由于增材制造 (AM) 技術(shù)能夠構(gòu)建內(nèi)部特征和 通道，因此非常適合用于設(shè)計(jì)和制造歧管。雷尼紹與客戶攜手合作，以增材制造技術(shù)為導(dǎo)向，重新對客戶當(dāng)前的液壓歧管進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目的主要目標(biāo)是在不影響組件堅(jiān)固性的前提下，盡量減輕其重量。由于增材制造技術(shù)具有很高的設(shè)計(jì)自由度，因此設(shè)計(jì)人員可以依托這一優(yōu)勢來提高流動通道的效率。

什么是液壓歧管?
      液壓歧管用于引導(dǎo)液壓系統(tǒng)連接閥、泵和傳動 機(jī)構(gòu)內(nèi)的液體流動。它使得設(shè)計(jì)工程師可以將對液 壓回路的控制集成在一個緊湊的單元內(nèi)。液壓歧管的傳統(tǒng)制造方法傳統(tǒng)上，要制造液壓歧管，首先要切割和加 工鋁合金或不銹鋼坯料，使其達(dá)到規(guī)定的尺寸， 之后進(jìn)行鉆孔以形成液體流動通道。由于要完成 復(fù)雜鉆孔，因此通常會用到特殊工具。通道內(nèi)還 需要一些堵塞頭，以正確引導(dǎo)液體在系統(tǒng)內(nèi)的流 動路線。
      制造工藝固有的局限性會導(dǎo)致相鄰流動通道 之間形成突兀的拐角，造成液體流動不暢和/或停 滯，這是效率損失的一個重要原因。鋁合金歧管由于材料成本不高且易于加工， 通常造價(jià)較為低廉，但是其耐磨性較差，因此任 何掉落的顆粒都會刮擦通道表面并加劇磨損。鑒 于此，使用不銹鋼歧管有時更為理想。然而，由 于不銹鋼的密度和硬度比鋁合金高，導(dǎo)致重量和 加工成本明顯增加。

原始液壓歧管。對流動通道進(jìn)行交叉鉆孔并插入堵塞頭，以引 導(dǎo)液體的流動路線

利用AM設(shè)計(jì)和制造液壓歧管的優(yōu)點(diǎn)
? 優(yōu)化流動通道，實(shí)現(xiàn)更高效的組件功能
? 能夠充分利用計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 方法來輔助 設(shè)計(jì)過程
? 降低對夾具的需求
? 精簡對可去除支撐結(jié)構(gòu)的需求
? 可顯著減輕重量
? 無需模塊取出通道
? 由于具有充分的設(shè)計(jì)自由度，因此可設(shè)計(jì)出體積 大幅縮減的歧管

為客戶帶來的直接好處:
? 質(zhì)量減少高達(dá)79%
? 單件式構(gòu)造，缺陷更少 ? 加快設(shè)計(jì)和開發(fā)迭代
? 與現(xiàn)有設(shè)計(jì)完全兼容
? 流動效率提高60%

首次迭代幾何形狀。將流動通道取出，進(jìn)行優(yōu)化并設(shè)置壁厚。 支撐結(jié)構(gòu)用于固定流動通道并連接固定位置

基于增材制造重新設(shè)計(jì) — 設(shè)計(jì)范圍
    增材制造技術(shù)允許更高的設(shè)計(jì)自由度，因此可 基于該技術(shù)的特點(diǎn)調(diào)整組件結(jié)構(gòu)，從而在組件幾何 空間不變的情況下減輕材料重量并改進(jìn)功能。在重 新設(shè)計(jì)組件的過程中，客戶向雷尼紹提出了一些需 要考慮的設(shè)計(jì)和功能要求:
幾何形狀
? 確定的連接端口
? 流動通道的內(nèi)徑
? 流動通道的壁厚
? 固定位置和接口

功能
客戶的主要訴求是減輕組件重量，同時保持硬 度和功能不變。雷尼紹設(shè)計(jì)工程師在基于AM的特 點(diǎn)重新設(shè)計(jì)時也確認(rèn)了這一設(shè)計(jì)范圍，以便提高系 統(tǒng)內(nèi)流動通道的效率。

首次設(shè)計(jì)迭代
第一步是將零件解構(gòu)成可提供液壓歧管功能的 必要通道。使用CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))軟件將原 始交叉鉆孔設(shè)計(jì)的流動通道提取出來，并移除流動 通道不需要的鉆孔區(qū)域，只留下必要的管道網(wǎng)絡(luò)。

隨后，減少和簡化每個液壓管路，以便使用 SOLIDWORKS Flow Simulation(流體力學(xué)仿真) 工具進(jìn)行分段計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 分析。
接下來，通過CFD分析確定液體流動不暢和停 滯的區(qū)域后，對流動通道實(shí)施優(yōu)化。

然后，根據(jù)此案例中客戶提供的技術(shù)指標(biāo)生成 壁厚，當(dāng)然也可以使用有限元分析 (FEA) 應(yīng)力模 型，基于CFD分析期間采集的壓力讀數(shù)來實(shí)現(xiàn)。


最后，設(shè)計(jì)永久支撐結(jié)構(gòu)并將其添加到CAD幾 何形狀中，創(chuàng)建一個高效的自承式結(jié)構(gòu)。通常，支 撐結(jié)構(gòu)會在組件設(shè)計(jì)的最后階段被添加到最終幾何 形狀中，以便將零件固定到底板上并起到導(dǎo)熱作用 — 但是，將支撐結(jié)構(gòu)直接設(shè)計(jì)為組件的一部分，可 以減少之后添加需要去除的支撐而帶來的潛在的材 料浪費(fèi)。

首次設(shè)計(jì)迭代使歧管體積比原來減少了52%， 同時流動效率提高了60%。

什么是CFD分析?
計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 分析基于液體和氣體的相互作用為設(shè)計(jì)師提供系統(tǒng)流體的理論效率信息。

二次設(shè)計(jì)迭代
首次迭代在雷尼紹建造并由客戶作出評價(jià); 客戶主要對新幾何形狀的液壓歧管的效果進(jìn)行了評 估;原始歧管被設(shè)計(jì)為模塊與串聯(lián)安裝的多個裝置 一起使用。各液壓歧管有時需要從該序列中取出 來進(jìn)行維修;因此原始歧管需要帶有螺紋的“模塊 取出”通道。首次迭代后，增材制造的幾何形狀可 以讓工程師在不借助任何工具的情況下手動取出歧 管，因而無需設(shè)置模塊取出通道。

CFD分析后生成的流動通道截面;降低拐角突兀程度，以優(yōu)化 流動性

雖然從CAD模型上移除這些模塊取出通道會立 即打亂復(fù)雜的自承式結(jié)構(gòu)，但這正好為重新開發(fā)設(shè) 計(jì)提供了契機(jī)。相較于原來的實(shí)心塊，首次設(shè)計(jì)迭 代大幅減小了體積，因此有人曾擔(dān)心在后續(xù)機(jī)加工 期間迭代1可能會出現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)變形和/或振動的 情況。事實(shí)證明這種擔(dān)心是多余的。而二次設(shè)計(jì)迭 代使得歧管的最終體積僅為原始歧管的21%，同時 進(jìn)一步增強(qiáng)了歧管剛性。

歧管體積的大幅減小為使用更適合的316L不銹 鋼生產(chǎn)迭代2產(chǎn)品創(chuàng)造了條件。二次設(shè)計(jì)迭代后， 歧管凈重減少了37%，即使使用密度較大(不銹鋼 8g/cm3，鋁合金<3g/cm3)的材料也可實(shí)現(xiàn)這一 規(guī)格。

二次迭代幾何形狀。移除模塊取出通道，重新加工支撐結(jié)構(gòu)， 增加其剛性和硬度

結(jié)果匯總

在雷尼紹，很清楚:要通過增材制造 (AM) 工藝獲得最佳組件，用戶需要了解針對增材制造的 設(shè)計(jì)比切削式加工和鑄造等傳統(tǒng)制造技術(shù)具有更 高的自由度。因此，即使在用戶購買增材制造系統(tǒng) 后，仍會提供針對工藝支持的培訓(xùn)和設(shè)計(jì)。對于正在考慮將增材制造技術(shù)集成到生產(chǎn)過程的公司，全球解決方案中心為客戶開啟了合作之門。