案例 | 基于增材制造技術重新設計液壓歧管

由于增材制造 (AM) 技術能夠構建內(nèi)部特征和 通道，因此非常適合用于設計和制造歧管。雷尼紹與客戶攜手合作，以增材制造技術為導向，重新對客戶當前的液壓歧管進行了設計。該項目的主要目標是在不影響組件堅固性的前提下，盡量減輕其重量。由于增材制造技術具有很高的設計自由度，因此設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 于不銹鋼的密度和硬度比鋁合金高，導致重量和 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 導液體的流動路線

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
• 降低對夾具的需求
• 精簡對可去除支撐結(jié)構的需求
• 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%

首次迭代幾何形狀。將流動通道取出，進行優(yōu)化并設置壁厚。 支撐結(jié)構用于固定流動通道并連接固定位置

基于增材制造重新設計 — 設計范圍
增材制造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(jié)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
• 流動通道的壁厚
• 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。

首次設計迭代
第一步是將零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，并移除流動 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 壁厚，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，設計永久支撐結(jié)構并將其添加到CAD幾 何形狀中，創(chuàng)建一個高效的自承式結(jié)構。通常，支 撐結(jié)構會在組件設計的最后階段被添加到最終幾何 形狀中，以便將零件固定到底板上并起到導熱作用 — 但是，將支撐結(jié)構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。

首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%。

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 (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
首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 來進行維修;因此原始歧管需要帶有螺紋的“模塊 取出”通道。首次迭代后，增材制造的幾何形狀可 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。

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模型上移除這些模塊取出通道會立 即打亂復雜的自承式結(jié)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，首次設計迭 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(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%，即使使用密度較大(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。移除模塊取出通道，重新加工支撐結(jié)構， 增加其剛性和硬度

結(jié)果匯總

在雷尼紹，很清楚:要通過增材制造 (AM) 工藝獲得最佳組件，用戶需要了解針對增材制造的 設計比切削式加工和鑄造等傳統(tǒng)制造技術具有更 高的自由度。因此，即使在用戶購買增材制造系統(tǒng) 后，仍會提供針對工藝支持的培訓和設計。對于正在考慮將增材制造技術集成到生產(chǎn)過程的公司，全球解決方案中心為客戶開啟了合作之門。