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作者：Valeria Tirelli (Aidro Srl – A Desktop Metal Company 總裁兼首席執(zhí)行官)
出處：Metal Additive Manufacturing 雜志 | 2024年冬季版 | 第137-143頁(yè)
Aidro公司首席執(zhí)行官Valeria Tirelli展示了一個(gè)通過激光束粉末床熔融(PBF-LB)增材制造的液壓組件（圖片由Aidro Srl提供）
《金屬增材制造如何改變現(xiàn)代液壓系統(tǒng)》
液壓系統(tǒng)在許多行業(yè)中都至關(guān)重要，它們?cè)诰o湊、高效的封裝中提供高功率密度。
液壓泵、氣缸和其他執(zhí)行器比發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)和機(jī)械執(zhí)行器能在更小的封裝中提供更大的功率。
液壓閥可以輕松控制方向、速度、扭矩和力量，其控制方式從完全手動(dòng)到由復(fù)雜電子系統(tǒng)管理的控制方式不等。
歷史上，制造這些液壓組件的生產(chǎn)技術(shù)未能跟上其應(yīng)用范圍的擴(kuò)展。
這時(shí)金屬增材制造登場(chǎng)了，這套工業(yè)制造工藝通過改進(jìn)液壓零件(如歧管、閥塊和閥門組件)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，為利用液壓技術(shù)的高功率密度創(chuàng)造了新的機(jī)會(huì)。
隨著增材制造在整個(gè)行業(yè)取得進(jìn)展，越來(lái)越多的液壓和流體動(dòng)力系統(tǒng)用戶已經(jīng)從使用重量和尺寸優(yōu)化的液壓組件中獲益，這些組件具有通過傳統(tǒng)制造方法難以或不可能生產(chǎn)的復(fù)雜特征。
隨著增材制造繼續(xù)在整個(gè)行業(yè)中取得進(jìn)展，越來(lái)越多的液壓組件用戶正在采用這項(xiàng)技術(shù)（圖片由Aidro Srl提供）
特別是在增材制造克服了與液壓組件使用的非常高壓相關(guān)的挑戰(zhàn)之后，這一點(diǎn)尤為明顯。
為何增材制造與眾不同
增材制造為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)液壓零件的傳統(tǒng)方法提供了不同的方法。
與從金屬塊開始不同，增材制造過程允許工程師和技術(shù)設(shè)計(jì)師根據(jù)應(yīng)用程序的特定需求設(shè)計(jì)液壓零件，而不是受到過去制造工藝的限制。
擺脫了傳統(tǒng)機(jī)械加工的限制，零件可以設(shè)計(jì)為制造和性能的最有效組合，包括優(yōu)化內(nèi)部通道以提高流量和降低壓力損失。
還可以在幾小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)多種不同的原型，以在進(jìn)入批量生產(chǎn)之前確定最佳設(shè)計(jì)，無(wú)論是通過傳統(tǒng)方法還是增材制造方法。
這些組件可以由各種材料制成：包括不銹鋼、鋁和高溫合金，其性能與鍛造材料相比具有優(yōu)勢(shì)。
事實(shí)上，許多增材制造處理的材料具有比鑄造等效材料更好的機(jī)械性能和密度。
雖然液壓組件可以通過傳統(tǒng)制造或增材制造生產(chǎn)，但傳統(tǒng)制造必然存在缺點(diǎn)。作為一種減法工藝，通常通過CNC機(jī)械加工從較大的工件(通常是金屬鑄件或棒材)中去除材料，留下所需的形狀。多余的材料往往留在原處以節(jié)省移除的費(fèi)用，導(dǎo)致零件的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過必要的重量。
機(jī)械加工在生產(chǎn)某些設(shè)計(jì)方面也受到限制。
傳統(tǒng)歧管中的通道往往必須放置在特定位置以防止交叉鉆孔通道相交，并在通道之間留出足夠的材料以提供足夠的強(qiáng)度。
此外，連接內(nèi)部通道的輔助孔需要堵塞，這就創(chuàng)造了未來(lái)泄漏的可能性。
另一方面，增材制造則是逐層構(gòu)建所需的零件。通過這項(xiàng)技術(shù)，流動(dòng)通道可以放置在精確所需的位置—并為尺寸和形狀進(jìn)行優(yōu)化。
直到現(xiàn)在，流動(dòng)通道，特別是諸如閥門等部件中的流動(dòng)通道，通常是圓形的，因?yàn)樗鼈兪怯眯D(zhuǎn)切刀機(jī)械加工的。通過分層構(gòu)建組件，設(shè)計(jì)師可以指定使用減材制造方法難以或不可能實(shí)現(xiàn)的配置。
歧管流道現(xiàn)在可以使用截面和特殊形狀制造，而不是圓孔，優(yōu)化相同(或更小)寬度通道中的流量能力，有時(shí)在更小的空間內(nèi)。
由于連接內(nèi)部通道的通道不必從歧管外部進(jìn)行機(jī)械加工，因此消除了對(duì)孔塞的需求。
雖然有各種各樣的增材制造工藝，但本文重點(diǎn)關(guān)注激光束粉末床熔融(PBF-LB)，其中金屬粉末使用激光逐層熔化。
用于液壓組件的其他工藝包括粘合劑噴射(BJT)，其中粉末顆粒在燒結(jié)前由粘合劑連接在一起。
在這兩種情況下，材料僅在必要的地方添加。這使制造商能夠創(chuàng)建具有不同幾何形狀和減少零件數(shù)量的新型輕量級(jí)設(shè)計(jì)。
與其組裝三四個(gè)組件(例如閥門和歧管)，可以設(shè)計(jì)一個(gè)包含這些組件的單一零件。這實(shí)現(xiàn)了重量減輕，消除了裝配操作，減少了多個(gè)零件連接泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，并減少了機(jī)械加工時(shí)間。
在設(shè)計(jì)階段可以為增材制造的組件增加顯著價(jià)值（圖片由Aidro Srl提供）
在生產(chǎn)和使用中提供可持續(xù)性
在許多情況下，增材制造帶來(lái)顯著的可持續(xù)性益處。增材制造工藝比CNC機(jī)械加工等減材工藝需要的材料少得多，后者必須以比最終組件所需更多的材料開始。
與鍛造或鑄造相比，增材制造的能源消耗減少也已得到證明。
通過使用增材制造創(chuàng)建輕量級(jí)零件也有利于終端用戶行業(yè)的可持續(xù)性目標(biāo)。
安裝輕量級(jí)零件的車輛或移動(dòng)機(jī)械可以提高燃油效率，因?yàn)槭褂幂p量級(jí)組件減輕了整體車輛重量，從而減少燃料使用。
這在航空航天應(yīng)用中特別有用，在這些應(yīng)用中，每減輕組件一克不僅意味著降低環(huán)境影響，而且還帶來(lái)顯著的成本節(jié)約。
案例研究：UGO歧管
農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)的一個(gè)有趣例子是圖4所示的液壓歧管。
UGO液壓歧管圖片，用于聯(lián)合收割機(jī)（圖片由Aidro Srl提供）
由Aidro設(shè)計(jì)的UGO是一個(gè)通過增材制造的歧管的絕佳例子，它展示了該技術(shù)對(duì)流體動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。
UGO歧管是聯(lián)合收割機(jī)通過其控制的系統(tǒng)。它操作液壓缸和電機(jī)，傳統(tǒng)上由以下部分組成：
六個(gè)方向控制閥
四個(gè)減壓閥
一個(gè)壓力釋放閥
一個(gè)旁路
兩個(gè)先導(dǎo)控制單向閥
增材制造的歧管執(zhí)行與其替代的原始裝置完全相同的功能，但其尺寸和重量減半。
雖然傳統(tǒng)歧管由多種材料制成(基座用鋁，閥門用鑄鐵和鋼)，但新設(shè)計(jì)完全由316L不銹鋼制成。這種材料結(jié)合了優(yōu)異的強(qiáng)度、高延展性和良好的熱性能，加上其對(duì)腐蝕和點(diǎn)蝕的高抗性(包括對(duì)化學(xué)腐蝕)，使其特別適合于農(nóng)業(yè)應(yīng)用中使用的機(jī)器。
316L還能更好地耐受這個(gè)行業(yè)中使用的大氣因素和化學(xué)產(chǎn)品。
對(duì)增材制造的316L進(jìn)行的壓力測(cè)試也表明，其機(jī)械性能如抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性和硬度與傳統(tǒng)材料一樣好，甚至更好。
比較傳統(tǒng)制造與增材制造組裝的歧管：
特性
原始歧管
增材制造歧管
重量
23.3 kg
11.3 kg
兩者重量都包括閥門
組件數(shù)量
194
42
減輕的重量主要?dú)w因于移除螺絲、墊圈、蓋子
材料
歧管用鋁，閥門用鑄鐵/鋼
3 16L不銹鋼
工作壓力
250 bar
250 bar
應(yīng)用所需的是250 bar，盡管增材制造歧管可以承受更高的壓力而不會(huì)出現(xiàn)問題；然而，閥門的壓力等級(jí)最高為350 bar
如前所述，采用增材制造的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠?qū)⒍鄠€(gè)零件組合成一個(gè)，減少裝配時(shí)間并簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈。
在UGO歧管的案例中，原始設(shè)計(jì)由194個(gè)零件組成；
包括十三個(gè)主要塊體，十二個(gè)閥體塊，一個(gè)基礎(chǔ)歧管，以及眾多小組件，如閥芯、O形環(huán)、螺絲、墊圈和蓋子。
增材制造版本的歧管僅由四十二個(gè)零件組成，包括一個(gè)中央塊。
UGO歧管細(xì)節(jié)視圖（圖片由Aidro Srl提供）
增材制造的歧管（上圖）與原始單元相比執(zhí)行完全相同的功能（下圖），但尺寸和重量減半（圖片由Aidro Srl提供）
性能
UGO歧管的運(yùn)行性能超過了原始零件，因?yàn)閮?nèi)部通道的曲線形狀意味著在交叉處沒有90°角。
此外，如上所述，連接兩個(gè)或多個(gè)內(nèi)部通道的通道不必從歧管外部進(jìn)行機(jī)械加工，隨后堵塞以防止流體流出。
事實(shí)上，在傳統(tǒng)的液壓制造中，歧管交叉處是通過在塊的一側(cè)鉆一個(gè)孔，在另一側(cè)鉆另一個(gè)孔而創(chuàng)建的，這是機(jī)床限制的結(jié)果。
擺脫了這些限制，工程師可以根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的原理設(shè)計(jì)組件。
UGO歧管在運(yùn)行條件下進(jìn)行測(cè)試（圖片由Aidro Srl提供）
增材制造優(yōu)化的曲線通道能力使流動(dòng)動(dòng)力學(xué)更好，減少壓力損失。這與通過消除輔助蓋和塞子減少泄漏風(fēng)險(xiǎn)相結(jié)合，提供了雙重優(yōu)勢(shì)：
性能得到優(yōu)化，環(huán)境損害的風(fēng)險(xiǎn)受到限制。
此外，增材制造所實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)自由允許工程師以各種形狀和尺寸將流動(dòng)通道精確放置在所需的位置。
原始歧管（上圖）由194個(gè)零件組成，包括十三個(gè)主要塊體，十二個(gè)閥體塊，一個(gè)基礎(chǔ)歧管，以及眾多小組件，如閥芯、O形環(huán)、螺絲、墊圈和蓋子。
增材制造歧管（下圖）僅由四十二個(gè)零件組成，包括一個(gè)中央塊，并且由于優(yōu)化的通道設(shè)計(jì)，性能大大提高（圖片由Aidro Srl提供）
這意味著流動(dòng)通道可以比傳統(tǒng)歧管更緊密地放置在一起，使成品更緊湊、更輕。在這個(gè)例子中，增材制造的UGO歧管比原始組件小50%。
當(dāng)零件用于相對(duì)空間有限的液壓系統(tǒng)的移動(dòng)應(yīng)用時(shí)，增材制造實(shí)現(xiàn)的組件尺寸更小尤其有價(jià)值。
UGO歧管的形狀已適應(yīng)可用空間，連接定制到外部管道到達(dá)的確切位置。這意味著歧管在生產(chǎn)后不需要修改，因?yàn)樗菫槠洫?dú)特應(yīng)用精確設(shè)計(jì)的。
結(jié)論
增材制造代表了液壓組件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的變革性轉(zhuǎn)變。通過將工程師從傳統(tǒng)制造的限制中解放出來(lái)，增材制造使創(chuàng)建更輕、更高效的零件成為可能，這些零件具有優(yōu)化的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)和增強(qiáng)的性能。
UGO歧管的案例展示了增材制造如何能大幅減少組件尺寸和重量，簡(jiǎn)化裝配，并通過消除容易失效的特征(如輔助塞)來(lái)提高可靠性。
除了性能之外，增材制造的可持續(xù)性益處，包括減少材料使用和能源消耗，與日益強(qiáng)調(diào)的環(huán)保生產(chǎn)相一致。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，它將在流體動(dòng)力行業(yè)中發(fā)揮越來(lái)越關(guān)鍵的作用，推動(dòng)創(chuàng)新，同時(shí)滿足現(xiàn)代應(yīng)用的各種需求。
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