Hoe 3D-Printen Hydraulische Componenten Ontwerp en Prestaties Revolusioneren

[Afbeeldingscredit: Renishaw]
 
De vraag naar nieuwe benaderingen in hydraulische componenten ontwerp en productie is aan het stijgen. Één technologie die fabrikanten in staat stelt om nieuwe kansen in hydraulische productie te verkennen is 3D-printen.
 
Van Liebherr en Ford tot Bosch Rexroth, bedrijven keren zich tot 3D-printen om meer energie-efficiënte, lichtere en goedkopere hydraulische componenten te creëren.
 
Vandaag duikt de Application Spotlight in de voordelen van 3D-printen voor hydraulische systemen en componenten, terwijl de meest spannende voorbeelden van de technologie in actie worden verkend.
 
Bekijk de andere toepassingen in deze serie:
 
3D-Printen voor Warmtewisselaars
 
3D-Printen voor Lagers
 
3D-Printen voor Fietsproductie
 
3D-Printen voor Digitale Tandheelkunde & Clear Aligner Productie
 
3D-Printen voor Medische Implantaten
 
3D-Gepinte Raketten en de Toekomst van Ruimtevaartproductie
 
3D-Printen voor Schoenenproductie
 
3D-Printen voor Electronische Componenten
 
3D-Printen in de Spoorwegindustrie
 
3D-Gepinte Brillen
 
3D-Printen voor Einddeelproductie
 
3D-printen voor Beugels
 
3D-Printen voor Turbinedelen
 
Hoe 3D-Printen Innovatie in de Kernenergie-industrie Ondersteunt
 

Waarom 3D-printen gebruiken voor hydraulische componenten?

 
Hydraulica is een van de meest efficiënte manieren om beweging te creëren bij zware lasten, of wanneer herhalende beweging nodig is.
 
Hydraulische systemen gebruiken pompen om een vloeistof onder druk te zetten, en de beweging ervan wordt dan gebruikt om alles aan te drijven, van kraan tot auto's.
 
Hydraulica is om ons heen in het dagelijks leven. Het wordt gebruikt in voertuigen, bouwmachines, gebouwen en productiefaciliteiten.
 
Hydraulische componenten worden traditioneel geproduceerd door bewerken of gieten. Echter, veel hydraulische apparatenfabrikanten worden geïnteresseerd in het produceren van hydraulische componenten, zoals manifolds, servokleppen en hydraulische adapterblokken, met 3D-printen. Maar wat brengt hen ertoe de technologie te overwegen?
 
Volgens Steffen Haack, hoofd van de Industrial Hydraulics Business Unit bij Bosch Rexroth AG, zijn er veel trends die de hydraulica-industrie vormgeven, waaronder:

• Energie-efficiëntie (verminderde stromingskrachten, verminderde drukkeverlies, hogere efficiëntie)
• Geluidvermindering
• Verminderde tankvolumes
• Hogere drukniveaus en verminderde installatieruimte
• Verbeterde materiaal- en olie-eigenschappen
• Hogere beschikbaarheid en voorspellend onderhoud
• Gebruiksvriendelijkheid
• Veiligheid

3D-printen, met name met metalen en zand, speelt een belangrijke rol in het drijven van een aantal van deze trends, zoals verhoogde energie-efficiëntie en kleinere installatieruimte.
 
Hoe? Door geavanceerde ontwerpen mogelijk te maken die het mogelijk maken om nieuwe functies te integreren, componenten gewicht en afmetingen te verminderen en de algehele hydraulische systeemprestaties te verbeteren.
 
Laten we dieper duiken in de voordelen van 3D-printen voor hydraulica.
 

Vermindering van Gewicht en Afmetingen van Hydraulische Componenten

3D-printen stelt hydraulische componentenfabrikanten in staat om onderdelen lichter en kleiner te maken.
 
Neem een hydraulische manifold als voorbeeld. Dit onderdeel, dat helpt de vloeistofstroom te regelen tussen de componenten van een hydraulisch systeem, wordt meestal bewerkt uit een massief metaalblok.
 
Meer overbodig metaal weghalen dan nodig is duur, en vaak wordt het overbodige metaal niet wegbewerkt, wat resulteert in een onderdeel dat zwaarder is dan het potentieel zou kunnen zijn.
 
3D-printen helpt dit probleem te overwinnen, omdat het bijna hetzelfde hoeveelheid materiaal vereist dat nodig is om een manifold te produceren.
 
In een metaal 3D-printproces, zoals Selective Laser Sintering, traceert een laser een micron-dunne dwarsdoorsnede van een onderdeel, selectief smeltend en smeltend een metaalpoeder laag voor laag. Dit stelt ingenieurs in staat om de hoeveelheid materiaal die in het onderdeel gaat te controleren, minder metaal gebruikend dan CNC-bewerking zou vereisen.
 
Naast het verminderen van componentengewicht, maakt 3D-printen ook compactere onderdelen mogelijk die beter passen in ontwerp-beperkte ruimtes. Dit voordeel maakt 3D-geprinte hydraulische componenten met name begeerd in toepassingen die hoge precisie en licht gewicht vereisen.
 
Spotlight: Aidro's 3D-geprinte manifold

 
Een voorbeeld van een 3D-geprinte hydraulische component komt van de Italiaanse fabrikant, Aidro.
 
Aidro's hydraulische manifold, gebruikt in landbouwmachines, is herontworpen om gewicht en ruimte te besparen in het systeem waarin het gebruikt wordt. De 3D-geprinte aluminium manifold voert dezelfde functies uit als de unit die het vervangt, maar is half zo groot en 75 procent lichter dan de vorige manifold.
 
Onderdelenconsolidatie

3D-printen stelt ook componenten in staat om kleiner gemaakt te worden, door meerdere onderdelen in één te integreren – een aanpak bekend als onderdelenconsolidatie.
 
Dit stelt fabrikanten in staat om complexe samenstellingen van componenten te elimineren, evenals de structurele integriteit van een onderdeel te verbeteren, aangezien er minder zwakke verbindingspunten zijn die lekkage kunnen veroorzaken.
 

Efficiëntie Optimaliseren

3D-printen maakt het mogelijk om de interne geometrieën van een hydraulisch onderdeel te herontwerpen om vloeistofstroom te optimaliseren en drukkeverlies te verminderen.
 
Neem manifolds als voorbeeld, ingenieurs kunnen vloeistofstroomkanalen binnen een manifold precies positioneren waar ze nodig zijn en in diverse vormen en afmetingen. Dit betekent dat stroomkanalen gekromde vormen kunnen hebben en dichter bij elkaar geplaatst kunnen worden dan met conventionele manifolds, wat het eindproduct compacter en lichter maakt.
 
Gekromde stroompaden kunnen de stromefficiëntie naar verluidt met 30 tot 70 procent verbeteren.

 
Het herontwerpen van de vorm van de dwarsdoorsnede van stroomkanalen kan ook een verschil maken. Bijvoorbeeld, stroompaden in klepzuigers hebben doorgaans een ronde vorm, omdat ze bewerkt worden met rotterende snijgereedschappen.
 
3D-printen stelt ingenieurs in staat om dwarsdoorsnedes van stroompaden vierkant te ontwerpen in plaats van rond, wat de stroomcapaciteit met maximaal 20 procent kan verhogen en drukkeverlies kan verminderen.
 
Bovendien vereisen traditionele hydraulische componenten, zoals manifolds, vaak bewerking van gekruiste geboorde passages die vervolgens geplugd moeten worden om olielekkage te voorkomen. Deze geplugde kanalen creëren echter potentiële lekkagepaden die een systeemstoring kunnen veroorzaken. 3D-printen elimineert dit probleem, door de noodzaak om gekruiste geboorde passages te creëren in de eerste plaats te verwijderen.
 

Meer Voorbeelden van 3D-Gepinte Hydraulische Componenten

3D-printen van een hydraulisch adapterblok

 
GKN Additive heeft een hydraulisch adapterblok 3D-geprint, wat een manifold is dat de stroom van vloeistof in een hydraulisch systeem regelt, koppelingen, pompen en actuatoren linkend.
 
Traditioneel gebruikte hydraulische blokken neigen ertoe een blokkachtig ontwerp te hebben met een set interne kanalen die erin geboord zijn. Het productieproces van hydraulische blokken begint met het boren van gaten van boven en onder.
 
De verticale gaten worden vervolgens verbonden door horizontale kanalen, en de draadgesneden worden erin gesneden. Om olielekkage van de open horizontale kanalen te voorkomen, worden ze geplugd met zeskantbouten en afgedicht.
 
Dit proces is echter zeer inefficiënt om diverse redenen. Ten eerste creëren de geboorde en gefreeste scherpe graten die moeilijk te bereiken zijn in nabewerking. Deze kunnen tijdens de werking afbreken en een systeemstoring veroorzaken.
 
Ten tweede genereren de scherpe hoekverbindingen turbulente stroom, wat resulteert in energie-inefficiënties. Derden, ongebruikte horizontale kanalen kunnen vuil accumuleren, wat de operationele levensduur van het hydraulische systeem verlaagt.
 
3D-printen hielp GKN Additive de bovenstaande uitdagingen te overwinnen om een betere presterende hydraulische blok te creëren.
 
Het gewicht van het hydraulische blok werd verminderd van 30 kg naar 5,5 kg, zonder functionaliteit in te boeten. Met een nieuw ontwerp was het mogelijk om overbodig materiaal te elimineren en te zorgen dat er geen booroverlappen binnen het onderdeel waren.
 
Bovendien laat het nieuwe ontwerp de ongebruikte horizontale kanalen volledig achterwege, dus vuil heeft nergens te accumuleren. Ten slotte, om de turbulente stroom in het systeem te verminderen, vervangen ingenieurs scherpe interne hoeken door gladde pipelines.
 
Samenvattend de voordelen van 3D-printen voor deze toepassing, maakte 3D-printen het mogelijk voor de fabrikant om de functionaliteit van het component te verbeteren, terwijl minder materiaal gebruikt werd. Dit vertaalde zich in lager gewicht van het onderdeel en verminderde productiekosten.
 

Liebherr's 3D-Gepinte Hydraulische Klepblok

 
Een ander goed voorbeeld van 3D-printen voor hydraulica komt van de Liebherr Groep. Met behulp van 3D-printen kon het bedrijf een hoogdruk hydraulische klepblok, gebruikt in vliegtuigen, herontwerpen om het lichter en efficiënter te maken.
 
Het Liebherr-team integreerde 10 functionele elementen in het nieuwe klepblok, wat het complexe systeem van leidingwerk met veel dwarsboringen elimineerde. Het resultaat is een 35 procent lichter klepblok, gemaakt van minder onderdelen.
 
Het 3D-geprinte onderdeel is met succes getest in een testvlucht van het A380 vliegtuig.
 

Domin Fluid Power herontwerpt zijn vloeistofstroomsystemen met 3D-printen

 
Het VK-gebaseerde hydraulische systemenfabrikant, Domin, heeft zich gewend tot 3D-printen om zijn hoogpresterende direct-aangedreven servokleppen te herontwikkelen, gebruikt voor het transformeren van signalen in druk.
 
Domin stelt dat 3D-printen het de mogelijkheid geeft om complexe onderdelen te bouwen, sneller en vrij van hulpmiddelen. Bijvoorbeeld, het bedrijf heeft een van zijn aandrijvingen ontworpen die 25 procent van de oorspronkelijke grootte is en 25 procent krachtiger. Het onderdeel werd geproduceerd voor een derde van de kosten, en de productietijd is verminderd van 5,5 uur tot slechts 1 uur.
 
Zulke resultaten zouden onmogelijk te bereiken zijn met conventionele methoden, claimt Domin.
 

Ford 3D-print een inlaatmanifold

Terwijl we voorbeelden hebben gezien van hydraulische componenten 3D-geprint voor zware apparatuur en vliegtuigen, is Ford pionier in 3D-printen voor automobilistische hydraulische systemen.
 
Vorig jaar toonde de automaker wat het claimt de grootste 3D-geprinte metalen inlaatmanifold ooit die in een werkend voertuig geplaatst werd.
 
Dat voertuig is Ken Block’s 'Hoonitruck' Ford pickup.

 
Het voertuig vereiste een speciale inlaatmanifold om de motorcylinders te voorzien van lucht van de turbocompressoren, en Ford besloot zich te wenden tot metaal 3D-printen.
 
Het onderdeel is 3D-geprint uit aluminium, met een Concept Laser machine, en duurde 5 dagen om te bouwen. Door gebruik te maken van high-end CAD-software, was het mogelijk om een complex web-achtige structuur te creëren die niet gemaakt kon worden met traditionele productiemethoden. Het ontwerp is geoptimaliseerd voor betere prestaties en lager gewicht – het eindonderdeel weegt slechts 6 kg.
 

Bosch Rexroth gebruikt zand 3D-printen voor manifolds

 
Naast metaal 3D-printen, is er ook de optie om een zandkern te 3D-printen die vervolgens gebruikt kan worden om een hydraulisch component te gieten. Het proces dat hiervoor gebruikt wordt, heet binder jetting, en werkt door selectief een bindmiddel af te zetten op een laag silicazand.
 
Bosch Rexroth gebruikt al enkele jaren zand 3D-printen voor het produceren van gietkernen voor besturingsblokken.
 
Onder de belangrijkste voordelen van dit doen, noemt Bosch Rexroth de mogelijkheid om machinecomponenten te integreren, zoals filters in de manifold, en gewichtsreductie tot 30 procent.
 
Aanvullende voordelen omvatten de geëlimineerde noodzaak voor hulpgaten die lekkages kunnen veroorzaken en optimalisatie van interne stroomkanalen die de energie-efficiëntie verbeteren.
 

Hydraulische Componenten Herimagineren met 3D-printen

Naarmate de hydraulica-industrie streeft naar meer energie-efficiënte en kleinere hydraulische componenten, biedt 3D-printen een optie voor het ontwikkelen en produceren van beter presterende ontwerpen.
 
Gezien de voordelen in levertijd, gewichtsbesparing en de kosten en prestaties die 3D-printen mogelijk maakt, beginnen veel hydraulische componentenfabrikanten deze technologie te verkennen voor hun producten.
 
Gaandeweg verwachten we dat de rol van 3D-printen in het produceren van hydraulische componenten zal toenemen, wat bedrijven in de hydraulica-industrie helpt om bij te blijven met huidige en toekomstige trends.