案例：基于增材制造技术重新设计液压歧管

魔猴君  行业资讯   1932天前

什么是液压歧管? 

液压歧管用于引导液压系统连接阀、泵和传动 机构内的液体流动。它使得设计工程师可以将对液压回路的控制集成在一个紧凑的单元内。液压歧管的传统制造方法传统上，要制造液压歧管，首先要切割和加工铝合金或不锈钢坯料，使其达到规定的尺寸， 之后进行钻孔以形成液体流动通道。由于要完成 复杂钻孔，因此通常会用到特殊工具。通道内还 需要一些堵塞头，以正确引导液体在系统内的流 动路线。 制造工艺固有的局限性会导致相邻流动通道 之间形成突兀的拐角，造成液体流动不畅和/或停 滞，这是效率损失的一个重要原因。铝合金歧管由于材料成本不高且易于加工， 通常造价较为低廉，但是其耐磨性较差，因此任 何掉落的颗粒都会刮擦通道表面并加剧磨损。鉴于此，使用不锈钢歧管有时更为理想。然而，由于不锈钢的比重和硬度比铝合金高，导致重量和加工成本明显增加。

利用AM设计和制造液压歧管的优点 

• 优化流动通道，实现更高效的组件功能 

• 能够充分利用计算流体力学 (CFD) 方法来辅助 设计过程 

• 降低对固定装置的需求 

• 精简对可去除支撑构造的需求 

• 可显著减轻重量 

• 无需模块取出通道 

• 由于具有充分的设计自由度，因此可设计出体积 大幅缩减的歧管 

为客户带来的直接好处: 

• 质量减少高达79% 

• 单件式构造，缺陷更少 

• 加快设计和开发迭代 

• 与现有设计完全兼容 

 • 流动效率提高60%

第一次迭代几何形状。将流动通道取出，进行优化并设置壳厚。 支撑构造用于固定流动通道并连接固定位置

基于3D打印重新设计 — 设计范围 

3D打印技术允许更高的设计自由度，因此可基于该技术的特点调整组件结构，从而在组件几何 空间不变的情况下减轻材料重量并改进功能。在重 新设计组件的过程中，客户向雷尼绍提出了一些需 要考虑的设计和功能要求: 

几何形状 

• 确定的连接端口 

• 流动通道的内径 

• 流动通道的壳厚 

• 固定位置和接口 

功能 

客户的主要诉求是减轻组件重量，同时保持硬 度和功能不变。雷尼绍设计工程师在基于AM的特 点重新设计时也确认了这一设计范围，以便提高系 统内流动通道的效率。 

第一次设计迭代 

第一步是将部件解构成可提供液压歧管功能的 必要通道。使用CAD(计算机辅助设计)软件将原 始交叉钻孔设计的流动通道提取出来，并去除流动 通道不需要的钻孔区域，只留下必要的管道网络。 

随后，减少和简化每个液压管路，以便使用 SOLIDWORKS Flow Simulation(流体力学仿真) 工具进行分段计算流体力学 (CFD) 分析。 接下来，通过CFD分析确定液体流动不畅和停 滞的区域后，对流动通道实施优化。 

然后，根据此案例中客户提供的技术指标生成 壳厚，当然也可以使用有限元分析 (FEA) 应力模 型，基于CFD分析期间采集的压力读数来实现。 

最后，设计永久支撑构造并将其添加到CAD几 何形状中，建造一个高效的自承式结构。通常，支撑结构会在组件设计的最后阶段被添加到最终几何 形状中，以便将部件固定到底板上并起到导热作用 — 但是，将支撑构造直接设计为组件的一部分，可 以减少之后添加需要去除的支撑而带来的潜在的材 料浪费。 

第一次设计迭代使歧管体积比原来减少了52%， 同时流动效率提高了60%。

什么是CFD分析? 

计算流体力学 (CFD) 分析基于液体和气体的相互作用为设计师提供系统流体的理论效率信息。 

二次设计迭代 

第一次迭代在雷尼绍建造并由客户作出评价; 客户主要对新几何形状的液压歧管的效果进行了评 估;原始歧管被设计为模块与串联安装的多个装置 一起使用。各液压歧管有时需要从该序列中取出 来进行修理;因此原始歧管需要带有螺纹的“模块 取出”通道。第一次迭代后，3D打印的几何形状可 以让工程师在不借助任何工具的情况下手动取出歧 管，因而无需设置模块取出通道。

虽然从CAD模型上去除这些模块取出通道会立 即打乱复杂的自承式结构，但这正好为重新开发设 计提供了契机。相较于原来的实心块，第一次设计迭 代大幅减小了体积，因此有人曾担心在后续机加工 期间迭代1可能会出现弯曲、扭转变形和/或振动的 情况。事实证明这种担心是多余的。而二次设计迭 代使得歧管的最终体积仅为原始歧管的21%，同时 进一步增强了歧管刚性。 

歧管体积的大幅减小为使用更适合的316L不锈 钢生产迭代2产品创造了条件。二次设计迭代后， 歧管净重减少了37%，即使使用比重较大(不锈钢 8g/cm3，铝合金<3g/cm3)的材料也可实现这一 规格。

来源：中国3D打印网