金属3Dプリントでより優れた油圧部品を製造する新たなトレンド

油圧システムは動力伝達方式としても制御方式としても利用でき、工業分野で広く利用されています。例えば、油圧システムは工作機械、建設機械、農業機械、自動車、航空機などの機械、水利事業で使用されるダム装置、発電所のタービン速度制御装置、軍事産業の砲兵制御装置などに使用されています。

市場調査会社Infinium Global Researchは、2017年から2023年まで、3Dプリント市場は年間約33％の複合成長率を維持すると予測しています。業界関係者は、油圧部品の3Dプリントが3Dプリントアプリケーションの重要な成長分野となり、無視できないものになると考えています。

3D プリント技術は、複雑な油圧部品を製造するための多くの油圧システムメーカーの選択肢となっています。たとえば、エンジニアリングおよび製造会社である Moog は、金属 3D プリント油圧部品の分野を探求する上で 16 年以上の経験を持っています。2017 年には、油圧トランスミッションおよび制御の分野で有名な別のメーカーである Parker Hannifin が本社の近くに「先進製造学習開発センター」を開設し、エンジニアが積層造形/3D プリントの応用を探求できるようにしています。 2017年、レニショーは金属3Dプリントを通じてランドローバーBARヨットの油圧システム部品の性能向上にも協力し、角が滑らかで丸い部品を加工して、流体伝達の効率を大幅に向上させました。
金属 3D プリントの油圧分野への応用は、コンフォーマル冷却金型分野への応用と同様に、継続的に深化していると言えます。

3Dプリント油圧部品のアクティブ探索者<br /> 油圧バルブブロックの製造に金属 3D プリント技術を選択した場合、製品設計時にクロスドリルの設計制約を考慮する必要がなくなり、鋭角な角を丸みを帯びた曲線設計に置き換えて乱流を減らすことができます。この設計は、従来の油圧バルブブロック製造技術では実現できませんでしたが、金属 3D プリントでは実現できます。Aidro 油圧は、3D プリント技術によって、より高い設計の自由度も獲得しました。

Aidro Hydraulic は 1982 年に設立されました。設立以来、油圧システムのコンポーネントの設計と製造に注力してきました。油圧バルブボディ製品には、方向弁、チェックバルブ、フローバルブ、圧力バルブ、比例弁などがあります。 2017年、Aidro Hydraulicは、油圧部品の35年にわたる伝統的な製造経験に基づき、3Dプリント油圧バルブボディを含む金属3Dプリント油圧製品を正式に発売しました。

完全な油圧システムには、動力要素、アクチュエーター、制御要素、補助要素、および作動媒体が含まれます。制御要素（さまざまな油圧バルブなど）は、油圧システム内の流体の圧力、流れ、方向を制御および調整する役割を果たします。 Aidro Hydraulics 社は、単動シリンダーの制御に使用されるステンレス鋼製の初の 3D プリント油圧バルブブロックの開発に成功しました。 Aidro 油圧は、3D プリントバルブブロックの設計に革新をもたらしました。油圧バルブブロックの内部パイプラインが最適化され、内部パイプライン内の液体の流れが改善されました。バルブブロック全体の容積も従来の設計のバルブブロックよりも小さくなり、潜在的な液体漏れの問題も回避されます。商業化の面では、Aidro Hydraulics は、既存の油圧部品生産能力を補完するものとして、金属 3D プリント技術を使用して、特別なニーズを持つ一部の顧客向けに油圧バルブブロックの小ロットをカスタマイズして生産しています。現在、ステンレス鋼（AISI 304 から 316L）、アルミニウム、チタン、およびいくつかの新素材で作られたバルブブロックを、3D プリント装置を使用して少量で生産できます。

画像: 機械加工で製造されたバルブ本体 (左)、より優れた性能を持つ 3D プリントで製造されたバルブ本体 (右) 国際的には、別の会社である Domin Fluid Power も 3D プリント油圧の分野で積極的に活動しています。 Domin Fluid Power は、製造方法として金属 3D プリント技術を使用することを基に、流体動力製品の「安定した」設計のための新しい戦略を開発しました。これを基に、ドミンはダイレクトドライブサーボ油圧バルブなど、長年にわたって大きな変化がなかったいくつかの油圧流体動力部品を再設計し、製造しました。
Domin Fluid Power が再設計し製造した 3D プリントのダイレクトドライブサーボ油圧バルブの設計、分析、テスト、評価には数千時間かかりました。ドミン・フルイド・パワー社は、再設計された3Dプリントバルブボディは重量と容積が削減され、油圧バルブボディの圧力損失が減少することでバルブボディの効率も向上したと述べた。

加工技術と試験技術はどちらも不可欠です<br /> ただし、油圧部品に金属 3D プリントを適用する場合、部品の性能要件を真に満たすには、機械加工や熱処理などの後処理プロセスと組み合わせる必要があります。ペンシルバニア大学のティモシー・シンプソン教授は、かつて複雑な内部空洞構造を持つ油圧部品を製造しました。この部品はインコネル 718 合金で作られています。3D プリント後、多軸 CNC 加工センターで主要な仕上げに高い精度を提供します。この特殊な部品は、他の部品と正常に取り付けることができるように、正確な外径が必要です。正常な動作のために、表面仕上げも重要な品質要件の 1 つです。シリンダーの上面と下面には、重要な平坦度と平行度の精度要件があり、これらは機械加工によって実現する必要があります。最後に、流体ポートは 10,000 psi の圧力に耐える必要があり、そのためには精密なねじ研磨作業が必要です。
高度な検出技術も欠かせません。ペンシルバニア大学のティモシー・シンプソン教授が完成させたこの油圧部品を例に挙げましょう。内部構造の正確さを保証するために、ペンシルバニア大学とインペリアル・マシン・ツール社はコンピューター断層撮影システムなどの高度な設備を使用して、部品の内部検出を完了しました。結果として得られた部品は、元の設計よりも 40 パーセント以上軽量化され、流体の流動特性も向上しました。
さらに、多くの油圧部品は鍛造部品の密度を必要とします。熱処理によって一定の幾何学的変形が生じる可能性がありますが、より密度の高い油圧部品を得るには熱処理が不可欠です。3D Science Valleyは、3Dプリント技術と熱処理技術をどのように組み合わせるかが油圧部品の製造にとって非常に重要であると考えています。

目標: 大量生産<br /> 3Dサイエンスバレーの市場調査によると、3Dプリント油圧部品の量産化に関しては、エアバスは意欲的な実践者です。2017年3月30日、エアバスのA380航空機は、初の3Dプリント油圧部品を搭載し、テスト飛行に成功しました。これにより、エアバスは3Dプリントを通じて油圧部品の性能を向上させる機会を得ました。しかし、この部品の製造プロセスは、探求と紆余曲折に満ちています。スポイラー油圧部品は、航空機の安全に関わる重要な部品であり、その機能は空気回路またはスポイラーを制御することです。

7年間の研究開発の間、プロジェクトチームは、付加製造技術である金属3Dプリントを使用してスポイラー油圧部品の設計を最適化してきました。 3Dプリントに使用される材料はTi64チタン合金です。3Dプリントされた油圧部品の明らかな利点は軽量であり、元の油圧部品よりも35％軽量です。性能面では、3D プリントされた油圧部品により油圧システムの効率が最適化され、発熱量と騒音が低減され、必要な油圧パワーも少なくなります。油圧システムの効率向上により、空気抵抗の低減や航空機の燃料効率の最適化など、飛行にさらなる利点がもたらされます。

3Dプリント油圧部品の研究開発とテストのプロセスは長く、飛行の安全性を確保するためには、従来の製造方法で製造された油圧部品であっても1,200万回のテストサイクルを経る必要があります。3Dプリント油圧部品も、飛行テストを行う前にこのようなテストサイクルを経る必要があります。

エアバスのこの 3D プリントされたスポイラー油圧部品の最終目標は、大量生産を達成することです。このプロジェクトのメンバーであるドイツのリープヘルグループは、エアバスのティア1サプライヤーである。同社は2016年末に3Dプリントされた油圧部品をエアバスに納入した。リープヘルの専門家は、航空用3Dプリント油圧部品の設計アイデアがさらにあり、次に第1ラウンドのテストを実施する予定だと述べている。将来的には、これらの油圧部品を大量生産するための積層造形工場を建設する予定です。

現在の操作性<br /> もちろん、量産化にはまだ長い道のりがあるかもしれない。イタリアのAidro Hydraulic社は、油圧部品への3Dプリントの現在の応用に関する参考要素を提供している。

生産量: 従来の製造技術は大規模生産に適していますが、3D プリント技術は複雑な油圧部品の小ロット生産に適しています。
納期：CNC工作機械で加工する金属棒の製造サイクルは30～60日です。油圧鋳造品を加工する場合、鋳造から完成までのサイクルは6～12か月です。金属3Dプリント技術を使用した複雑な油圧部品の製造サイクルは、数日以内に短縮できます。印刷した部品を機械加工する必要がある場合は、サイクルを1～2週間増やす必要があります。
材料の選択: 油圧部品の製造に使用される材料は、油圧システムの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。従来の油圧技術で最も一般的に使用される材料は、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウムです。金属 3D プリンターで処理できる材料には、ステンレス鋼 (AISI316L)、アルミニウム、チタン (Ti6Al4V)、クロムニッケルインコネル合金 (625 または 718)、マルテンサイト鋼などがあります。
プロトタイプ設計: 顧客が製造したい油圧部品が設計検証用のプロトタイプである場合、金属 3D プリント技術はより柔軟です。その価値は、短期間で同時に異なるモデルの設計プロトタイプを印刷できることにあります。

現在、国内の油圧分野における3Dプリントの応用はまだ空白状態にあります。3D Science Valleyの見解では、これは主に2つの理由によるものです。

まず、我が国の多くの重要な油圧部品の製造レベルは国際レベルに遅れをとっています。我が国は長い間、重要な油圧部品の輸入依存を打破するために継続的な努力をしてきました。しかし、このギャップを埋めること自体に多くのエネルギーと資金が費やされるため、企業が10年以上を費やしてきた外国企業のように、3Dプリント技術と油圧部品製造技術の組み合わせを模索することを検討するのは困難です。

第二に、成熟した油圧製品、特に航空宇宙および防衛軍事分野においては、国内企業は3Dプリント技術の習熟が不足しているだけでなく、複雑で厳格な軍事基準を満たす油圧製品を3Dプリント技術を使用して製造する方法に関する完全なアイデアも不足しています。 3D Science Valleyの市場調査によると、この点に関して、製造企業は3Dプリント企業にトレーニングとプリントサービスのシステム一式を求めており、両者が協力して初めて実用的なソリューションを模索できるという。

出典: 3Dサイエンスバレー

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