애플리케이션 스포트라이트:3D 프린팅으로 유압 부품의 성능을 향상시키는 방법

[이미지 제공:Renishaw]

유압 부품 설계 및 제조에서 새로운 접근 방식에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 제조업체가 유압 제조에서 새로운 기회를 탐색할 수 있도록 하는 기술 중 하나는 3D 프린팅입니다.

Liebherr와 Ford에서 Bosch Rexroth에 이르기까지 기업들은 3D 프린팅으로 전환하여 보다 에너지 효율적이고 가벼우며 저렴한 유압 부품을 만들고 있습니다.

오늘의 애플리케이션 스포트라이트는 작동 중인 기술의 가장 흥미로운 예를 탐구하면서 유압 시스템 및 구성요소에 대한 3D 프린팅의 이점에 대해 자세히 설명합니다.

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유압 부품에 3D 프린팅을 사용하는 이유는 무엇입니까?

유압은 무거운 하중이 수반되거나 반복적인 동작이 필요할 때 움직임을 생성하는 가장 효율적인 방법 중 하나입니다.

유압 시스템은 펌프를 사용하여 액체에 압력을 가한 다음 그 움직임을 사용하여 크레인에서 자동차에 이르기까지 모든 것에 동력을 공급합니다.

유압은 매일 우리 주변에 있습니다. 차량, 건설장비, 건물 및 제조시설에 사용됩니다.

유압 부품은 전통적으로 기계가공이나 주조를 통해 제조됩니다. 그러나 많은 유압 장비 제조업체는 3D 프린팅을 사용하여 매니폴드, 서보 밸브 및 유압 어댑터 블록과 같은 유압 구성 요소를 생산하는 데 관심을 갖고 있습니다. 그러나 그들이 처음에 기술을 고려하게 만드는 이유는 무엇입니까?

Bosch Rexroth AG의 산업 유압 사업부 책임자인 Steffen Haack에 따르면 다음을 포함하여 유압 산업을 형성하는 많은 경향이 있습니다.

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에너지 효율성(감소된 흐름력, 감소된 압력 손실, 더 높은 효율성)

노이즈 감소

탱크 용량 감소

높은 압력 수준 및 축소된 설치 공간

향상된 재료 및 오일 특성

고가용성 및 예측 유지보수

사용자 친화성

안전

특히 금속 및 모래를 사용한 3D 프린팅은 에너지 효율성 증가 및 설치 공간 축소와 같은 이러한 추세를 주도하는 데 중요한 역할을 합니다.

어떻게? 새로운 기능을 통합하고 구성 요소의 무게와 크기를 줄이고 전체 유압 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 고급 설계를 가능하게 합니다.

유압용 3D 프린팅의 이점에 대해 자세히 알아보겠습니다.

유압 부품의 무게와 크기 줄이기

3D 프린팅을 통해 유압 부품 제조업체는 부품을 더 가볍고 작게 만들 수 있습니다.

유압 매니폴드를 예로 들어 보겠습니다. 유압 시스템의 구성 요소 간의 유체 흐름을 조절하는 데 도움이 되는 이 부품은 일반적으로 단단한 금속 블록으로 가공됩니다.

필요한 것보다 더 많은 금속을 제거하는 것은 비용이 많이 들고, 종종 초과 금속을 기계로 가공하지 않아 부품의 무게가 잠재적으로 더 커질 수 있습니다.

3D 인쇄는 매니폴드를 생산하는 데 필요한 거의 동일한 양의 재료가 필요하기 때문에 이 문제를 극복하는 데 도움이 됩니다.

Selective Laser Sintering과 같은 금속 3D 프린팅 공정에서 레이저는 부품의 마이크론-얇은 단면을 추적하여 금속 분말을 층별로 선택적으로 녹이고 융합합니다. 이를 통해 엔지니어는 CNC 가공에 필요한 것보다 적은 금속을 사용하여 부품에 들어가는 재료의 양을 제어할 수 있습니다.

3D 프린팅은 구성 요소의 무게를 줄이는 것 외에도 디자인 제약이 있는 공간에 더 잘 맞는 더 작은 부품을 가능하게 합니다. 이러한 이점으로 인해 3D 인쇄된 유압 구성 요소는 고정밀성과 경량이 필요한 응용 분야에서 특히 인기가 있습니다.

스포트라이트:Aidro의 3D 인쇄 매니폴드

3D 프린팅된 유압 부품의 한 예는 이탈리아 제조업체인 Aidro에서 나온 것입니다.

Aidro의 농업 기계에 사용되는 유압 매니폴드는 사용되는 시스템의 무게와 공간을 절약하기 위해 재설계되었습니다. 3D 인쇄된 알루미늄 매니폴드는 교체하는 장치와 동일한 기능을 수행하지만 절반은 절반입니다. 이전 매니폴드보다 크기가 75% 더 가벼워졌습니다.

부품 통합

3D 프린팅을 사용하면 여러 부품을 하나로 통합하여 부품을 더 작게 만들 수 있습니다. 이를 부품 통합이라고 합니다.

이를 통해 제조업체는 복잡한 구성요소 어셈블리를 제거할 수 있을 뿐만 아니라 누출을 유발할 수 있는 약한 접합 지점이 적기 때문에 부품의 구조적 무결성을 향상시킬 수 있습니다.

최적화 효율성

3D 프린팅을 사용하면 유압 부품의 내부 형상을 재설계하여 유체 흐름을 최적화하고 압력 강하를 줄일 수 있습니다.

다기관을 예로 들면 엔지니어는 유체 흐름 채널을 매니폴드 내부의 정확한 위치에 배치할 수 있습니다. 다양한 모양과 크기로 필요합니다. 즉, 흐름 채널이 곡선 모양을 가질 수 있고 기존 매니폴드보다 서로 더 가깝게 이격되어 완제품이 더 작고 가벼워집니다.

곡선 흐름 경로는 흐름 효율성을 30~70% 향상시킬 수 있다고 보고되었습니다.

유동 채널의 단면 모양을 재설계하는 것도 차이를 만들 수 있습니다. 예를 들어, 밸브 스풀의 유로는 회전 커터로 가공되기 때문에 일반적으로 둥근 모양입니다.

3D 프린팅을 통해 엔지니어는 유동 경로의 단면을 원형 대신 정사각형으로 설계할 수 있으므로 최대 20%까지 유동 용량을 늘리고 압력 강하를 줄일 수 있습니다.

게다가, 매니폴드와 같은 기존의 유압 구성 요소는 종종 오일 누출을 방지하기 위해 막혀야 하는 교차 드릴된 통로의 가공이 필요합니다. 그러나 이렇게 막힌 채널은 시스템 오류를 일으킬 수 있는 잠재적인 누출 경로를 생성합니다. 3D 프린팅은 처음부터 교차 드릴된 통로를 생성할 필요를 제거함으로써 이 문제를 제거합니다.

3D 인쇄 유압 부품의 더 많은 예

유압 어댑터 블록 3D 프린팅

GKN Additive는 밸브, 펌프 및 액추에이터를 연결하는 유압 시스템의 유체 흐름을 지시하는 매니폴드인 유압 어댑터 블록을 3D 인쇄했습니다.

전통적으로 사용되는 유압 블록은 내부 채널 세트가 뚫린 블록 디자인을 갖는 경향이 있습니다. 유압 블록 제조 공정은 위와 아래에서 구멍을 뚫는 것으로 시작됩니다.

수직 구멍은 수평 채널로 연결되고 나사산이 절단됩니다. 열린 수평 채널에서 오일 누출을 방지하기 위해 손잡이 나사로 막고 밀봉합니다.

그러나 이 프로세스는 여러 가지 이유로 매우 비효율적입니다. 첫째, 드릴링 및 밀링된 모서리는 후처리에서 도달하기 어려운 날카로운 버를 생성합니다. 이들은 때때로 작동 중에 끊어져 시스템 장애를 일으킬 수 있습니다.

둘째, 날카로운 모서리 연결 지점은 난류를 발생시켜 에너지 비효율을 초래합니다. 셋째, 사용하지 않는 수평 채널은 먼지를 축적하여 유압 시스템의 작동 수명을 단축시킬 수 있습니다.

3D 프린팅은 GKN Additive가 위의 문제를 극복하여 더 나은 성능의 유압 블록을 만드는 데 도움이 되었습니다.

유압 블록의 무게는 기능을 희생하지 않으면서 30kg에서 5.5kg으로 줄었습니다. 새로운 설계를 통해 과도한 재료를 제거하고 부품 내에 구멍이 겹치지 않도록 할 수 있었습니다.

또한 새로운 디자인은 사용하지 않는 수평 채널을 완전히 생략하여 먼지가 쌓일 곳이 없습니다. 마지막으로 시스템의 난류를 줄이기 위해 엔지니어들은 날카로운 내부 모서리를 부드러운 파이프라인으로 교체했습니다.

이 응용 프로그램에 대한 3D 인쇄의 이점을 요약하면 3D 인쇄를 통해 제조업체는 더 적은 재료를 사용하면서 구성 요소의 기능을 개선할 수 있었습니다. 이는 부품의 중량 감소 및 제조 비용 절감으로 이어졌습니다.

Liebherr의 3D 인쇄 유압 밸브 블록

유압을 위한 3D 프린팅의 또 다른 좋은 예는 Liebherr Group입니다. 3D 프린팅의 도움으로 회사는 항공기에 사용되는 고압 유압 밸브 블록을 재설계하여 더 가볍고 효율적으로 만들 수 있었습니다.

Liebherr 팀은 10가지 기능 요소를 새로운 밸브 블록에 통합하여 많은 가로 구멍이 있는 복잡한 배관 시스템을 제거했습니다. 그 결과 더 적은 수의 부품으로 만들어진 밸브 블록이 35% 더 가벼워졌습니다.

3D 인쇄 부품은 A380 항공기의 시험 비행에서 성공적으로 테스트되었습니다.

Domin Fluid Power 3D 프린팅으로 유체 동력 시스템을 재창조

영국에 기반을 둔 유압 시스템 제조업체인 Domin은 신호를 압력으로 변환하는 데 사용되는 고성능 직접 구동 서보 밸브를 재개발하기 위해 3D 프린팅으로 전환했습니다.

Domin은 3D 프린팅을 통해 복잡한 부품을 더 빠르고 도구 없이 제작할 수 있다고 말합니다. 예를 들어, 회사는 원래 크기의 25%이고 25% 더 강력한 드라이브 중 하나를 설계했습니다. 부품은 비용의 1/3로 생산되었으며 제조 시간은 5.5시간에서 1시간으로 단축되었습니다.

이러한 결과는 기존 방법으로는 달성할 수 없다고 Domin은 주장합니다.

Ford는 흡기 매니폴드를 3D로 인쇄합니다.

우리는 중장비 및 항공기용으로 3D 프린팅된 유압 부품의 예를 보았지만 Ford는 자동차 유압 시스템용 3D 프린팅을 개척해 왔습니다.

작년에 이 자동차 제조업체는 작업 차량 내부에 장착된 가장 큰 3D 인쇄 금속 흡기 매니폴드를 선보였습니다.

그 차량은 Ken Block의 'Hoonitruck'입니다. 포드 픽업.

이 차량은 터보차저의 공기를 엔진 실린더에 공급하기 위해 특수 흡기 매니폴드가 필요했고 Ford는 금속 3D 프린팅으로 전환하기로 결정했습니다.

이 부품은 Concept Laser 기계를 사용하여 알루미늄에서 3D 인쇄되었으며 제작에 5일이 걸렸습니다. 최첨단 CAD 소프트웨어를 사용하여 기존의 제조 방법으로는 만들 수 없는 복잡한 웹 같은 구조를 만들 수 있었습니다. 디자인은 더 나은 성능과 더 낮은 무게를 위해 최적화되었습니다. 최종 부품의 무게는 6kg에 불과합니다.

Bosch Rexroth는 매니폴드에 샌드 3D 프린팅을 사용합니다.

금속 3D 프린팅 외에도 수압 부품을 주조하는 데 사용할 수 있는 모래 코어를 3D 프린팅하는 옵션도 있습니다. 이 응용 분야에 사용된 공정을 바인더 분사라고 하며 규사 층에 결합제를 선택적으로 증착하여 작동합니다.

Bosch Rexroth는 지난 몇 년 동안 제어 블록용 캐스트 코어를 생산하기 위해 샌드 3D 프린팅을 사용해 왔습니다.

보쉬 렉스로스(Bosch Rexroth)는 이를 통해 얻을 수 있는 주요 이점 중 매니폴드의 필터와 같은 기계 구성 요소를 통합하고 최대 30%까지 무게를 줄이는 기능을 꼽았습니다.

추가적인 이점으로는 누출을 유발할 수 있는 보조 구멍의 필요성 제거 및 에너지 효율성을 개선하는 내부 흐름 채널의 최적화가 있습니다.

3D 프린팅을 통한 유압 부품의 재창조

유압 산업이 더 에너지 효율적이고 더 작은 유압 구성 요소를 만들기 위해 노력함에 따라 3D 프린팅은 더 나은 성능의 설계를 개발하고 생산할 수 있는 옵션을 제공합니다.

3D 프린팅이 가능하게 하는 리드 타임, 무게 절감, 비용 및 성능의 이점을 보고 많은 유압 부품 제조업체가 제품에 대해 이 기술을 탐색하기 시작했습니다.

앞으로 유압 부품 생산에서 3D 프린팅의 역할이 증가하여 유압 산업 내 기업이 현재와 미래의 트렌드를 따라갈 수 있을 것으로 기대합니다.