案例：基于增材制造技術(shù)重新設(shè)計(jì)液壓歧管

魔猴君  行業(yè)資訊   2112天前

由于3D打印 (AM) 技術(shù)能夠構(gòu)建內(nèi)部特征和 通道，因此非常適合用于設(shè)計(jì)和制造歧管。雷尼紹與客戶攜手合作，以3D打印技術(shù)為導(dǎo)向，重新對(duì)客戶當(dāng)前的液壓歧管進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是在不影響組件結(jié)實(shí)性的前提下，盡量減輕其重量。由于3D打印技術(shù)具有很高的設(shè)計(jì)自由度，因此設(shè)計(jì)人員可以依托這一優(yōu)勢(shì)來(lái)提高流動(dòng)通道的效率。

什么是液壓歧管? 

液壓歧管用于引導(dǎo)液壓系統(tǒng)連接閥、泵和傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)內(nèi)的液體流動(dòng)。它使得設(shè)計(jì)工程師可以將對(duì)液壓回路的控制集成在一個(gè)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(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。 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。鋁合金歧管由于材料成本不高且易于加工， 通常造價(jià)較為低廉，但是其耐磨性較差，因此任 何掉落的顆粒都會(huì)刮擦通道表面并加劇磨損。鑒于此，使用不銹鋼歧管有時(shí)更為理想。然而，由于不銹鋼的比重和硬度比鋁合金高，導(dǎo)致重量和加工成本明顯增加。

利用AM設(shè)計(jì)和制造液壓歧管的優(yōu)點(diǎn) 

? 優(yōu)化流動(dòng)通道，實(shí)現(xiàn)更高效的組件功能 

? 能夠充分利用計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 方法來(lái)輔助 設(shè)計(jì)過(guò)程 

? 降低對(duì)固定裝置的需求 

? 精簡(jiǎn)對(duì)可去除支撐構(gòu)造的需求 

? 可顯著減輕重量 

? 無(wú)需模塊取出通道 

? 由于具有充分的設(shè)計(jì)自由度，因此可設(shè)計(jì)出體積 大幅縮減的歧管 

為客戶帶來(lái)的直接好處: 

? 質(zhì)量減少高達(dá)79% 

? 單件式構(gòu)造，缺陷更少 

? 加快設(shè)計(jì)和開發(fā)迭代 

? 與現(xiàn)有設(shè)計(jì)完全兼容 

 ? 流動(dòng)效率提高60%

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

基于3D打印重新設(shè)計(jì) — 設(shè)計(jì)范圍 

3D打印技術(shù)允許更高的設(shè)計(jì)自由度，因此可基于該技術(shù)的特點(diǎn)調(diào)整組件結(jié)構(gòu)，從而在組件幾何 空間不變的情況下減輕材料重量并改進(jìn)功能。在重 新設(shè)計(jì)組件的過(guò)程中，客戶向雷尼紹提出了一些需 要考慮的設(shè)計(jì)和功能要求: 

幾何形狀 

? 確定的連接端口 

? 流動(dòng)通道的內(nèi)徑 

? 流動(dòng)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(shí)保持硬 度和功能不變。雷尼紹設(shè)計(jì)工程師在基于AM的特 點(diǎn)重新設(shè)計(jì)時(shí)也確認(rèn)了這一設(shè)計(jì)范圍，以便提高系 統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)通道的效率。 

第一次設(shè)計(jì)迭代 

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

隨后，減少和簡(jiǎn)化每個(gè)液壓管路，以便使用 SOLIDWORKS Flow Simulation(流體力學(xué)仿真) 工具進(jìn)行分段計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 分析。 接下來(lái)，通過(guò)CFD分析確定液體流動(dòng)不暢和停 滯的區(qū)域后，對(duì)流動(dòng)通道實(shí)施優(yōu)化。 

然后，根據(jù)此案例中客戶提供的技術(shù)指標(biāo)生成 殼厚，當(dāng)然也可以使用有限元分析 (FEA) 應(yīng)力模 型，基于CFD分析期間采集的壓力讀數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 

最后，設(shè)計(jì)永久支撐構(gòu)造并將其添加到CAD幾 何形狀中，建造一個(gè)高效的自承式結(jié)構(gòu)。通常，支撐結(jié)構(gòu)會(huì)在組件設(shè)計(jì)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(dǎo)熱作用 — 但是，將支撐構(gòu)造直接設(shè)計(jì)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(lái)的潛在的材 料浪費(fèi)。 

第一次設(shè)計(jì)迭代使歧管體積比原來(lái)減少了52%， 同時(shí)流動(dòng)效率提高了60%。

什么是CFD分析? 

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

二次設(shè)計(jì)迭代 

第一次迭代在雷尼紹建造并由客戶作出評(píng)價(jià); 客戶主要對(duì)新幾何形狀的液壓歧管的效果進(jìn)行了評(píng) 估;原始歧管被設(shè)計(jì)為模塊與串聯(lián)安裝的多個(gè)裝置 一起使用。各液壓歧管有時(shí)需要從該序列中取出 來(lái)進(jìn)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(dòng)取出歧 管，因而無(wú)需設(shè)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(huì)立 即打亂復(fù)雜的自承式結(jié)構(gòu)，但這正好為重新開發(fā)設(shè) 計(jì)提供了契機(jī)。相較于原來(lái)的實(shí)心塊，第一次設(shè)計(jì)迭 代大幅減小了體積，因此有人曾擔(dān)心在后續(xù)機(jī)加工 期間迭代1可能會(huì)出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)變形和/或振動(dòng)的 情況。事實(shí)證明這種擔(dān)心是多余的。而二次設(shè)計(jì)迭 代使得歧管的最終體積僅為原始歧管的21%，同時(shí) 進(jìn)一步增強(qiáng)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)這一 規(guī)格。

在雷尼紹，很清楚:要通過(guò)3D打印 (AM) 工藝得到最好組件，用戶需要了解針對(duì)3D打印的 設(shè)計(jì)比切削式加工和鑄造等傳統(tǒng)制造技術(shù)具有更 高的自由度。因此，即使在用戶購(gòu)買3D打印系統(tǒng) 后，仍會(huì)提供針對(duì)工藝支持的培訓(xùn)和設(shè)計(jì)。對(duì)于正在考慮將3D打印技術(shù)集成到生產(chǎn)過(guò)程的公司，全球解決方案中心為客戶開啟了合作之門。

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)