3D 打印技术对液压阀块加工产生颠覆性影响
三维打印在液压领域的应用包括液压元件部件（见图 26-307）、液压阀块（见图 26-308）和液压铸造用砂型。使用 3D 打印技术生产液压阀块是重点之一。液压插装阀块的三维打印是三维打印在工业应用中最具代表性和最成功的例子。由于使用了三维打印技术，插装阀块的加工效果非常显著。
这些结果表明，设计一个非常复杂的内部流道可以大大减轻重量，提高液压元件的功率重量比。这种设计简化并加快了加工过程，使其高效且经济。它优化了液压流道的形状，减少了摩擦阻力和局部阻力，从而降低了液压流道造成的功率损耗。它还是直接连接阀块的 CAD 设计和 CAE 加工，实现现代化加工方法的最佳手段。总之，为阀块加工技术带来颠覆性变革。
3D 打印为企业生产带来的好处可简要列举如下。
1) 设计自由、个性化、简化、轻便、免装配。
2）无需模具，可快速迭代，灵活制造原型。
3）缩短交货时间，生产时间从几周缩短到几天，包括有利的维护应急措施。
4) 高效节能。
5）优化阀体内部流道，减少阀体压力损失，降低液压能量损失。
6）减少工艺堵塞，也减少了可能的泄漏点。
7）设计自由度更高，可利用的内部和外部零件几何形状更多。
8) 优化设计，降低质量。
9）功能集成度更高，体积更小。
10）更好地实现对机械特性的控制。
目前，国内外在增材制造（AM）方面的研发十分活跃，如博世力士乐正在开发3D打印液压系统，尤其是其中的伺服阀。项目合作伙伴包括德国著名机床家族企业通快（TRUMPF）和粉末材料制造专家贺利氏（Heraeus）。中国的液压企业也已在这一领域有所应用，如赛克斯液压技术有限公司（Sykes Hydraulic Technology Co.
然而，目前的发展仍面临许多挑战。除了3D打印技术本身的效率和质量一致性的挑战外，认证也是另一个难题。如何应对在复杂恶劣的条件下应用3D打印技术制造液压产品的复杂性，中国企业还缺乏一套完整的思路。行业需要尽快建立完善的公共服务体系。这将有助于使这项新技术成为提高生产力的工具。行业需要建立公共服务体系，使这项新技术成为生产力发展的工具。
目前，液压阀块增材制造的应用仍处于新产品开发的设计验证阶段。它还可用于单件小批量生产和特殊复杂零件的制造。此外，增材制造还可用于快速模具生产。从 3D 打印制造发展的角度来看，该技术将在未来发挥重要作用。它将成为加工液压集成 阀块 批量生产。与传统制造的液压部件相比，金属三维打印技术在航空航天液压领域取得了重大改进。该技术的最早应用减轻了主飞行控制液压部件的重量。此外，还减少了 10 个零件（见图 26-308c）。
三维打印对液压阀块整体设计过程及其制造的影响
液压集成块由具有复杂流道的阀体组成。内部包括油孔、定位孔、连接螺孔和块体安装孔。此外，集成块还具有插装阀插件安装孔和插装阀横向油道。同时，为了保证孔的正确连接而不产生干涉，有时还会设置一些工艺孔。
液压阀块的设计应满足安装约束、连接约束和加工约束。阀块的外表面应为阀部件提供足够的安装空间，确保阀部件之间互不干扰。所有孔必须满足连通性和非连通性的要求。必须确保壁厚的安全性。每个孔的直径和深度都应在可加工范围内。液压阀块的设计准则就是在满足这三个约束条件下，做到油路简单、体积小、重量轻。
传统的液压阀块加工需要预处理、机加工、去毛刺、清洗等工序（见图 26-309a）。我们进行预处理主要是为了对阀块材料进行检查或无损检测。这一步骤可确保材料内部结构致密。它还能验证材料是否有沙眼和夹层。在加工过程中，我们首先对毛坯进行铣削、刨削和其他加工，从而大致成型阀块。
然后，我们用钳子进行划线，控制阀块表面的粗糙度，防止出现泄漏等问题。加工完成后，我们会对阀块进行去毛刺处理，以确保其光滑度。在清洗阶段，我们使用防锈清洗液并施加一定的压力来清洗阀块的盲孔和其他部件，避免残留任何污垢和碎屑。在液压阀块的传统加工过程中，我们会遇到装夹繁琐等问题，在控制形状和位置公差方面也会遇到困难。
我们对孔进行钻孔、扩孔、镗孔、铰孔等加工，工艺复杂而精细。液压集成块体积大，孔道交叉混杂，增加了加工难度。传统的加工方法会使加工完成的液压集成块形成十字形流道。这种设计增加了局部阻尼，不可避免地增加了液压损失。
通过三维打印技术，可以获得更高的设计自由度。三维打印阀块的设计可实现阀块设计技术的创新。我们可以优化内部流道，而不必考虑交叉钻孔的设计限制。由于三维打印涉及金属粉末的分层（见图 26-309b），我们可以预先优化内部流道的设计，并将交叉角设计成圆弧形弯曲。这种方法可减少流道的阻尼，最大限度地降低液压系统的局部损耗。
与传统设计相比，我们还能缩小整个阀块的体积，避免阀块结合面可能出现的泄漏。三维打印加工和制造还避免了形状和位置公差难以控制等问题。基本满足了形状和位置控制要求。此外，3D 打印还消除了与传统加工相关的夹紧问题。它还减少了除歧管外不必要的金属质量，实现了阀体的轻量化。
三维打印对改进液压阀块流道设计的影响
在传统的孔口设计中，不可避免地要提供一个 T 形或十字形的孔口系统，以实现通过能力（见图 26-310a）。与此相反，在 3D 打印中，完全可以根据尽量减少流道水力阻尼的原则进行设计（见图 26-310b）。图 26-311 显示了在相同流速下比较不同流道压力损失的结果。这一结果表明，改变阀块中流道的形状可以减少阀块的压力损失。
液压插装阀通用阀块的印刷工艺
(1) 选择合适的 3D 打印设备和方法 根据液压阀块的材料要求选择合适的 3D 打印设备。用于液压元件的 3D 打印技术如下：
1) 金属粉末注射成型（MIM）技术是一种精密金属加工工艺，需要性能更好的粘结剂。
2) 熔融沉积建模（FDM）技术中使用的金属丝（或颗粒）与一般塑料 FDM 的工艺相同。两者都使用熔融挤出和逐层成型。不同之处在于，金属 FDM 中的大多数耗材都由金属粉末和有机粘合剂的混合物组成。17-4PH 和 316L 不锈钢是用于粘合剂注射技术和熔融沉积成型技术的主流材料。
3）粘合剂注射成型（BI）技术是一种增材制造方法，通过喷射粘合剂来成型粉末。该技术与许多使用粉末床的激光烧结技术类似，采用喷墨打印头将粘合剂喷射到粉末上。粉末层粘合在一起，实现成型。这项技术的早期研究重点是砂型铸造成型。
4) 激光粉末床熔融（LB-PBF）技术，又称选择性激光熔融，是一种基于粉末床的增材制造工艺。它使用高能激光束对粉末进行逐点扫描，以实现冶金结合，从而打印出高性能的零件。我们可以使用铝合金、钛合金、镍基合金、铁合金和贵金属合金等材料。此外，我们目前正在开发其他材料，包括镁合金。从理论上讲，我们可以利用 LB-PBF 技术加工任何可焊接材料，包括聚乳酸 (PLA) 材料，这是一种由可再生资源制成的热塑性塑料。
图 26-312 展示了使用 3D 打印加工零件的选项。我们发现，3D 打印技术非常适合液压阀块和液压阀芯的制造。3D打印技术的主要应用有PBF选择性熔融金属3D打印技术、BJ粘结剂喷射金属3D打印技术，此外还可以通过粘结剂喷射的方式实现3D打印砂模与铸件的结合。
还有一种是选择激光熔化（SLM）技术制造伺服阀，直径为 30~60um 的球形金属粉末，采用高精度激光熔化。每道工序只需确定几微米的熔化厚度。然后逐层堆积，得到所需的腔体。
(2)用于 3D 打印材料问题的液压阀块 传统的插装阀阀块材料大致分为以下几类：铸铁、锻钢、型材、不锈钢和铝合金。铸件可能无法紧密贴合，而且薄壁容易泄漏。一般情况下，我们不选用铸件。相反，我们通常使用 Q235A 板和 35 号锻钢。当要求不高时，我们也可能使用 45 或 50 模具钢板或优质碳素结构钢进行切割和生产。一般尺寸不宜过大，应用压力可超过 31.5 兆帕。我们通常使用 6061-T6、7075-T6 和 2A12 等铝合金。
由于铝合金的结构强度有限，我们通常将其用于 25 兆帕以下的中低压场合。根据使用场景的要求，我们也会使用不锈钢来制作阀块本体。例如，水液压或水基液压介质就使用此类材料作为阀体材料。
从 3D 打印的角度来看，液压系统中的阀块需要锻造级的性能。3D 打印可以生产从 AISI 304 到 316L 的不锈钢部件。它还可以处理铝、钛和镍基合金。此外，3D 打印设备还可以小批量生产一些新材料。液压产品的材料必须足够坚固和耐腐蚀，以安全地承受液压系统的高压。可用的材料包括碳钢、不锈钢和铝。这些材料包括 AISI304、AISI316L 和 17-4PH 等不锈钢。还包括 AISi10Mg 等铝合金。此外，我们还使用 Ti6AI4V 等钛合金、IN625 或 IN718 等高温镍基合金以及马氏体时效钢。我们使用钛合金进行印刷，因为它们重量轻、机械性能稳定、耐腐蚀性好。
(3) 液压阀集成块结构模型数据转换和检测 根据三维打印的特点，需要利用计算机辅助设计软件实现液压阀集成块结构的三维模型设计图。液压阀集成块三维打印模型的生成过程如图 26-313 所示。图 26-313a 显示了整体三维图。图 26-313b 显示该图的空间结构。
要对液压阀集成块结构模型进行下一步操作，需要设计 SolidWorks 三维图形文件。将这些文件转换为 STL 格式。我们以 STL 格式保存三维模型，它使用三角形网格来表示液压阀块结构的各个面。图 26-313c 显示了 STL 格式的液压阀块 3D 模型。这是 3D 打印的第一步。转换模型后，将模型文件导入适当的软件进行完整性测试。如果测试没有发现问题，就可以进行下一步。实物的 3D 打印如图 26-313d 所示。
(4) 引入模型切片并设置成型方向 切片前要对模型文件进行检测，修复成技术上没有闭环和模糊现象。将保存的 stl 文件放入 Netfabb 软件中进行检测，检测结果如图 26-314 所示。
测试模型文件没有问题后，我们就可以将模型切片导入三维打印软件，为打印做准备了。导入软件后，电脑显示屏右侧会显示参数设置选项。您可以在这里设置打印质量、速度、热床温度等参数。左侧显示液压阀块的三维视图，您可以拖动模型进行打印。左侧显示液压阀块的三维视图，您可以拖动模型进行移动、缩放和旋转等基本操作。
此外，成型方向的设置也非常重要。它影响到我们节省印刷材料的程度。它还影响到我们能在多大程度上缩短印刷时间。针对液压阀集成块的产品特点，不需要对整个结构设置支撑。但需要在开孔的悬空面上添加适当的支撑。这一步骤可确保整个印刷过程的平衡。打印完成后，可以完全移除支撑材料。首先，配置相应的设置。然后，系统将保存文件并将其转换为相关代码。接下来，系统会将文件存入 3D 打印机的 SD 卡中。这一过程完成了切片，并为打印机开始打印做好了准备。
(5) 液压阀集成块模型打印和成型 将打印材料的直径设为 1.75 毫米，流速设为 100%。在 0.1 毫米和 0.3 毫米之间调整打印层厚度。当打印层厚度为 0.1 毫米时，打印实体将获得更高的精度和表面质量。但打印时间会很长，约为 9 小时 59 分钟。将准备好的 SD 卡插入 3D 打印机。执行打印前调试，预热热床和打印头。系统会自动添加设定好的支架。最后，按照原始模型设置开始打印液压阀集成块。结果如图 26-313d 所示。
请注意，在打印液压阀块时，必须保持阀块入口和出口的安装位置要求。您还需要确保加工余量设计。内部流道曲率的设计取决于您所选择的 3D 打印材料和打印工艺。例如，使用钛合金 Ti-6Al-4V 的电子束熔融 (EBM) 工艺允许设计人员在圆形通道的尺寸上有更大的自由度。这种自由度超过了使用激光粉末床所能达到的效果。此外，设计人员还可以在没有支撑结构的情况下生产零件。
在与粉末有关的 3D 打印中，我们还需要考虑清除残留在通道中的金属粉末。之后，我们可能需要进行 CT 扫描，以验证是否已清除通道中的所有粉末。如果存在残留粉末，清除方法是化学蚀刻（见图 26-315）。化学蚀刻可去除大部分残留粉末，还能显著改善表面粗糙度。不过，对于化学蚀刻仍无法去除的粉末，设计人员可以增加额外的粉末去除口，以方便粉末去除。此外，在设计过程中，还可以通过移动一些通道来减轻后期加工端口的难度。这种调整可使夹具保持在零件底部。因此，您可以使用五轴机床在一次装夹设置中加工液压阀块上的所有端口。
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