不僅是減重! 職業賽事帆船3D打印液壓歧管背后的應用邏輯
魔猴君 行業資訊 1592天前
增材制造技術為液壓系統零部件制造帶來了設計優化的空間。已經通過這一技術開展液壓元件重新設計的液壓制造商并不是用3D打印制造傳統加工技術所能夠制造的液壓件，而是用于制造根據“增材制造設計思維”進行過設計優化的特殊液壓零件。
本期3D科學谷分享的帆船3D打印液壓歧管正是抓住了“增材制造設計思維”對產品進行了重新設計，從而促進產品性能升級。
比賽帆船3D打印液壓歧管。來源：Prodrive
與傳統閥塊完全不同的設計
制造商Prodrive 為美洲杯比賽用的帆船上開發了一種增材制造的微液壓閥。Prodrive 對進行了重新設計，打印材料為鈦合金。與傳統液壓閥塊相比（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液壓閥與增材制造液壓閥在設計上的明顯差異。
根據3D科學谷的市場研究，傳統液壓閥通過機械加工交叉鉆孔的方式來實現，在制造時首先要切割和加工坯料，使其達到規定的尺寸，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。通道內還需要一些堵塞頭，以正確引導液體在系統內的流動路線。
傳統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。從流體力學的角度來看，傳統方式加工的液壓歧管在設計上存在許多有待改進的空間，這正是3D打印技術可以發揮作用之處。
與傳統液壓閥塊規則的長方塊狀結構相比，3D打印液壓閥帶給人的最直觀印象是其結構不再是規則的閥塊，而是一組具有不規則形狀的管道。設計3D打印液壓歧管時的關鍵步驟包括：提取流體路徑-優化流形-確定壁厚和支撐結構等。
基于3D打印技術重新設計液壓歧管價值體現在兩個方面，一方面是重量得到減輕，使用的制造材料相應減少。另一方面是提高設計自由度，優化內部流體通道的設計，減少流體效率的損失。增材制造的液壓歧管可應用在農業機械、賽車、航空、帆船等多種機械設備的液壓閥體中。
Prodrive開發的3D打印液壓歧管是與金屬3D打印系統供應商雷尼紹（Renishaw）以及 LandRover BAR 帆船隊合作制造的。3D打印液壓歧管引起了不少制造領域專業人士的興趣與討論，探討話題涉及到制造成本、設計優化、使用時的性能、如何提高生產效率等等。
例如有人關注3D打印液壓歧管的制造成本。對此，Prodrive表示，作為給專業比賽帆船開發的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打印技術非常重要的一個驅動力是，實現無法通過傳統加工技術實現的設計，實現液壓閥的減重及流道的優化。
有人關注3D打印液壓歧管承受的工作壓力與疲勞壽命，上屆美洲杯比賽時的工作壓力達350bar ，Prodrive根據此數據對3D打印液壓歧管樣件進行了驗證。
也有人建議通過鑄造工藝來制造這一液壓歧管，從而提高生產率。
3D打印多路閥砂型。來源：voxeljet-維捷
根據3D科學谷的市場觀察，采用3D打印與鑄造相結合的工藝來制造復雜液壓元件，也是液壓制造商正在探索的實現液壓元件設計優化與性能升級的方式。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合的方式快速制造液壓元件。在剛剛結束的TCT 亞洲展中，也可以看到國內工程機械研究機構通過voxeljet-維捷粘結劑噴射3D打印技術制造的液壓閥體鑄造砂型，這一鑄造用的砂型也是進行了面向增材制造的設計，其中具有無法通過傳統技術實現的復雜流體管道。
《3D打印與液壓白皮書2.0》。來源：3D科學谷
正如Prodrive 帆船3D打印液壓歧管應用中所關注的，推動增材制造應用的主要驅動力是該技術為液壓系統元件設計優化所帶來的附加價值。增材制造技術在實現液壓元件輕量化、提高流動效率、無模具、可快速迭代等方面具有優勢。
這一切看似簡單，但實踐過程并不容易。液壓制造商必須考慮流體、壓力所帶來的設計復雜性，考慮如何在系統內部定位歧管，內部支撐的放置位置等眾多因素。對于液壓制造商而言，應用增材制造技術的更大難處在于，如何制造根據“增材制造設計思維”開發液壓元件。
來源：3D科學谷
