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不僅是減重! 職業(yè)賽事帆船3D打印液壓歧管背后的應用邏輯

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增材制造技術為液壓系統(tǒng)零部件制造帶來了設計優(yōu)化的空間。已經(jīng)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(tǒng)加工技術所能夠制造的液壓件，而是用于制造根據(jù)“增材制造設計思維”進行過設計優(yōu)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(chǎn)品進行了重新設計，從而促進產(chǎn)品性能升級。

比賽帆船3D打印液壓歧管。來源：Prodrive

與傳統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)液壓閥與增材制造液壓閥在設計上的明顯差異。

根據(jù)3D科學谷的市場研究，傳統(tǒng)液壓閥通過機械加工交叉鉆孔的方式來實現(xiàn)，在制造時首先要切割和加工坯料，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。

傳統(tǒng)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(tǒng)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(fā)揮作用之處。

與傳統(tǒng)液壓閥塊規(guī)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(guī)則的閥塊，而是一組具有不規(guī)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(yōu)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(xiàn)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(yōu)化內(nèi)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(nóng)業(yè)機械、賽車、航空、帆船等多種機械設備的液壓閥體中。

Prodrive開發(fā)的3D打印液壓歧管是與金屬3D打印系統(tǒng)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?qū)I(yè)人士的興趣與討論，探討話題涉及到制造成本、設計優(yōu)化、使用時的性能、如何提高生產(chǎn)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(yè)比賽帆船開發(fā)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(qū)動力是，實現(xiàn)無法通過傳統(tǒng)加工技術實現(xiàn)的設計，實現(xiàn)液壓閥的減重及流道的優(yōu)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(jù)此數(shù)據(jù)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(chǎn)率。

3D打印多路閥砂型。來源：voxeljet-維捷

根據(jù)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(xiàn)液壓元件設計優(yōu)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(nèi)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(tǒng)技術實現(xiàn)的復雜流體管道。