3D 프린팅이 유압 부품 설계와 성능을 혁신하는 방법

[이미지 크레딧: 레니쇼]
 
유압 부품 설계와 제조에 대한 새로운 접근 수요가 증가하고 있습니다. 제조사가 유압 제조 분야에서 새로운 기회를 탐색할 수 있게 하는 기술 중 하나가 3D 프린팅입니다.
 
리브헬과 포드부터 보쉬 렉스로스까지 기업들은 3D 프린팅으로 더 에너지 효율적이고 가볍고 저렴한 유압 부품을 만듭니다.
 
오늘의 애플리케이션 스포트라이트는 유압 시스템과 부품에 대한 3D 프린팅의 이점을 파고들며, 기술이 실제 적용된 가장 흥미로운 사례들을 탐구합니다.
 
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왜 유압 부품에 3D 프린팅을 사용하는가?

 
유압은 중량물 취급이나 반복 운동이 필요할 때 움직임을 생성하는 가장 효율적인 방법 중 하나입니다.
 
유압 시스템은 펌프로 액체를 가압하고, 그 움직임을 크레인부터 자동차까지 모든 동력으로 사용합니다.
 
유압은 우리 일상 곳곳에 있습니다. 차량, 건설 장비, 건물, 제조 시설에 사용됩니다.
 
유압 부품은 전통적으로 가공이나 주조로 제조됩니다. 그러나 많은 유압 장비 제조사들이 매니폴드, 서보 밸브, 유압 어댑터 블록 같은 유압 부품을 3D 프린팅으로 생산하는 데 관심을 보입니다. 처음에 무엇이 이 기술을 고려하게 만드나요?
 
보쉬 렉스로스 AG 산업 유압 사업부 총괄 슈테펜 하크에 따르면 유압 산업을 형성하는 많은 트렌드가 있습니다:

• 에너지 효율(유동 힘 감소, 압력 손실 감소, 효율 향상)
• 소음 감소
• 탱크 부피 감소
• 더 높은 압력 레벨과 설치 공간 감소
• 향상된 소재 및 오일 특성
• 더 높은 가용성과 예측 유지보수
• 사용자 친화성
• 안전성

3D 프린팅, 특히 금속과 모래는 에너지 효율 증대와 설치 공간 축소 같은 일부 트렌드를 이끄는 데 중요한 역할을 합니다.
 
어떻게? 새로운 기능을 통합하고 부품 무게와 크기를 줄이며 전체 유압 시스템 성능을 개선하는 고급 설계를 가능하게 함으로써.
 
유압 분야에서 3D 프린팅의 이점을 더 깊이 살펴보겠습니다.
 

유압 부품의 무게와 크기 감소

3D 프린팅은 유압 부품 제조사가 부품을 더 가볍고 작게 만들 수 있게 합니다.
 
유압 매니폴드를 예로 들어보겠습니다. 이 부품은 유압 시스템 구성요소 간 유체 흐름을 조절하며, 통상 금속 통 블록에서 가공됩니다.
 
필요 이상으로 과도한 금속을 제거하는 것은 비용이 많이 들고, 자주 과도한 금속이 깎이지 않아 잠재적 무게보다 무거운 부품이 됩니다.
 
3D 프린팅은 매니폴드 생산에 필요한 소재량과 거의 같은 양만 필요하므로 이 문제를 해결합니다.
 
선택적 레이저 소결 같은 금속 3D 프린팅 공정에서 레이저가 부품의 미크론 두께 단면을 추적하며 금속 분말을 층층이 선택적으로 녹여 융합합니다. 이는 엔지니어가 부품에 투입되는 소재량을 제어해 CNC 가공보다 적은 금속을 사용하게 합니다.
 
부품 무게 감소 외에도 3D 프린팅은 설계 제약 공간에 더 잘 맞는 더 콤팩트한 부품을 가능하게 합니다. 이 이점은 고정밀과 경량이 요구되는 애플리케이션에서 3D 프린팅 유압 부품을 특히 매력적으로 만듭니다.
 
스포트라이트: 아이드로의 3D 프린팅 매니폴드

 
이탈리아 제조사 아이드로의 3D 프린팅 유압 부품 사례입니다.
 
농업 기계에 사용되는 아이드로의 유압 매니폴드는 시스템에서 무게와 공간을 절약하도록 재설계되었습니다. 3D 프린팅 알루미늄 매니폴드는 대체품과 동일한 기능을 수행하지만 크기는 절반, 무게는 75% 더 가볍습니다.
 
부품 통합

3D 프린팅은 여러 부품을 하나로 통합해 부품을 더 작게 만들 수 있게 합니다. 이를 부품 통합이라 합니다.
 
이를 통해 제조사는 복잡한 부품 조립을 없애고, 누출을 유발할 수 있는 약한 결합 지점을 줄여 부품의 구조적 무결성을 높일 수 있습니다.
 

효율 최적화

3D 프린팅은 유압 부품 내부 형상을 재설계해 유체 흐름을 최적화하고 압력 강하를 줄일 수 있게 합니다.
 
매니폴드를 예로 들면, 엔지니어는 유체 흐름 채널을 매니폴드 내부에 필요한 곳에 정확히, 다양한 모양과 크기로 배치할 수 있습니다. 이는 흐름 채널이 곡선 형태를 띠고 기존 매니폴드보다 더 가까이 배치될 수 있음을 의미해 완제품을 더 콤팩트하고 가볍게 만듭니다.
 
곡선 흐름 경로는 유동 효율을 30~70% 개선할 수 있다고 보고됩니다.

 
흐름 채널 단면 형상 재설계도 차이를 만듭니다. 예를 들어 밸브 스풀의 흐름 경로는 회전 커터로 가공되므로 일반적으로 원형 단면을 가집니다.
 
3D 프린팅으로 엔지니어는 흐름 경로 단면을 원형 대신 정사각형으로 설계할 수 있어 유량을 최대 20% 늘리고 압력 강하를 줄일 수 있습니다.
 
또한 기존 유압 부품인 매니폴드는 교차 드릴링 통로가 필요하며 이후 오일 누출 방지를 위해 플러그로 막아야 합니다. 하지만 이 플러그된 채널은 시스템 고장을 유발할 잠재적 누출 경로가 됩니다. 3D 프린팅은 애초에 교차 드릴링 통로를 만들 필요를 없애 이 문제를 해결합니다.
 

3D 프린팅 유압 부품의 더 많은 사례

유압 어댑터 블록 3D 프린팅

 
GKN 애디티브가 유압 어댑터 블록을 3D 프린팅했습니다. 이는 유압 시스템에서 유체 흐름을 유도하는 매니폴드로 밸브, 펌프, 액추에이터를 연결합니다.
 
기존 유압 블록은 블록형 디자인에 내부 채널을 드릴링한 형태입니다. 제조는 위에서 아래 구멍을 뚫는 것으로 시작합니다.
 
수직 구멍을 수평 채널로 연결하고 나사산을 깎습니다. 열린 수평 채널에서 오일 누출을 막기 위해 그럽 스크류로 막고 밀봉합니다.
 
그러나 이 공정은 여러 이유로 비효율적입니다. 첫째, 드릴링과 밀링 모서리가 날카로운 버를 만들어 후처리에서 도달하기 어렵습니다. 이들이 작동 중 부러져 시스템 고장을 일으킬 수 있습니다.
 
둘째, 날카로운 코너 연결 지점이 난류를 만들어 에너지 비효율을 초래합니다. 셋째, 사용하지 않는 수평 채널에 먼지가 쌓여 유압 시스템 수명을 단축합니다.
 
3D 프린팅은 GKN 애디티브가 위 과제를 극복해 더 나은 성능의 유압 블록을 만들게 도왔습니다.
 
유압 블록 무게가 30kg에서 5.5kg으로 줄어 기능 저하 없이 경량화되었습니다. 새 설계로 과도한 소재를 제거하고 부품 내 보어 중복을 없앴습니다.
 
또한 새 설계는 사용하지 않는 수평 채널을 완전히 생략해 먼지 쌓임이 없습니다. 마지막으로 시스템 내 난류를 줄이기 위해 날카로운 내부 코너를 매끄러운 파이프라인으로 대체했습니다.
 
이 애플리케이션에서 3D 프린팅의 이점을 요약하면, 제조사가 더 적은 소재를 사용하면서 부품 기능을 개선할 수 있게 했습니다. 이는 부품 무게 감소와 제조 비용 절감으로 이어졌습니다.
 

리브헬의 3D 프린팅 유압 밸브 블록

 
리브헬 그룹의 또 다른 좋은 사례입니다. 3D 프린팅 도움으로 항공기용 고압 유압 밸브 블록을 재설계해 더 가볍고 효율적으로 만들었습니다.
 
리브헬 팀은 새 밸브 블록에 10개 기능 요소를 통합해 복잡한 파이프 시스템과 수많은 횡방향 보어를 제거했습니다. 결과는 35% 더 가벼운 밸브 블록으로, 부품 수가 더 적습니다.
 
3D 프린팅 부품은 A380 항공기 시험 비행에서 성공적으로 테스트되었습니다.
 

도민 플루이드 파워, 3D 프린팅으로 유체 동력 시스템 재구상

 
영국 유압 시스템 제조사 도민은 고성능 직접 구동 서보 밸브를 3D 프린팅으로 재개발했습니다. 이는 신호를 압력으로 변환하는 데 사용됩니다.
 
도민은 3D 프린팅으로 복잡한 부품을 툴링 없이 더 빠르게 만들 수 있다고 말합니다. 예를 들어, 회사는 드라이브 중 하나를 원래 크기의 25%로 만들고 출력은 25% 더 강력하게 설계했습니다. 부품은 1/3 비용으로 생산되었고, 제조 시간은 5.5시간에서 단 1시간으로 단축되었습니다.
 
도민은 이러한 결과가 기존 방식으로는 불가능하다고 주장합니다.
 

포드, 흡기 매니폴드 3D 프린팅

중장비와 항공기용 유압 부품 3D 프린팅 사례를 봤지만, 포드는 자동차 유압 시스템에 3D 프린팅을 개척해왔습니다.
 
작년 포드는 실제 차량에 장착된 최대 크기 금속 3D 프린팅 흡기 매니폴드라고 주장하는 부품을 선보였습니다.
 
그 차량은 켄 블록의 ‘훈잇트럭’ 포드 픽업입니다.

 
차량은 터보차저에서 엔진 실린더로 공기를 공급하는 특수 흡기 매니폴드가 필요했고, 포드는 금속 3D 프린팅을 선택했습니다.
 
부품은 컨셉 레이저 머신으로 알루미늄으로 3D 프린팅되었으며 5일이 걸렸습니다. 최첨단 CAD 소프트웨어로 기존 제조법으로는 불가능한 복잡한 웹 구조를 만들 수 있었습니다. 설계는 더 나은 성능과 경량화에 최적화되어 최종 부품 무겨은 단 6kg입니다.
 

보쉬 렉스로스, 매니폴드용 모래 3D 프린팅 활용

 
금속 3D 프린팅 외에도 이후 유압 부품 주조에 사용할 모래 코어를 3D 프린팅할 수 있습니다. 이 공정은 바인더 제팅이라 하며, 실리카 모래 층에 결합제를 선택적으로 증착해 작동합니다.
 
보쉬 렉스로스는 수년간 컨트롤 블록 주조 코어 생산에 모래 3D 프린팅을 사용해왔습니다.
 
주요 이점으로는 매니폴드에 필터 같은 기계 부품 통합 능력, 최대 30% 무게 감소가 있습니다.
 
추가 이점으로는 누출을 유발할 수 있는 보조 구멍 불필요, 내부 흐름 채널 최적화로 에너지 효율 개선이 있습니다.
 

3D 프린팅으로 유압 부품 재구상

유압 산업이 더 에너지 효율적이고 작은 유압 부품을 추구함에 따라 3D 프린팅은 더 나은 성능의 설계를 개발하고 생산하는 옵션을 제공합니다.
 
리드 타임, 무게 절감, 3D 프린팅이 가능케 하는 비용과 성능 이점을 보며 많은 유압 부품 제조사들이 자사 제품에 이 기술을 탐색하기 시작했습니다.
 
앞으로 유압 부품 생산에서 3D 프린팅의 역할이 증가할 것으로 기대되며, 유압 산업 기업들이 현재와 미래 트렌드에 발맞추는 데 도움이 될 것입니다.