金属 3D プリントを使用するのはいつが適切ですか?

数量– 従来の製造方法は大規模生産に適していますが、小型、複雑、または特殊な油圧部品の場合は 3D プリントの方が経済的または実用的である可能性があります。

時間を節約– 金属棒から部品を製造するのに 30 ～ 60 日、または 6 ～ 12 か月かかる CNC 加工などのプロセスを削減します。 3D プリントを使用すると、わずか数日で油圧コンポーネントをオンデマンドで印刷できます。印刷された部品に機械加工が必要な場合は、リードタイムが 1 ～ 2 週間に長くなる場合があります。

プロトタイピング– 3D プリントによるプロトタイピングでは、さまざまなプロトタイプのバリエーションを同時に作成できるため、設計オプションを評価することができます。

材料の選択– 油圧コンポーネントは、油圧システムに通常見られる高圧を安全に処理するために十分な強度と耐腐食性を備えている必要があります。 3D プリント技術では、ステンレス鋼 (AISI316L)、アルミニウム、チタン、インコネル (Ti6Al4V) (625 または 718)、マルテンサイト鋼など、より幅広い材料を選択できます。

図 1: 3D プリントされたステンレス鋼の油圧マニホールドにより、サイズが縮小され、流量が向上します。（Aidro提供）
素材の性能はどうですか?

油圧システムの分野における金属 3D プリントの応用は比較的新しいため、3D プリントされた部品の材料特性が従来のプロセスで製造された部品とどのように比較されるかという疑問が生じます。引張強度、降伏強度、弾性率などの一般的な機械的特性は、材料の選択に応じて同程度であるように見えますが、油圧システムで頻繁に発生する高圧については、追加の考慮が必要です。

適切な材料の選択と設計により、コンポーネントはこれらのストレスに耐えることができますが、対応が困難な衝撃や圧力パルスに遭遇する可能性もあります。たとえば、マニホールドはこれらのパルスを処理するためにダクタイル鋳鉄やその他の延性材料で作られることが多いですが、これらの材料は 3D プリントの製造プロセスには適していません。原料が粉末状でなければならないため、鉄や炭素鋼材料もこの範疇に入ります。

複雑な油圧コンポーネントを金属 3D プリントに組み込むことで、パフォーマンスを損なうことなく重量とサイズを削減できます。これは、従来の加工産業では達成するのが非常に困難、あるいは不可能です。

図 2: 左側の油圧バルブは鋼から機械加工され、耐腐食性を高めるために亜鉛メッキされています。再設計されたバルブ（右）は、ステンレス鋼の 3D プリントによって作成されました。 3D プリントされた部品は機械加工された部品と同等の強度を保ちながら、60% 軽量化されています。従来生産された部品は機械加工により不要な部品を取り除くことができますが、これによっても生産コストが高くなります。（Aidro提供）

代表的な用途<br /> 多くの種類の油圧部品が金属の 3D プリントを使用して製造されてきました。たとえば、Aidro はステンレス鋼を使用して、単動シリンダーを制御する油圧バルブブロックを印刷します (図 1)。同社はスペースを節約し、内部通路を最適化することで、従来の部品に比べて流量を高め、圧力損失を低減することができました。補助掘削が不要なので、外部漏れの可能性も排除されます。

さらに、積み重ね可能な油圧バルブが 3D プリントを使用して設計および改良されました (図 2)。直動式減圧弁は鋼鉄製で、腐食に耐えるために亜鉛メッキされています。 Aidro の顧客が少量のバルブを必要としていた場合、CNC 加工では納期とコストの面で管理が困難でした。代わりに、バルブは再設計され、60% 軽量化された 3D ステンレス鋼を使用して製造されました。構造壁は元のものと同じくらい頑丈で、新しい設計は 250 バールの圧力テストで同等の結果を示しました。

今年後半にリリースされる予定の、図 3 に示すオンボードエレクトロニクスを備えたダイレクトドライブサーボバルブは、競争力のある価格で現在の設計に比べて大きな利点を提供します。（Domin Fluid Power Ltd.提供）

ドミン社のゼネラルマネージャー、マーカス・ポント氏は、新しいサーボバルブは、製造の簡素化により競争力のある価格を維持しながら、サイズ、効率、品質が現在の設計より大幅に改善されていると語る。これらのパフォーマンスの向上は、現在の最先端のサーボバルブとの比較に基づいています。

競合製品と比較して、Domin サーボバルブは定格流量が 25% 向上し、漏れが 20% 削減されると Pont は述べています。また、体積は 25%、重量は 15% 削減され、部品数は 40% 削減され、製造が簡素化されます。

図 4: 農業機械用に印刷されたマニホールド。従来品に比べ、大きさは半分、重さは25%です。（Aidro提供）

Aidro が提供するもう 1 つの例は、農業機械用の油圧統合ユニットです (図 4)。このマニホールドは複動シリンダーを制御し、2 つのソレノイドバルブと 2 つのパイロット操作チェックバルブを備えています。 3D プリントされたマニホールドは、交換するユニットとまったく同じように機能しますが、以前のマニホールドに比べてサイズが半分で、75% 軽量です。この部品は、優れた強度と熱特性、軽量性、柔軟な後処理の可能性を兼ね備えた AlSi10Mg6000 シリーズのアルミニウム合金で構成されています。薄壁や複雑な形状の部品の製造によく使用されます。

Aidro 社の Tacconelli 氏は、応力テストの結果、引張強度、伸び、衝撃靭性などの機械的特性が従来の材料で作られたマニホールドよりも優れていることが示されたと報告しています。内部通路が90度曲がらない十字形状に曲げられているため、従来品と同等以上の作動性能を発揮します。

図 5: この油圧マニホールドは、3D プリント技術を使用して元の 17 個のコンポーネントを 1 つに統合し、元のものより 70% 軽量でありながら、同じ圧力および疲労テストに耐えることができます。 (ペンシルバニア CIMP-3D)

ペンシルベニア州立大学の CIMP-3D は、3D プリントを使用して油圧マニホールドを一体型で印刷しました (図 5)。交換する 17 個の部品よりも 70 パーセント軽量でありながら、同じストレスおよび疲労テストに耐えます。

Aidro は、丸い穴の代わりに四角い穴のある新しい穴の形状を 3D プリントして、バルブコアを再設計しました (図 6)。これにより、バルブコア内のオイル経路の面積が増加し、圧力降下が減少します。

図 6: 元のバルブコア (左) には丸い穴があり、CNC を使用して加工する必要があります。 3D プリントで再設計されたバルブコアには、圧力降下を低減するためにより大きな四角い穴が設けられています。（Aidro提供）

これらは、金属 3D プリントが油圧分野のコンポーネント設計と製造の改善の可能性を拡大する方法のほんの一部です。 Infinium のグローバル調査レポートによると、世界の金属 3D プリント市場は 2017 年から 2023 年にかけて年間複合成長率 33% という高い割合で成長し、油圧アプリケーションがこの拡大の重要な部分になると予想されています。

出典: 清飛テクノロジー

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