¿Son buenos los bloques hidráulicos de aluminio? La tecnología AM permite libertad de diseño.

La fabricación de bloques de colectores hidráulicos de aluminio ofrece en algunos casos la ventaja de ser ligeros, pero también tiene la desventaja de no ser resistentes a la abrasión. La tecnología de fabricación aditiva (AM) es capaz de crear características y canales internos ideales para el diseño y la fabricación de bloques de distribución.

En colaboración con el cliente, Renishaw rediseñó su actual colector hidráulico utilizando técnicas de fabricación aditiva. Se minimizó el peso sin comprometer la robustez de los componentes. La fabricación aditiva ofrece un alto grado de libertad de diseño, que los diseñadores pueden aprovechar para mejorar la eficiencia del paso del caudal.

Método convencional de fabricación de colectores hidráulicos

TradicionalmenteLa fabricación de bloques de colectores hidráulicos de aluminio comienza con el corte y mecanizado de piezas en bruto de aluminio o acero inoxidable a las dimensiones requeridas, seguido de la perforación de orificios para formar los canales de flujo de fluidos. A menudo se utilizan herramientas especiales debido a la complejidad de la perforación de los orificios. También se necesitan tapones dentro de los canales para dirigir correctamente el fluido a través del sistema.

Las limitaciones inherentes al proceso de fabricación pueden hacer que se formen esquinas abruptas entre los canales de flujo adyacentes, lo que provoca un flujo de fluido deficiente o estancado.

Colector hidráulico original

Los bloques de colectores hidráulicos de aluminio tienen poca resistencia a la abrasión, y cualquier partícula que caiga rayará las superficies de los canales y aumentará el desgaste. Por este motivo, a veces es preferible utilizar colectores de acero inoxidable. Sin embargo, el acero inoxidable es más denso y duro que las aleaciones de aluminio, y el peso y los costes de procesamiento son significativamente mayores.

Ventajas de utilizar la AM para diseñar y fabricar colectores hidráulicos

  • Vías de flujo optimizadas para un funcionamiento más eficaz de los componentes
  • Capacidad para utilizar plenamente los métodos de dinámica de fluidos computacional (CFD) como ayuda en el proceso de diseño.
  • Menor necesidad de accesorios
  • Racionaliza la necesidad de estructuras de soporte desmontables
  • Importante reducción de peso
  • No es necesario acceder a la extracción del módulo
  • Total libertad de diseño para diseñar colectores de tamaño muy reducido

Beneficios directos para los clientes

  • Reducción de masa de hasta el 79
  • Construcción de una sola pieza con menos defectos
  • Aceleración de las iteraciones de diseño y desarrollo
  • Compatibilidad total con los diseños existentes
  • 60% aumento de la eficacia del flujo

Rediseño para la fabricación aditiva - Alcance del diseño

El proceso de rediseño de los componentes dio lugar a una serie de requisitos funcionales y de diseño del cliente que había que tener en cuenta.

figura geométrica

  • Puerto de conexión definido
  • Diámetro interior del canal de flujo
  • Espesor de la pared del canal de flujo
  • Posiciones fijas e interfaces

función

El principal requisito del cliente era reducir el peso de los componentes manteniendo intactas la rigidez y la funcionalidad. Sin embargo, en el caso del bloque distribuidor hidráulico de aluminio, los diseñadores lo consiguieron reduciendo el peso de los componentes pero disminuyendo la rigidez, mientras que en el caso del bloque distribuidor hidráulico de acero, lo lograron aumentando la rigidez pero incrementando el peso.

Primera iteración del diseño

Deconstruyeron las piezas en los canales necesarios para proporcionar la función de colector hidráulico. Utilizando software CAD, extrajeron las trayectorias de flujo del diseño original perforado en cruz y eliminaron las zonas perforadas innecesarias, dejando solo la red de tuberías necesaria.

Posteriormente, se redujo y simplificó cada conducto hidráulico. Los ingenieros aplicaron la optimización de las vías de flujo tras identificar las zonas de flujo deficiente y estancamiento de fluidos mediante análisis CFD.

En este caso, los ingenieros generan espesores de pared de acuerdo con las especificaciones facilitadas por el cliente, lo que pueden conseguir utilizando un modelo de tensión de análisis de elementos finitos (FEA) basado en las lecturas de presión tomadas durante el análisis CFD.

Por último, diseñaron y añadieron una estructura de soporte permanente a la geometría CAD para crear una estructura autoportante eficiente.

La primera iteración del diseño dio como resultado una reducción de 52% en el volumen del colector y un aumento de 60% en la eficiencia del flujo con respecto al original.

Segunda generación de iteraciones de diseño

Los diseñadores originales del colector pretendían utilizarlo en módulos con múltiples unidades montadas en serie. En ocasiones, los operarios necesitaban retirar los colectores hidráulicos individuales de la secuencia para realizar tareas de mantenimiento, por lo que necesitaban un acceso roscado para "retirar el módulo".

Tras la primera iteración, la geometría de fabricación aditiva permitió a los ingenieros retirar manualmente los colectores sin necesidad de herramientas, eliminando la necesidad de un canal de extracción de módulos.

La primera iteración del diseño era mucho más pequeña que el bloque macizo original, por lo que se temía que la Iteración 1 pudiera doblarse, deformarse por torsión y/o vibrar durante el mecanizado posterior. La preocupación resultó ser injustificada. La segunda iteración del diseño dio como resultado un volumen final del colector que sólo representaba 21% del colector original, al tiempo que mejoraba aún más la rigidez del colector.

Esta importante reducción del volumen del colector permitió utilizar un acero inoxidable 316L más adecuado para la producción de la iteración 2. Tras la segunda iteración del diseño, los ingenieros lograron una reducción de 37% en el peso neto del colector gracias al mecanizado con materiales más densos.

Resumen de los resultados

fase de diseñomaterialesVolumen (cm³)cantidad
Bloque distribuidor hidráulico original de aluminioaluminio960025.6
Primera iteración del diseño de fabricación aditivaaluminio4650(-52%)12.3
Fabricación aditiva Iteración secundaria del diseñoAcero inoxidable 316L2040(-79%)11.3

 

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