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3D打印技術(shù)具有很高的設(shè)計自由度

發(fā)布時間：2022-09-04 14:13:20瀏覽：7110點贊：

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

，重新對客戶當前的液壓歧管進行了設(shè)計

。該項目的主要目標是在不影響組件結(jié)實性的前提下，盡量減輕其重量

。由于3D打印技術(shù)具有很高的設(shè)計自由度

，因此設(shè)計人員可以依托這一優(yōu)勢來提高流動通道的效率。

什么是液壓歧管?

液壓歧管用于引導(dǎo)液壓系統(tǒng)連接閥、泵和傳動機構(gòu)內(nèi)的液體流動

。它使得設(shè)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致重量和加工成本明顯增加

。

原始液壓歧管。對流動通道進行交叉鉆孔并插入堵塞頭

，以引導(dǎo)液體的流動路線

利用AM設(shè)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(xué) (CFD) 方法來輔助設(shè)計過程

? 降低對固定裝置的需求

? 精簡對可去除支撐構(gòu)造的需求

? 可顯著減輕重量

? 無需模塊取出通道

為客戶帶來的直接好處:

? 質(zhì)量減少高達79%

? 單件式構(gòu)造，缺陷更少

? 加快設(shè)計和開發(fā)迭代

? 與現(xiàn)有設(shè)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(shè)置殼厚。支撐構(gòu)造用于固定流動通道并連接固定位置

基于3D打印重新設(shè)計 — 設(shè)計范圍

3D打印技術(shù)允許更高的設(shè)計自由度

，因此可基于該技術(shù)的特點調(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功能。在重新設(shè)計組件的過程中

，客戶向雷尼紹提出了一些需要考慮的設(shè)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(shè)計工程師在基于AM的特點重新設(shè)計時也確認了這一設(shè)計范圍

，以便提高系統(tǒng)內(nèi)流動通道的效率

。

第一次設(shè)計迭代

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(計算機輔助設(shè)計)軟件將原始交叉鉆孔設(shè)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(luò)

。

然后，根據(jù)此案例中客戶提供的技術(shù)指標生成殼厚

，當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)來實現(xiàn)。

最后

，設(shè)計永久支撐構(gòu)造并將其添加到CAD幾何形狀中

，建造一個高效的自承式結(jié)構(gòu)。通常

，支撐結(jié)構(gòu)會在組件設(shè)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(dǎo)熱作用 — 但是

，將支撐構(gòu)造直接設(shè)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(shè)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%

。

提取的流動通道截面有明顯突兀的拐角

CFD分析示例突出顯示擾流區(qū)域

什么是CFD分析?

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

二次設(shè)計迭代

CFD分析后生成的流動通道截面;降低拐角突兀程度

，以優(yōu)化流動性

雖然從CAD模型上去除這些模塊取出通道會立即打亂復(fù)雜的自承式結(jié)構(gòu)

，但這正好為重新開發(fā)設(shè) 計提供了契機。相較于原來的實心塊

，第一次設(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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。

二次迭代幾何形狀

。去除模塊取出通道

，重新加工支撐構(gòu)造，增加其剛性和硬度

結(jié)果匯總

在雷尼紹

，很清楚:要通過3D打印 (AM) 工藝得到最好組件

，用戶需要了解針對3D打印的設(shè)計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，即使在用戶購買3D打印系統(tǒng) 后

，仍會提供針對工藝支持的培訓(xùn)和設(shè)計

。對于正在考慮將3D打印技術(shù)集成到生產(chǎn)過程的公司，全球解決方案中心為客戶開啟了合作之門

。

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