案例：基于增材制造技術重新設計液壓歧管

魔猴君  行業(yè)資訊   2160天前

什么是液壓歧管? 

液壓歧管用于引導液壓系統(tǒng)連接閥、泵和傳動 機構內(nèi)的液體流動。它使得設計工程師可以將對液壓回路的控制集成在一個緊湊的單元內(nèi)。液壓歧管的傳統(tǒng)制造方法傳統(tǒng)上，要制造液壓歧管，首先要切割和加工鋁合金或不銹鋼坯料，使其達到規(guī)定的尺寸， 之后進行鉆孔以形成液體流動通道。由于要完成 復雜鉆孔，因此通常會用到特殊工具。通道內(nèi)還 需要一些堵塞頭，以正確引導液體在系統(tǒng)內(nèi)的流 動路線。 制造工藝固有的局限性會導致相鄰流動通道 之間形成突兀的拐角，造成液體流動不暢和/或停 滯，這是效率損失的一個重要原因。鋁合金歧管由于材料成本不高且易于加工， 通常造價較為低廉，但是其耐磨性較差，因此任 何掉落的顆粒都會刮擦通道表面并加劇磨損。鑒于此，使用不銹鋼歧管有時更為理想。然而，由于不銹鋼的比重和硬度比鋁合金高，導致重量和加工成本明顯增加。

利用AM設計和制造液壓歧管的優(yōu)點 

? 優(yōu)化流動通道，實現(xiàn)更高效的組件功能 

? 能夠充分利用計算流體力學 (CFD) 方法來輔助 設計過程 

? 降低對固定裝置的需求 

? 精簡對可去除支撐構造的需求 

? 可顯著減輕重量 

? 無需模塊取出通道 

? 由于具有充分的設計自由度，因此可設計出體積 大幅縮減的歧管 

為客戶帶來的直接好處: 

? 質(zhì)量減少高達79% 

? 單件式構造，缺陷更少 

? 加快設計和開發(fā)迭代 

? 與現(xiàn)有設計完全兼容 

 ? 流動效率提高60%

第一次迭代幾何形狀。將流動通道取出，進行優(yōu)化并設置殼厚。 支撐構造用于固定流動通道并連接固定位置

基于3D打印重新設計 — 設計范圍 

3D打印技術允許更高的設計自由度，因此可基于該技術的特點調(diào)整組件結構，從而在組件幾何 空間不變的情況下減輕材料重量并改進功能。在重 新設計組件的過程中，客戶向雷尼紹提出了一些需 要考慮的設計和功能要求: 

幾何形狀 

? 確定的連接端口 

? 流動通道的內(nèi)徑 

? 流動通道的殼厚 

? 固定位置和接口 

功能 

客戶的主要訴求是減輕組件重量，同時保持硬 度和功能不變。雷尼紹設計工程師在基于AM的特 點重新設計時也確認了這一設計范圍，以便提高系 統(tǒng)內(nèi)流動通道的效率。 

第一次設計迭代 

第一步是將部件解構成可提供液壓歧管功能的 必要通道。使用CAD(計算機輔助設計)軟件將原 始交叉鉆孔設計的流動通道提取出來，并去除流動 通道不需要的鉆孔區(qū)域，只留下必要的管道網(wǎng)絡。 

隨后，減少和簡化每個液壓管路，以便使用 SOLIDWORKS Flow Simulation(流體力學仿真) 工具進行分段計算流體力學 (CFD) 分析。 接下來，通過CFD分析確定液體流動不暢和停 滯的區(qū)域后，對流動通道實施優(yōu)化。 

然后，根據(jù)此案例中客戶提供的技術指標生成 殼厚，當然也可以使用有限元分析 (FEA) 應力模 型，基于CFD分析期間采集的壓力讀數(shù)來實現(xiàn)。 

最后，設計永久支撐構造并將其添加到CAD幾 何形狀中，建造一個高效的自承式結構。通常，支撐結構會在組件設計的最后階段被添加到最終幾何 形狀中，以便將部件固定到底板上并起到導熱作用 — 但是，將支撐構造直接設計為組件的一部分，可 以減少之后添加需要去除的支撐而帶來的潛在的材 料浪費。 

第一次設計迭代使歧管體積比原來減少了52%， 同時流動效率提高了60%。

什么是CFD分析? 

計算流體力學 (CFD) 分析基于液體和氣體的相互作用為設計師提供系統(tǒng)流體的理論效率信息。 

二次設計迭代 

第一次迭代在雷尼紹建造并由客戶作出評價; 客戶主要對新幾何形狀的液壓歧管的效果進行了評 估;原始歧管被設計為模塊與串聯(lián)安裝的多個裝置 一起使用。各液壓歧管有時需要從該序列中取出 來進行修理;因此原始歧管需要帶有螺紋的“模塊 取出”通道。第一次迭代后，3D打印的幾何形狀可 以讓工程師在不借助任何工具的情況下手動取出歧 管，因而無需設置模塊取出通道。

雖然從CAD模型上去除這些模塊取出通道會立 即打亂復雜的自承式結構，但這正好為重新開發(fā)設 計提供了契機。相較于原來的實心塊，第一次設計迭 代大幅減小了體積，因此有人曾擔心在后續(xù)機加工 期間迭代1可能會出現(xiàn)彎曲、扭轉變形和/或振動的 情況。事實證明這種擔心是多余的。而二次設計迭 代使得歧管的最終體積僅為原始歧管的21%，同時 進一步增強了歧管剛性。 

歧管體積的大幅減小為使用更適合的316L不銹 鋼生產(chǎn)迭代2產(chǎn)品創(chuàng)造了條件。二次設計迭代后， 歧管凈重減少了37%，即使使用比重較大(不銹鋼 8g/cm3，鋁合金<3g/cm3)的材料也可實現(xiàn)這一 規(guī)格。

來源：中國3D打印網(wǎng)