正在發(fā)生的趨勢(shì)，通過(guò)金屬3D打印制造更好的液壓零件

液壓系統(tǒng)可以作為動(dòng)力傳動(dòng)方式，也可用作控制方式，在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，例如機(jī)床、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車、飛機(jī)等機(jī)械，水利工程用的堤壩裝置，發(fā)電廠發(fā)電廠渦輪機(jī)調(diào)速裝置，以及軍事工業(yè)中火炮操縱裝置等領(lǐng)域都會(huì)應(yīng)用到液壓系統(tǒng)。

市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Infinium Global Research預(yù)測(cè)從2017到2023，3D打印市場(chǎng)將保持33%左右的年復(fù)合增長(zhǎng)率，而在業(yè)界人士看來(lái)，液壓零件的3D打印將成為一個(gè)不可忽視的3D打印應(yīng)用增長(zhǎng)領(lǐng)域。

3D打印技術(shù)已成為多家液壓系統(tǒng)制造商制造復(fù)雜液壓零部件的選擇，例如，工程和制造公司穆格MOOG，在金屬3D打印液壓零件領(lǐng)域的有著超過(guò)16年的探索經(jīng)驗(yàn)，2017年另一家液壓傳動(dòng)和控制領(lǐng)域的著名制造商派克漢尼汾（Parker Hannifin）在總部附近開設(shè)了“先進(jìn)制造學(xué)習(xí)和開發(fā)中心”，工程師可以在該中心探索增材制造/3D打印的應(yīng)用。2017年，雷尼紹還幫助路虎BAR帆船通過(guò)金屬3D打印的液壓系統(tǒng)零件提升性能，加工出內(nèi)含光滑圓角的零件，大大提高流體傳輸?shù)男�率�?br />

可以說(shuō)金屬3D打印在液壓領(lǐng)域的應(yīng)用正在像其在隨形冷卻模具領(lǐng)域的應(yīng)用一樣不斷的深化。

3D打印液壓件積極的探索者
如果選擇金屬3D打印技術(shù)來(lái)制造液壓閥塊，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需考慮交叉鉆孔的設(shè)計(jì)約束，并且可以將鋒利的角換成圓形彎曲的設(shè)計(jì)從而減少湍流現(xiàn)象。這種通過(guò)傳統(tǒng)液壓閥塊制造技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)金屬3D打印是可以實(shí)現(xiàn)的，Aidro hydraulics 公司也正是通過(guò)3D打印技術(shù)獲得了更高的設(shè)計(jì)自由度。

Aidro Hydraulic公司1982年成立，成立以來(lái)一直專注于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)液壓系統(tǒng)中的零部件，所推出的液壓閥體產(chǎn)品包括方向閥、止回閥、流量閥、壓力閥和比例閥。2017年，Aidro Hydraulic 在35年液壓零部件傳統(tǒng)制造經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上正式推出了金屬3D打印的液壓產(chǎn)品，其中包括3D打印的液壓閥體。

完整的液壓系統(tǒng)包括動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和工作介質(zhì)�？刂圃�件（即各種液壓閥）在液壓系統(tǒng)中起到控制和調(diào)節(jié)液體的壓力、流量和方向的作用。Aidro hydraulics成功開發(fā)的首個(gè)3D打印液壓閥塊，制造材料是不銹鋼，作用是控制單作用氣缸。Aidro hydraulics 在設(shè)計(jì)3D打印閥塊時(shí)進(jìn)行了創(chuàng)新，液壓閥塊的內(nèi)部管道經(jīng)過(guò)了設(shè)計(jì)優(yōu)化，使內(nèi)部管路中的液流得到改善，整個(gè)閥塊的體積也比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的閥塊更小了，潛在的液體泄漏問(wèn)題也得以避免。在商業(yè)化方面，Aidro hydraulics 使用金屬3D打印技術(shù)為一些有特殊需求的客戶定制化生產(chǎn)小批量的液壓閥塊，作為其現(xiàn)有液壓零部件生產(chǎn)能力的一種補(bǔ)充。目前，不銹鋼（從AISI 304 到 316L）、鋁、鈦，以及部分新材料的閥塊都能夠通過(guò)3D打印設(shè)備進(jìn)行小批量生產(chǎn)。

圖片：機(jī)加工生產(chǎn)的閥體（左），具備更好性能的3D打印生產(chǎn)的閥體（右）

國(guó)際上，另外一家公司，Domin Fluid Power也是3D打印液壓領(lǐng)域的積極探索者。Domin Fluid Power制定了新的流體動(dòng)力產(chǎn)品“穩(wěn)定”設(shè)計(jì)的戰(zhàn)略，這個(gè)戰(zhàn)略建立在以金屬3D打印技術(shù)作為制造方式的基礎(chǔ)上。在此基礎(chǔ)上，Domin公司對(duì)一些多年來(lái)都沒(méi)有什么明顯改變的液壓流體動(dòng)力零部件進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)與制造，包括直接驅(qū)動(dòng)伺服液壓閥。

Domin Fluid Power重新設(shè)計(jì)與制造的3D打印直接驅(qū)動(dòng)伺服液壓閥，經(jīng)歷了上千小時(shí)的設(shè)計(jì)、分析、測(cè)試和評(píng)估。Domin Fluid Power表示重新設(shè)計(jì)的3D打印閥體在重量、體積上都得以降低，由于液壓閥體壓力損失的減少，閥體效率也得以提升。

機(jī)加工、檢測(cè)技術(shù)一個(gè)都不能少
不過(guò)金屬3D打印在液壓零件方面的應(yīng)用還需要與機(jī)加工以及熱處理等后處理工藝相結(jié)合才能真正達(dá)到零件的性能要求。賓夕法尼亞大學(xué)的Timothy Simpson教授曾制造了一個(gè)帶復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的液壓零件，這個(gè)零件是用Inconel 718合金制造而成的，在3D打印完成后，多軸CNC加工中心為精加工關(guān)鍵特性提供了高度的精度，這個(gè)特殊零件需要精確的外徑，以確保跟其他零件能成功安裝在一起， 為了正常運(yùn)轉(zhuǎn)，表面光潔度也是另外一個(gè)重要的關(guān)鍵質(zhì)量要求。圓柱體的頂面和底面存在臨界平面度和平行度的精度要求，這都需要通過(guò)機(jī)加工來(lái)實(shí)現(xiàn)。 最后，流體端口必須承受10,000psi的壓力，這需要進(jìn)行精密的螺紋磨削操作。

先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)也同樣不可或缺，拿賓夕法尼亞大學(xué)的Timothy Simpson教授所完成的這個(gè)液壓零件來(lái)說(shuō)，為了確保內(nèi)部結(jié)構(gòu)的正確性，賓夕法尼亞大學(xué)和Imperial機(jī)床工具公司通過(guò)計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)和其他先進(jìn)的設(shè)備來(lái)完成零件內(nèi)部的檢測(cè)。最后獲得的零件比原來(lái)的設(shè)計(jì)減輕重量超過(guò)40％，同時(shí)提高了流體流動(dòng)性能。

此外，很多液壓零件需要鍛造件的致密度，雖然熱處理可能會(huì)帶來(lái)一定的幾何變形，但是熱處理對(duì)于獲得更加致密的液壓零件是不可或缺的，3D科學(xué)谷認(rèn)為如何將3D打印技術(shù)與熱處理技術(shù)結(jié)合起來(lái)，這對(duì)于液壓零件的制造非常重要。

目標(biāo)：量產(chǎn)
在3D打印液壓零件實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究空客可謂是個(gè)野心勃勃的實(shí)踐家，2017年3月30日，空客裝載了首個(gè)3D打印液壓件的A380飛機(jī)已試飛成功，這讓空客看到了通過(guò)3D打印提高液壓零件性能的機(jī)會(huì)。不過(guò)這個(gè)零件的制造過(guò)程是充滿探索與曲折的，擾流板液壓件是一個(gè)關(guān)系到飛機(jī)安全的關(guān)鍵部件，它的作用是控制空氣斷路或者擾流板。

在七年的研發(fā)過(guò)程中，這個(gè)項(xiàng)目組一直針對(duì)金屬3D打印這一增材制造技術(shù)而進(jìn)行擾流板液壓件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。3D打印的材料是Ti64鈦合金，3D打印液壓件的明顯優(yōu)勢(shì)是輕量化，其重量相比原來(lái)液壓件減輕35%。在性能方面，3D打印的液壓件使液壓系統(tǒng)的效率得以優(yōu)化，產(chǎn)生更少的熱量，降低噪音，同時(shí)對(duì)液壓動(dòng)力的要求更少。而液壓系統(tǒng)效率的提升，將為飛行帶來(lái)附加效益，例如減少空氣阻力以及優(yōu)化飛機(jī)的燃油效率。

3D打印液壓件的研發(fā)和測(cè)試過(guò)程是漫長(zhǎng)的，通常為了保證飛行安全，即使是由傳統(tǒng)制造方式制造的液壓零部件也需要經(jīng)過(guò)1200萬(wàn)個(gè)測(cè)試周期，3D打印液壓件也同樣需要經(jīng)歷這樣一段測(cè)試周期之后，才能夠進(jìn)行飛行測(cè)試。

對(duì)于這個(gè)3D打印擾流板液壓件，空客的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。參與項(xiàng)目的成員德國(guó)利勃海爾集團(tuán)是空客的一級(jí)供應(yīng)商，該公司與2016年年底向空客交付了3D打印液壓件。利勃海爾的專家曾表示，對(duì)于航空3D打印液壓件他們還有更多的設(shè)計(jì)思路，接下來(lái)他們將會(huì)進(jìn)行首輪測(cè)試。未來(lái)，他們將建立一個(gè)增材制造工廠，量產(chǎn)這些液壓件。

當(dāng)前的可操作性
當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的路或許還很長(zhǎng)，意大利Aidro Hydraulic給出了當(dāng)前3D打印應(yīng)用到液壓零件的參考因素。

生產(chǎn)數(shù)量：傳統(tǒng)制造技術(shù)適合大規(guī)模生產(chǎn)，對(duì)于小批量的復(fù)雜液壓件3D打印技術(shù)則更經(jīng)濟(jì)。
交期：用CNC機(jī)床加工金屬棒料，制造周期為30-60天；如果是對(duì)液壓鑄造件進(jìn)行加工，那么從鑄造到完成加工的周期為6-12個(gè)月；用金屬3D打印技術(shù)制造復(fù)雜液壓件的周期可以縮短至幾天之內(nèi)，如果打印件需要進(jìn)行機(jī)加工，則周期需要增加1-2周。
材料選擇：液壓零部件的制造材料必須具有足夠的強(qiáng)度和耐腐蝕性，才能安全地應(yīng)對(duì)液壓系統(tǒng)的高壓，傳統(tǒng)液壓技術(shù)中最常用的材料是碳鋼，不銹鋼和鋁。 金屬3D打印設(shè)備可加工的材料包括：不銹鋼（AISI316L）、鋁、鈦（Ti6Al4V）、鉻鎳鐵合金（625或718）、馬氏鋼…
原型設(shè)計(jì)：如果客戶要制造的液壓件是用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證的原型，那么，金屬3D打印技術(shù)則更具靈活性，它的價(jià)值在于可以短時(shí)間內(nèi)同時(shí)打印出不同型號(hào)的設(shè)計(jì)原型。

當(dāng)前3D打印在國(guó)內(nèi)的液壓領(lǐng)域的應(yīng)用還處于空白，在3D科學(xué)谷看來(lái)，這主要源自于兩方面原因。

一是我國(guó)不少關(guān)鍵的液壓零件制造水平落后于國(guó)際水平，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)在打破關(guān)鍵液壓零件依賴進(jìn)口方面做出了不斷的努力，但是追趕這個(gè)差距的本身就消耗了大量的精力和財(cái)力，這使得企業(yè)很難顧及像國(guó)外企業(yè)這樣花費(fèi)長(zhǎng)達(dá)十幾年的時(shí)間探索3D打印技術(shù)與液壓零件的制造技術(shù)的結(jié)合。

二是對(duì)于成熟的液壓產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，尤其是航空航天和國(guó)防軍工領(lǐng)域，不僅僅缺乏對(duì)3D打印技術(shù)的掌握，國(guó)內(nèi)企業(yè)還缺乏整套的思路如何通過(guò)3D打印技術(shù)來(lái)制造出滿足復(fù)雜且嚴(yán)苛的軍標(biāo)液壓產(chǎn)品。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，在這方面，制造型企業(yè)呼喚3D打印企業(yè)的全套培訓(xùn)與打印服務(wù)體系，只有雙方攜手，才能探索出切實(shí)可行的方案。

來(lái)源：3D科學(xué)谷