shè)計(jì)，減少流體效率的損失。增材制造的液壓歧管可應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械、賽車、航空、帆船等多種機(jī)械設(shè)備的液壓閥體中。

Prodrive開發(fā)的3D打印液壓歧管是與金屬3D打印系統(tǒng)供應(yīng)商雷尼紹（Renishaw）以及 LandRover BAR 帆船隊(duì)合作制造的。3D打印液壓歧管引起了不少制造領(lǐng)域?qū)I(yè)人士的興趣與討論，探討話題涉及到制造成本、設(shè)計(jì)優(yōu)化、使用時(shí)的性能、如何提高生產(chǎn)效率等等。

例如有人關(guān)注3D打印液壓歧管的制造成本。對(duì)此，Prodrive表示，作為給專業(yè)比賽帆船開發(fā)的3D打印液壓歧管，制造成本的確不是首要考慮的因素，他們采用3D打印技術(shù)非常重要的一個(gè)驅(qū)動(dòng)力是，實(shí)現(xiàn)無法通過傳統(tǒng)加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)液壓閥的減重及流道的優(yōu)化。

有人關(guān)注3D打印液壓歧管承受的工作壓力與疲勞壽命，上屆美洲杯比賽時(shí)的工作壓力達(dá)350bar ，Prodrive根據(jù)此數(shù)據(jù)對(duì)3D打印液壓歧管樣件進(jìn)行了驗(yàn)證。

也有人建議通過鑄造工藝來制造這一液壓歧管，從而提高生產(chǎn)率。

3D打印多路閥砂型。來源：voxeljet-維捷

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，采用3D打印與鑄造相結(jié)合的工藝來制造復(fù)雜液壓元件，也是液壓制造商正在探索的實(shí)現(xiàn)液壓元件設(shè)計(jì)優(yōu)化與性能升級(jí)的方式。著名液壓元件制造商博世力士樂在2015年左右就通過3D打印砂模與鑄造相結(jié)合的方式快速制造液壓元件。在剛剛結(jié)束的TCT 亞洲展中，也可以看到國內(nèi)工程機(jī)械研究機(jī)構(gòu)通過voxeljet-維捷粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)制造的液壓閥體鑄造砂型，這一鑄造用的砂型也是進(jìn)行了面向增材制造的設(shè)計(jì)，其中具有無法通過傳統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜流體管道。

《3D打印與液壓白皮書2.0》。來源：3D科學(xué)谷

正如Prodrive 帆船3D打印液壓歧管應(yīng)用中所關(guān)注的，推動(dòng)增材制造應(yīng)用的主要驅(qū)動(dòng)力是該技術(shù)為液壓系統(tǒng)元件設(shè)計(jì)優(yōu)化所帶來的附加價(jià)值。增材制造技術(shù)在實(shí)現(xiàn)液壓元件輕量化、提高流動(dòng)效率、無模具、可快速迭代等方面具有優(yōu)勢(shì)。

這一切看似簡單，但實(shí)踐過程并不容易。液壓制造商必須考慮流體、壓力所帶來的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，考慮如何在系統(tǒng)內(nèi)部定位歧管，內(nèi)部支撐的放置位置等眾多因素。對(duì)于液壓制造商而言，應(yīng)用增材制造技術(shù)的更大難處在于，如何制造根據(jù)“增材制造設(shè)計(jì)思維”開發(fā)液壓元件。

來源：3D科學(xué)谷