Part 2-深入剖析为增材制造而重新设计的航空航天液压歧管

根据3D科学谷的市场研究,传统液压元件与3D打印液压元件在设计上有着显著的不同。以液压阀为例,传统液压阀块为规则的长方块状结构,而3D打印液压歧管带给人的最直观印象是不再是规则的阀块,而是一组具有不规则形状的“管道”。

本期,3D科学谷结合英国制造技术中心-MTC为为增材制造而重新设计的航空航天液压歧管的案例,与谷友共同了解3D打印液压歧管与传统液压阀块在设计和性能方面有哪些不同,并为广大液压元件制造企业在利用增材制造技术进行液压元件产品设计优化升级提供参考。本文为第二部分。第一部分主要介绍了初始设计,从侧重于组件级重新设计出发。在第二部分中,将探讨该设计项目的第二次迭代,考虑了系统级重新设计方法。

Part_Gen3D© Gen3D

基于系统水平的设计

在这篇文章中,3D科学谷将从系统级重新设计的角度来看MTC英国制造技术中心如何重新设计该液压歧管。通过消除设计过程中的一些限制并移动歧管入口和出口的位置,MTC克服了在初始设计中遇到的一些除粉挑战。

在第一部分中,MTC考虑了为增材制造重新设计的歧管。具体来说,在第一次歧管重新设计中,MTC将歧管的入口和出口的位置保持在同一位置。这然而,在检查打印的歧管时,发现由于 EBM 过程中“烧结饼”的形成,粉末去除是一个重大挑战。

block 重新设计的液压歧管

对设计进行了根本原因分析,MTC确定可以通过减少流体通道的长度并确保粉末不被困住,以促进更容易的粉末去除来克服粉末去除挑战。

l 流体通道重新设计

考虑到这一点,Gen3D 和 MTC 的设计团队对设计进行了试验,并测试了如果采用系统重新设计方法会发生什么。如果查看下图的承诺-收益曲线图,可以看到系统级重新设计需要对流程做出最大的承诺。这是因为可能需要移动子装配中的其他组件,但是,这也为任何为增材制造而重新设计的歧管的重新设计提供了最大的收益机会。

Gen3D_3承诺与收益曲线显示如何为增材制造过程重新设计零件。© Gen3D

与更传统的 CAD 软件相比,Gen3D 的 Flow 模块允许用户快速重新设计流体通道。这意味着可以在不到一天的时间内将组件级重新设计从第一部分快速修改为系统级第二代部分。

两种模型之间的比较可以在下图中看到。

Part_ Gen3D_1歧管比较 – 基于组件的重新设计(左图)和系统级重新设计(右图)的比较。

© Gen3D

从两张图片中可以看出,系统级的重新设计是一个更加紧凑的设计。此外,通过利用补偿功能必要时在流体通道的顶部添加了泪珠形状,并且还在流体通道的底部添加了泪珠形状以减少所需的支撑结构总量。

l  后处理设计

在流体通道之后,3D科学谷了解到MTC采用了与第一部分类似的方法,在 Autodesk Fusion 360 创成式设计程序中定义了载荷、约束、设计空间和空隙空间。

不过,在后处理方面设计人员设置了一些关键差异。

首先,设计人员在设计中添加了两个额外的除粉口。这些被放置在第一次迭代中发现被困粉末的位置,液压歧管上增加了除粉口,便于除粉。这对于 EBM 工艺尤其重要,因为在构建过程中会形成烧结饼。

Part_ Gen3D_2© Gen3D

这有点违反直觉,因为增材制造的好处之一是可能减少组件中的组件数量。但是,有时保留额外的特征(例如除粉口)可能会有益,以减少零件后处理时的时间、精力和成本

第二个区别在于CNC加工和夹具的设置。3D科学谷了解到在这种情况下,由于可以选择移动一些通道的设计,因此可以将所有夹具保留在零件底部,并在一次设置中通过5 轴机床加工液压歧管上的所有端口。

Part_ Gen3D_3© Gen3D

Video Cover_Gen Part机加工液压歧管© Gen3D

在这种情况下,对于单个原型零件,后加工处理的成本差异并不大,但对于生产运行而言,由于设计所带来的后加工的便利性,这种变化可能会显着节省成本。最后,MTC还通过将流体通道的内部形状修改为适用的菱形形状来减少库存材料消耗量

block 歧管的测试和检查

MTC 对歧管进行了一系列检查方法。这些包括条纹投影,使用 GOM 扫描仪和 X 射线 CT 扫描来检查流体通道内是否存在被困粉末。

Part_ Gen3D_4叠加在 CAD 模型上的流形的条纹投影扫描© Gen3D

在这种歧管设计的情况下,粉末能够从歧管中完全去除,去除所有粉末意味着可以沿着增材制造工作流程,继续进行对端口接口的后处理加工。

block 加工端口接口

为了实现与接口组件的正确配合,歧管的端口必须进行后加工。在该歧管设计中,夹具设计用于将歧管向下连接到 CNC 工件夹具。然后使用触发式探针测量端口以准确确定其位置,然后在 CNC 铣床上按照规格加工端口。

在这篇文章中,MTC从系统级重新设计的角度研究了航空航天液压歧管的重新设计。通过消除对设计过程的一些限制并开辟移动歧管入口和出口位置的可能性,就有可能克服除粉方面的一些挑战,然后对歧管进行机械加工以确保接口部件可以与歧管组装。

在第三部分中,3D科学谷将与谷友一起领略MTC如何检查该歧管的实验结果,并确定原来的歧管设计转移到增材制造的歧管所带来的功能性能优势。

更多信息,请参考3D科学谷发布的《上篇-3D打印与液压白皮书》,《下篇-3D打印与液压白皮书》。

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