3Dプリンティングが油圧バルブブロック加工に破壊的なインパクトを与える
油圧分野における 3D プリントには、油圧コンポーネント部品（図 26-307 参照）、油圧バルブブロック （図 26-308 参照）、および油圧鋳造用砂型パターンが含まれる。焦点の 1 つは、3D プリントによる油圧バルブブロックの製造である。油圧カートリッジバルブブロックの 3D プリントは、産業用途における 3D プリントの最も代表的な成功例である。3Dプリンティングを使用するため、カートリッジ・バルブ・ブロックの加工結果は非常に重要である。
これらの結果は、非常に複雑な内部流路を設計することで、油圧部品の重量を大幅に削減し、パワーウェイトレシオを改善できることを示している。この設計により、加工が単純化・高速化され、効率的で費用対効果の高いものとなる。油圧流路の形状を最適化し、摩擦抵抗と局所抵抗の両方を低減することで、油圧流路に起因する動力損失を低減します。また、バルブブロックのCAD設計とCAE加工を直結し、近代化された加工方法を実現します。要するに、バルブブロックの加工技術は破壊的な変化をもたらすために。
企業生産のための3Dプリンティングの利点は、簡単に列挙すると次のようになる。
1) 設計の自由度、パーソナル化、簡素化、軽量化、組み立て不要設計。
2）金型がなく、すぐに反復的で柔軟なプロトタイプの製造ができる。
3)リードタイムの短縮。有利なメンテナンスの不測の事態を含め、製造期間は数週間から数日に短縮される。
4）エネルギー効率が良い。
5）バルブ本体内部流路の最適化、バルブ本体内の圧力損失の低減、油圧エネルギー損失の低減。
6)プロセスの目詰まりが減少し、漏れの可能性が減少した。
7)より利用しやすい内部および外部部品形状による設計の自由度。
8)設計の最適化と質量の低減
9)高い機能統合と小型化
10)機械的特性の制御のより良い実現。
現在、アディティブ・マニュファクチャリング（AM）の国内外の研究開発は非常に活発で、ボッシュ・レックスロスは3Dプリンティング油圧システム、特にその中のサーボバルブを開発している。プロジェクト・パートナーには、ドイツの有名な工作機械ファミリー企業であるトルンプ（TRUMPF）や粉末材料製造のエキスパートであるヘレウス（Heraeus）などが含まれる。中国の油圧企業もこの分野で応用しており、サイクス油圧技術有限公司（Sykes Hydraulic Technology Co.
しかし、現在の開発には多くの課題が残っている。3Dプリンティング技術自体の効率と品質の一貫性という課題に加え、認証がもう1つの難題を突きつけている。中国企業には、複雑で過酷な条件下で油圧製品を作成するために3Dプリンティング技術を適用する複雑さを満たす方法に関する完全なアイデアがまだ欠けている。業界は一刻も早く包括的な公共サービスシステムを構築する必要がある。そうすることで、この新技術を生産性を向上させるツールとすることができる。業界は、この新技術を生産性向上のツールとするための公共サービスシステムを構築する必要がある。
現在、油圧バルブブロック積層造形の応用は、まだ新製品開発の設計検証段階にある。また、単一ピースの小ロット生産や特殊な複雑部品の製造にも使用されている。さらに、積層造形は迅速な金型製造にも採用されている。3Dプリンティング製造開発の観点から、この技術は将来的に重要な役割を果たすだろう。それは、油圧式一体化部品の加工手段となるだろう。 バルブブロック バッチ生産で従来から製造されている油圧部品と比較して、金属3Dプリンティングは航空宇宙用油圧部品に大きな改善をもたらしました。この技術の最も初期の採用は、主な飛行制御油圧部品の軽量化につながった。さらに、10 個の部品をなくすことにつながった（図 26-308c 参照）。
3Dプリンターが油圧バルブブロックの設計プロセス全体と製作に与える影響
油圧一体型ブロックは、複雑な流路を持つバルブボディで構成されている。内部には、油穴、位置決め穴、接続ねじ穴、ブロック取り付け穴があります。さらに、このブロックにはカートリッジバルブのプラグイン取付穴とカートリッジバルブ用の側方油路があります。同時に、穴が干渉することなく正しく接続されるように、時にはプロセスホールも多数設けられます。
油圧バルブブロックの設計は、設置の制約、接続の制約、加工の制約を満たさなければならない。ブロックの外面は、バルブ部品のために十分な設置スペースを提供し、バルブ部品間の干渉がないことを保証しなければならない。すべての穴は、接続性と非接続性の要件を満たさなければならない。肉厚の安全性を確保することが重要である。各穴の直径と深さは、機械加工可能な範囲内でなければならない。油圧バルブブロックの設計指針は、油回路の条件の下でこれらの3つの制約を満たすことですシンプル、小型、軽量です。
従来の油圧バルブブロック加工では、前処理、機械加工、バリ取り、洗浄などの工程が必要であった（図 26-309a 参照）。前処理は、主にバルブブロック材料の検査や非破壊検査を行うために行う。この工程では、材料の内部構造が緻密であることを確認します。また、材料にトラコーマや巻き込みがないことも確認する。機械加工では、まず荒削りのブランクにフライス加工や鉋がけなどの加工を施し、バルブブロックの大まかな形状を整えます。
その後、プライヤーでスクライビングを行い、バルブブロック表面の粗さを管理し、漏れなどの問題を防ぎます。加工後はバリ取りを行い、バルブブロックの平滑性を確保します。洗浄段階では、防錆洗浄液を使用し、一定の圧力をかけてバルブブロックの盲穴などを洗浄し、汚れやゴミが残らないようにします。従来の油圧バルブブロックの加工工程では、クランプが面倒などの問題がありました。また、形状や位置の公差をコントロールすることも難しい。
穴あけ、拡管、中ぐり、リーマなどの加工を行うため、工程が複雑で繊細になる。油圧一体型ブロックはサイズが大きく、オリフィスが交差・混在しているため、加工が難しい。従来の加工では、完成した油圧一体型ブロックの流路は十字型になる。この設計は局所的な減衰を増加させ、必然的に油圧損失を増加させる。
3Dプリンティング技術により、設計の自由度が高まります。3Dプリンターによるバルブブロックの設計は、ブロック設計技術の革新を可能にします。十字穴の設計制約を考慮することなく、内部流路を最適化することができます。3Dプリンティングでは金属粉末を積層するため（図26-309b参照）、内部流路の設計を事前に 最適化し、クロスコーナーを丸みを帯びたベンドとして設計することができる。このアプローチは、流路の減衰を減らし、流体工学における局所的な損失を最小限に抑えます。
また、従来の設計よりもバルブブロック全体の体積を小さくすることができ、バルブブロックの接合面における潜在的な漏れを回避することができます。また、3Dプリンターによる加工・製造では、形状や位置の公差の制御が難しいといった問題も回避できます。形状や位置の制御要件は基本的に満たされます。さらに、3Dプリンティングは、従来の機械加工に伴うクランプの問題を解消します。また、マニホールドを除けば、金属の不要な質量を減らすことができ、軽量なバルブブロックを実現できる。
油圧バルブブロックの流路設計改善における3Dプリンティングの影響
従来のオリフィス設計では、スループットを達成するために、T字型または十字型のオリフィスシステムを交差して設けることが避けられない（図26-310a参照）。これに対し、3Dプリンティングでは、流路の水力減衰を最小限に抑えるという原則に基づいて設計することが完全に可能である（図26-310b参照）。図26-311は、同じ流量で異なる流路の圧力損失を比較した結果を示している。この結果から、バルブブロックの流路形状を変えることで、バルブブロックの圧力損失を低減できる ことがわかる。
油圧カートリッジバルブ用ユニバーサルバルブブロックの印刷工程
(1) 適切な3Dプリント機器と方法を選択する 油圧バルブブロック材料の要件に応じて適切な3D印刷装置を選択する。油圧コンポーネントに使用される3D印刷技術は次のとおりです：
1) 金属粉末射出成形（MIM）技術は精密な金属加工プロセスであり、より優れた性能を持つバインダーを必要とする。
2）溶融積層造形（FDM）技術で使用される金属ワイヤー（またはペレット）は、一般的なプラスチックFDMと同じプロセスに従う。どちらも溶融押し出しとレイヤー・バイ・レイヤー成形を使用する。違いは、金属FDMの消耗品のほとんどが、金属粉末と有機バインダーの混合物から構成されていることです。17-4PHと316Lステンレス鋼は、バインダー射出技術と主流材料の溶融析出成形技術に使用される。
3）バインダー射出成形（BI）技術は、粉末を成形するためにバインダーを噴霧する積層造形法である。この技術は、パウダーベッドを使用する多くのレーザー焼結技術と同様、バインダーをパウダーにスプレーするためにインクジェットプリントヘッドを使用する。粉末層が結合して成形が実現する。この技術の初期の研究は、砂型鋳造の形成に焦点を当てていた。
4) レーザー粉末床溶融（LB-PBF）技術は、選択的レーザー溶融とも呼ばれ、粉末床ベースの積層造形プロセスである。高エネルギーのレーザービームを使用して、粉末をポイント・バイ・ポイントでスキャニングし、冶金的結合を行うことで、高性能部品のプリントを可能にする。アルミニウム合金、チタン合金、ニッケル基合金、鉄合金、貴金属合金などの材料を使用することができます。さらに現在、マグネシウム合金を含む他の材料も開発中です。理論的には、再生可能な資源から作られた熱可塑性プラスチックであるポリ乳酸（PLA）材料など、あらゆる溶接可能な材料をLB-PBF技術で加工することができます。
図 26-312 は、3D プリントによる部品加工の選択肢を示している。油圧バルブブロックや油圧バルブスプールの製造には、3Dプリンティングが適している。3Dプリンティング技術の主な応用は、PBF選択溶解金属3Dプリンティング技術、BJバインダージェット金属3Dプリンティング技術、バインダージェット3Dプリンティング砂型と鋳造の組み合わせによる方法に加えて、である。
また、高精度のレーザー溶融を使用して、直径30〜60μmの球状の金属粉末、サーボバルブを製造するためのレーザー溶融（SLM）技術の選択があります。各プロセスでは、溶融厚さの数ミクロンだけが確立されます。その後、目的のチャンバーを得るために層ごとに構築します。
(2)3Dプリント材料問題で使用される油圧バルブブロック 従来のカートリッジバルブブロックの材質は、大まかに鋳鉄、鍛造鋼、プロファイル、ステンレス鋼、アルミ合金に分類されます。鋳物は密にフィットしないことがあり、壁が薄いと漏れやすい。一般的に、私たちは鋳物を選びません。その代わりに、Q235Aプレートと35鍛鋼を使用することがよくあります。要求が高くない場合は、45や50のダイス鋼板や高品質の炭素構造用鋼を切削加工や製造に使用することもあります。一般的なサイズはあまり大きくすべきではなく、適用圧力は31.5MPaを超えることができます。一般的に6061-T6、7075-T6、2A12などのアルミニウム合金を使用します。
一般的に25MPa以下の中低圧では、構造強度に限界があるため、これらのアルミニウム合金を使用しています。使用シナリオの要件に基づいて、我々はまた、バルブブロックボディを製造するためにステンレス鋼を使用しています。例えば、水力または水ベースの油圧媒体は、バルブ本体材料としてこのような材料の使用に関する。
3Dプリントの観点からは、油圧機器のバルブブロックは鍛造グレードの特性を必要とします。3Dプリントでは、AISI 304から316Lまでのステンレス鋼部品を製造できます。3Dプリンティングでは、AISI 304から316Lまでのステンレス鋼部品を製造できます。また、アルミニウム、チタン、ニッケルベースの合金も扱うことができます。さらに、3Dプリンティング装置は、一部の新素材を小ロットで製造できます。油圧製品の材料は、油圧システムの高圧を安全に処理できる強度と耐腐食性が求められます。使用可能な材料には、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウムなどがあります。これらの材料には、AISI304、AISI316L、17-4PHなどのステンレス鋼が含まれる。また、AISi10Mgのようなアルミニウム合金も含まれます。さらに、Ti6AI4Vのようなチタン合金、IN625やIN718のような高温ニッケル基合金、マルテンサイト時効鋼も使用します。チタン合金を印刷に使用するのは、軽量で機械的特性が安定しており、耐食性に優れているからです。
(3) 油圧バルブ統合ブロック構造モデルのデータ変換と検出 3D プリントの特性に基づき、3D モデル設計図の油圧バルブ一体型ブロック構造を実現するために は、コンピュータ支援設計ソフトウェアを使用する必要がある。油圧バルブ一体型ブロックの 3D プリントモデルの生成プロセスを図 26-313 に示す。図 26-313a は全体の 3 次元マップを示す。図 26-313b は、マップの空間構造を示している。
油圧バルブ一体型ブロック構造モデルの次の操作に進むには、SolidWorksの3次元グラフィックファイルを設計する必要があります。これらのファイルをSTL形式に変換します。油圧バルブブロック構造の様々な面を表現するために三角メッシュを使用する STL フォーマットで 3D モデルを保存します。図 26-313c に STL 形式の油圧バルブブロックの 3D モデルを示す。これは 3D プリントの最初のステップです。モデルを変換した後、モデルファイルを適切なソフトウェアにインポートして完全性テストを行う。テストで問題がなければ、次のステップに進むことができます。図 26-313d に、物理オブジェクトの 3D プリントを示します。
(4) モデルのスライスを導入し、成形方向を設定する。 スライスする前に、モデルファイルをテストし、クローズドリングやアンビギュイティ現象がない技術に修復する必要がある。保存されたstlファイルをNetfabbソフトウェアに入れて検出し、検出結果を図26-314に示す。
モデルファイルをテストして問題がなければ、モデルスライスを3Dプリントソフトウェアにインポートしてプリントの準備をします。ソフトウェアにインポートした後、コンピュータのディスプレイの右側にパラメータ設定オプションが表示されます。そこで印刷品質、速度、ホットベッド温度、その他のパラメーターを設定できます。左側には油圧バルブブロックの3Dビューが表示され、モデルをドラッグして印刷することができます。左側には油圧バルブブロックの3Dビューが表示され、モデルをドラッグして移動、拡大縮小、回転などの基本操作を行うことができます。
さらに、成形方向の設定も非常に重要だ。印刷材料をどれだけ節約できるかに影響します。また、印刷時間をどれだけ短縮できるかも影響する。油圧バルブ一体型ブロックの製品特性上、構造全体の支持を設定する必要はありません。しかし、開口部の張り出し面には適切なサポートを追加する必要があります。このステップにより、プロセス全体を通してバランスの取れた印刷が保証されます。印刷後、サポート材を完全に取り除くことができます。まず、対応する設定を行います。その後、システムがファイルを保存し、関連するコードに変換します。次に、システムがそのファイルを3DプリンターのSDカードに保存します。このプロセスでスライシングが完了し、プリンターがプリントを開始する準備が整います。
(5) 油圧バルブ一体型ブロックモデル印刷・成形 印刷材料の直径を1.75 mmに、流量を100%に設定します。印刷層の厚さを0.1 mmから0.3 mmの間で調整する。層厚を0.1 mmにすると、印刷物の精度と表面品質が高くなります。ただし、印刷時間は約9時間59分と非常に長くなります。消耗品は24.91メートルで、完成品の重量は748グラムになる。準備したSDカードを3Dプリンターに挿入する。印刷前のデバッグを行い、ホットベッドとプリントヘッドを予熱します。システムが自動的にセットサポートを追加します。最後に、オリジナルモデルのセットアップに従って油圧バルブ一体型ブロックのプリントを開始します。
油圧バルブブロックを印刷するとき、バルブブロックの入口と出口の取り付け位置の要求を維持しなければならないことに注意しなければならない。また、加工代を確保する必要があります。内部流路の曲率設計は、3Dプリント材料とプリントプロセスの選択によって異なります。例えば、チタン合金Ti-6Al-4Vを使用した電子ビーム溶解（EBM）プロセスでは、円形流路のサイズに大きな自由度を持たせることができます。この自由度は、レーザー粉末床を使用して達成できるものを凌ぐ。さらに、設計者は支持構造なしで部品を製造することができます。
パウダー関連の3Dプリンティングでは、流路に残るトラップされた金属パウダーの除去も考慮する必要がある。後日、流路からすべての粉末を除去したかどうかを確認するために、CTスキャンが必要になる場合があります。捕捉された粉末が存在する場合、除去方法は化学エッチングです（図26-315参照）。化学エッチングは、捕捉された粉末の大部分を除去し、表面粗さも大幅に改善することができる。しかし、ケミカル・エッチングではまだ除去できないパウダーについては、設計者はパウダー除去ポートを追加して、パウダーの除去を容易にすることができます。さらに、設計プロセス中にいくつかの通路を移動させることで、後の段階でポートの加工を容易にすることができます。この調整により、固定具を部品の底面に残すことができます。その結果、5軸加工機を使用した1回のクランプセットアップで、油圧バルブブロックのすべてのポートを加工することができます。
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