ケーススタディ | 積層造形技術を使用した油圧マニホールドの再設計

ケーススタディ | 積層造形技術を使用した油圧マニホールドの再設計
積層造形 (AM) 技術は、内部機能や通路を構築できるため、マニホールドの設計と製造に適しています。レニショーは顧客と協力し、積層造形技術を使用して現在の油圧マニホールドを再設計しました。このプロジェクトの主な目標は、コンポーネントの堅牢性を損なうことなく、コンポーネントの重量を可能な限り軽減することでした。積層造形技術は設計の自由度が高いため、設計者はこれを活用して流路の効率を向上させることができます。

油圧マニホールドとは何ですか?
油圧マニホールドは、バルブ、ポンプ、トランスミッションを接続する油圧システム内の流体の流れを誘導するために使用されます。これにより、設計エンジニアは油圧回路の制御を 1 つのコンパクトなユニットに統合できます。

油圧マニホールドの従来の製造方法<br /> 従来、油圧マニホールドは、最初にアルミニウム合金またはステンレス鋼のビレットをサイズに合わせて切断および機械加工し、次に穴を開けて流体の流路を作成することによって製造されます。複雑な掘削作業が必要となるため、特殊なツールが使用されることがよくあります。システム内の液体の流れを適切に誘導するために、チャネル内にプラグもいくつか必要です。

製造プロセスに固有の制限により、隣接するフロー チャネル間に急な角が生じ、流体の流れの停滞やよどみが発生し、効率低下の大きな原因となります。

アルミニウム合金製マニホールドは、材料費が安く加工も簡単なため、一般的に製造コストが安価ですが、耐摩耗性が低いため、落ちた粒子がチャネル表面を傷つけ、摩耗を増加させます。このため、ステンレス製のマニホールドを使用することが望ましい場合があります。しかし、ステンレス鋼はアルミニウム合金に比べて密度と硬度が高いため、重量と加工コストが大幅に増加します。


オリジナルの油圧マニホールド。流路をクロスドリルし、プラグを挿入して流体の流れを誘導します。AMを活用して油圧マニホールドを設計および製造します。
• コンポーネントの機能をより効率的にするためにフローパスを最適化
• 設計プロセスを支援するために数値流体力学(CFD)手法を最大限に活用する能力
• 備品の必要性が減る
• 取り外し可能なサポート構造の必要性を減らす
• 大幅な軽量化
• モジュール取り外しチャネルは不要
• 完全な設計自由度により、大幅に小型化されたマニホールドを設計することが可能

顧客への直接的なメリット:
• 質量を最大79%削減
• 一体型構造で欠陥が少ない • 設計と開発の反復が速い
• 既存のデザインと完全に互換性があります
• 流量効率が60%向上
ジオメトリの最初の反復。流路を取り出し、最適化し、壁の厚さを設定します。 流路を保持し、固定位置を接続するために使用されるサポート構造。積層造形に基づいて再設計 - 設計範囲<br /> 付加製造技術により設計の自由度が高まり、技術の特性に応じて部品構造を調整できるため、部品の幾何学的空間を維持しながら材料の重量を減らし、機能性を向上させることができます。コンポーネントの再設計中に、顧客はレニショーに、考慮する必要のあるいくつかの設計要件と機能要件を提供しました。

幾何学的形状
• 接続ポートの決定
• 流路の内径
• 流路壁の厚さ
• 固定された位置とインターフェース

機能<br /> 顧客の主な要件は、同じ剛性と機能性を維持しながらコンポーネントの重量を軽減することでした。レニショーの設計エンジニアも、システム内のフロー チャネルの効率を向上させるために、AM の特性に基づいてシステムを再設計する際にこの範囲を特定しました。

最初の設計反復<br /> 最初のステップは、部品を油圧マニホールド機能を提供する必要なチャネルに分解することです。 CAD(コンピュータ支援設計)ソフトウェアを使用して、元のクロスドリリング設計の流路を抽出し、流路に不要な掘削領域を削除して、必要なパイプネットワークのみを残します。

次に、SOLIDWORKS Flow Simulation ツールを使用して、セグメント化された数値流体力学 (CFD) 解析のために各油圧ラインが縮小および簡素化されました。
次に、CFD 解析によって流れが悪く、滞留している領域が特定された後、流路が最適化されました。

この場合、壁の厚さは顧客が指定した仕様に基づいて生成されますが、CFD 解析中に取得した圧力測定値に基づく有限要素解析 (FEA) 応力モデルを使用して実現することもできます。


最後に、恒久的なサポート構造が設計され、CAD ジオメトリに追加され、効率的な自立構造が作成されます。通常、サポート構造は、部品をベース プレートに固定し、熱を伝導するために、コンポーネント設計の最終段階で最終ジオメトリに追加されます。ただし、サポート構造をコンポーネントの一部として直接設計すると、後で削除する必要があるサポートの追加によって発生する可能性のある材料の無駄が削減されます。

最初の設計反復により、マニホールドの容積が 52 パーセント削減され、フロー効率が 60 パーセント向上しました。
抽出された流路断面には明らかな急な角がある
乱流領域を強調表示する CFD 解析の例
CFD 解析とは何ですか?
計算流体力学 (CFD) 解析は、液体と気体の相互作用に基づいて、システムの流体の理論的な効率に関する情報を設計者に提供します。

2 回目のデザイン反復<br /> 最初の反復はレニショーで構築され、顧客によって評価されました。顧客は主に油圧マニホールドの新しい形状の効果を評価しました。元のマニホールドは、直列に取り付けられた複数のユニットで使用するためのモジュールとして設計されました。修理のために、個々の油圧マニホールドをシリーズから取り外す必要がある場合があります。そのため、元のマニホールドには、ねじ式の「モジュール取り外し」アクセスが必要です。最初の反復の後、付加的に製造されたジオメトリにより、エンジニアはツールなしでマニホールドを手動で取り外すことができるようになり、モジュール抽出チャネルが不要になりました。
CFD 解析後に生成されたフロー チャネル断面。コーナーの急峻さを減らして流れを最適化します。CAD モデルからこれらのモジュールを削除すると、複雑な自立構造がすぐに崩れてしまいますが、設計を再開発する機会が提供されます。最初の設計反復では​​、元のソリッド ブロックに比べてサイズが大幅に縮小されたため、反復 1 ではその後の機械加工中に曲がり、ねじり変形、および/または振動が発生する可能性があるという懸念がありました。この心配は無用だったことが判明した。 2 回目の設計反復により、最終的なマニホールド容積は元のマニホールドのわずか 21% となり、マニホールドの剛性がさらに向上しました。

マニホールドの容積が大幅に削減されたため、イテレーション 2 製品にはより適した 316L ステンレス鋼を使用できるようになりました。 2 回目の設計反復の後、マニホールドの正味重量は 37% 削減され、高密度の材料 (ステンレス鋼の場合は 8g/cm3、アルミニウム合金の場合は 3g/cm3 未満) でもこの仕様が達成されました。


2 回目の反復ジオメトリ。モジュール抽出チャネルを削除し、サポート構造を再加工して剛性と硬度を高めます。
結果の概要

レニショーでは、積層造形 (AM) プロセスから可能な限り最高のコンポーネントを実現するには、AM 向けの設計では、減算加工や鋳造などの従来の製造技術よりもはるかに大きな自由度が得られることをユーザーが理解する必要があることは明らかです。そのため、ユーザーが AM システムを購入した後も、プロセスサポートのためのトレーニングと設計が提供されます。グローバル ソリューション センターは、付加製造を生産プロセスに統合することを検討している企業にコラボレーションへの扉を開きます。
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