油圧制御マニホールド は、多くのパイプが組み合わされ、交差する複雑なアセンブリである。従来、メーカーは油圧制御マニホールドの断面を機械加工し、クロスドリル加工してきた。しかし、角度加工の制約から、この方法では流体効率を最も効率的に最適化することはできません。さらに、流量を調整するには、流路の内側にプラグを追加する必要があることが多く、一貫した加工精度を維持するための課題となっています。
3Dサイエンスバレーは、ZhuoYiの油圧ブロック最適化ソリューションを紹介したが、今回、ZhuoYiは、材料体積を半分にスリム化した油圧ブロックをベースに、さらに最後まで最適化し、今回も材料体積を半分にスリム化した...。
新しいストーリーを始める前に、油圧コントロール・マニホールドを最初にどのように最適化したかを一緒に振り返ってみよう。
下の画像は、流体ブロックの一部にターミナル・プラグを組み込むためのクロス・ドリルの穴を加工した構造で、流体流路の内側に90度の垂直クロスがあり、流体の方向に90度曲がっている。
VFD解析の結果、低流量に直面する領域もあれば、乱流に直面する領域もあることがわかった。流れパターンをさらに調整するためには、内部プラグを使用する必要があるが、これは複雑さを増し、流体が急カーブを通過する必要性を排除するものではない。流体力学の観点からは、従来から機械加工されてきた油圧一体型ブロックの設計には改善の大きな可能性がありましたが、当時は3Dプリンティング技術によって提供される柔軟性がありませんでした。
金属粉末を層ごとに溶かして製品を製造する選択的レーザー溶融積層造形技術により、不要なバルブ本体の重量を減らしながら、流体流路の設計を事前に最適化することができます。
ステップ1：流体経路の抽出
これは、金属の固まりから始める従来の機械加工とは異なり、従来の機械加工用の流体が通る部分ではなく、機械加工の必要性のために開けられた穴の部分を取り除くことになる。流体が通るパイプと機能的なマニホールドを残す。右側が最終的に取り出されたデザイン。
ステップ2：フロー形状の最適化
今、私たちは、クロスドリリング設計によって課される制約なしに、流体流路を縮小・単純化し始め、設計において鋭角なコーナーを丸みを帯びたベンドに置き換えることによって乱流を減少させることを目指しています。画像は、流れの分離と淀みゾーンを特定する流路コンセプトを示しています。
ステップ3：肉厚と支持構造の決定
流体経路を最適化したら、有限要素解析（FEA）応力モデルを使用して流体力学的圧力を計算・解析するために、壁の厚さと支持構造を決定する必要があります。
最後に、サポート構造はコンポーネントをつなぎ合わせる足場として機能し、ビルドプロセスではビルドサポートとアンカーの役割を果たす。
この素晴らしい例は、油圧バルブブロックの重量を50％削減するだけでなく、流体の流れの効率を改善し、さらなる組み立ての必要性を回避し、バルブボディの性能と安定性を向上させる。
2回目の設計では、バルブブロックは直列で使用されるため、ブロックが破損した場合、個別に分解して修理する必要があることを考慮し、これらのブロックが簡単に取り外せるようにしました。また、仕上げ工程でのブロックのビビリを防止するため、部品の剛性を高めることも考慮し、2回目の設計では、材質をアルミからステンレスに変更しました。
2回目の反復では、材料量を79%削減することができた。積層造形時間の短縮は、溶融が必要な材料の量に大きく依存するため、重要であった。この節約は、材料効率の改善、加工時間とコストの削減という2つの要因からもたらされた。
それだけでなく、油圧制御マニホールドの性能を大幅に改善し、既存の設計との互換性を確保しながら、流量効率を60％向上させました。また、より強度の高い材料を使用することで、油圧制御マニホールドの故障確率を大幅に低減しました。
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