알루미늄 유압 매니폴드 블록을 제조하면 무게가 가볍다는 장점이 있지만 마모에 강하지 않다는 단점도 있습니다. 적층 제조(AM) 기술은 매니폴드 설계 및 제조에 이상적인 내부 피처와 채널을 만들 수 있습니다.
고객과 협력하여 Renishaw는 적층 제조 기술을 사용하여 현재 유압 매니폴드를 재설계했습니다. 구성 요소의 견고성을 손상시키지 않으면서도 무게를 최소화했습니다. 적층 제조는 높은 수준의 설계 자유도를 제공하며, 설계자는 이를 활용하여 유체 경로 효율성을 개선할 수 있습니다.
유압 매니폴드의 기존 제조 방식
전통적으로알루미늄 유압 매니폴드 블록의 제조는 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 블랭크를 필요한 치수로 절단 및 가공한 다음 구멍을 뚫어 유체 흐름 채널을 형성하는 것으로 시작됩니다. 구멍을 뚫는 작업이 복잡하기 때문에 특수 공구를 사용하는 경우가 많습니다. 또한 시스템을 통해 유체를 적절히 라우팅하기 위해 채널 내에 플러그가 필요합니다.
제조 공정에 내재된 한계로 인해 인접한 흐름 채널 사이에 갑작스러운 모서리가 형성되어 유체 흐름이 원활하지 않거나 정체될 수 있습니다.
순정 유압 매니폴드
알루미늄 유압 매니폴드 블록 는 내마모성이 약하고, 입자가 떨어지면 채널 표면이 긁히고 마모가 증가합니다. 이러한 이유로 스테인리스 스틸 매니폴드를 사용하는 것이 바람직할 때도 있습니다. 하지만 스테인리스 스틸은 알루미늄 합금보다 밀도가 높고 단단하며 무게와 가공 비용이 상당히 높습니다.
유압 매니폴드 설계 및 제조에 AM을 사용할 때의 이점
- 보다 효율적인 컴포넌트 기능을 위한 최적화된 흐름 경로
- 전산 유체 역학(CFD) 방법을 충분히 활용하여 설계 프로세스를 지원하는 능력
- 고정 장치 필요성 감소
- 이동식 지원 구조의 필요성 간소화
- 대폭적인 무게 감소
- 모듈 제거 액세스 필요 없음
- 크기를 대폭 줄인 매니폴드를 자유롭게 설계할 수 있습니다.
고객을 위한 직접적인 혜택
- 최대 79%의 용량 감소
- 결함이 적은 일체형 구조
- 설계 및 개발 반복 작업 가속화
- 기존 디자인과의 완벽한 호환성
- 유량 효율 601TP3% 증가
적층 가공을 위한 재설계 - 설계 범위
구성 요소를 재설계하는 과정에서 고려해야 할 클라이언트의 디자인 및 기능 요구 사항이 많이 발생했습니다.
기하학적 도형
- 정의된 연결 포트
- 흐름 채널의 내경
- 흐름 채널의 벽 두께
- 고정 위치 및 인터페이스
함수
고객의 주요 요구 사항은 강성과 기능은 그대로 유지하면서 부품의 무게를 줄이는 것이었습니다. 하지만 알루미늄 유압 매니폴드 블록의 경우 설계자는 부품 무게를 줄이되 강성을 낮추는 방식으로 이를 달성했고, 스틸 유압 매니폴드 블록의 경우 강성은 높이되 무게를 늘리는 방식으로 이를 달성했습니다.
첫 번째 디자인 반복
그들은 유압 매니폴드 기능을 제공하기 위해 부품을 필요한 채널로 분해했습니다. CAD 소프트웨어를 사용하여 원래 교차 드릴링된 설계의 흐름 경로를 추출하고 불필요한 드릴링 영역을 제거하여 필요한 배관 네트워크만 남겼습니다.
그 후 각 유압 라인이 축소되고 단순화되었습니다. 엔지니어들은 CFD 분석을 통해 유체 흐름이 원활하지 않고 정체된 부분을 파악한 후 유체 경로 최적화를 구현했습니다.
이 경우 엔지니어는 고객이 제공한 사양에 따라 벽 두께를 생성하며, CFD 분석 중에 측정한 압력 판독값을 기반으로 유한 요소 해석(FEA) 응력 모델을 사용하여 벽 두께를 달성할 수 있습니다.
마지막으로 CAD 지오메트리에 영구적인 지지 구조를 설계하고 추가하여 효율적인 자립 구조를 만들었습니다.
첫 번째 설계 반복을 통해 매니폴드 부피는 52% 감소하고 유량 효율은 기존보다 60% 증가했습니다.
2세대 디자인 반복
원래 매니폴드 설계자는 여러 장치가 직렬로 장착된 모듈에서 사용하려고 했습니다. 작업자는 때때로 서비스를 위해 개별 유압 매니폴드를 순서에서 제거해야 했기 때문에 나사산으로 '모듈 제거' 액세스가 필요했습니다.
첫 번째 반복 작업 후 적층 제조된 지오메트리를 통해 엔지니어는 도구 없이 수동으로 매니폴드를 제거할 수 있어 모듈 제거 채널이 필요하지 않았습니다.
설계의 첫 번째 반복은 원래의 솔리드 블록보다 훨씬 작았기 때문에 후속 가공 중에 반복 1이 구부러지거나 비틀림 변형 및/또는 진동할 수 있다는 우려가 있었습니다. 하지만 이러한 우려는 기우에 불과했습니다. 두 번째 설계 반복을 통해 최종 매니폴드 부피는 원래 매니폴드의 21%에 불과한 반면 매니폴드 강성은 더욱 향상되었습니다.
이렇게 매니폴드 부피를 크게 줄였기 때문에 2차 반복 생산에 더 적합한 316L 스테인리스 스틸을 사용할 수 있었습니다. 두 번째 설계 반복 후 엔지니어들은 더 밀도가 높은 재료로 가공하여 매니폴드의 순중량을 37% 줄였습니다.
결과 요약
| 디자인 단계 | 자료 | 부피(cm³) | 수량 |
| 오리지널 알루미늄 유압 매니폴드 블록 | 알루미늄 | 9600 | 25.6 |
| 적층 제조의 첫 번째 설계 반복 | 알루미늄 | 4650(-52%) | 12.3 |
| 적층 가공 2차 설계 반복 | 316L 스테인리스 스틸 | 2040(-79%) | 11.3 |
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