金属3D打印技术在液压元件上的应用

复杂的液压元件，利用3D打印技术可以完成传统的加工工艺难以实现的细节处理，并在不影响性能的基础上，显著的减轻零件重量和尺寸。

与发动机、电动机和机械作动器相比，液压泵、液压缸及其他液压作动器具有更高的功率密度，而液压阀也可以轻而易举的实现方向、速度、力和扭矩的控制。

然而虽然液压的应用领域不断扩大，但其加工制造方法却没有根本性的改进。金属的3D打印技术，通过改进阀块阀芯等部件的设计和生产工艺，为液压技术的发展提供了新的机遇。

3D打印技术已经不仅仅局限于起初的塑料材料，在金属材料的应用方面，3D打印也正在蓄势待发。虽然对于大批量生产来说，3D打印在实用性和成本效益方面优势不大，但与传统的机加工艺相比，3D打印对于小批量及特殊设计的金属液压元件来说，却有得天独厚的优势。

1、可实现效率和性能最优化的产品组合设计。

2、内部流道优化，实现更大的通流能力和更低的压损。

3、可快速制作多个样品，以便测试验证最优方案。

4、3D打印可使用的耗材多样，如不锈钢（铝，钛，以及其他正在开发中的新材料等。）

5、3D打印还可以规避工艺孔堵头处潜在的漏油风险。

尽管液压元件都可以通过传统的加工制造工艺来制作，但传统的制造是一种减材工艺，即对耗材进行减材制作，比如通过数控加工技术，将多余的材料去除，最后得到需要的形状，所以为了节省加工费用，很多多余的材料并没有被去除，最终导致零件重量的增加。

切削加工技术在产品设计方面同样具有局限性。传统阀块中的内部流道必须精确定位以防止流道交叉，而且必须确保流道的壁厚以便具有足够的强度承受高压。加工流道所必须的工艺孔必须堵住，但这也增加了泄露的风险。

相比之下，3D打印是一种增材制作工艺，通过逐层打印的方式来构造零件形状。通过3D打印技术，阀块内部的流道可以得到精确的定位，并优化流道的形状和尺寸。目前为止，诸如阀芯等元件的流道都是圆柱形的，这是因为他们是通过旋转刀具加工而成的。但是通过逐层打印的方式，设计者可以设计出许多传统制作方法所无法实现的方案。

例如流道截面可以做成正方形的，与圆形截面流道相比，方形截面的通流能力可以提高20%。通过优化流道设计，可以以更小的阀块体积实现更大的流量方案。阀块内部的交叉流道同样也不再必须从阀块外部钻孔加工，额外的堵头也就不再需要了。

这种工艺使用计算机控制，通过激光融化，层层的堆积金属材料以形成想要的零件，意大利Aidro SrL公司总经理Alberto Tacconelli指出，目前最适合液压元件的3D打印技术是粉末冶金法，通过直接金属激光烧结（DMLS）或选择性激光融化（SLM）。

DMLS通过高能激光将金属粉末加热，使其能够在分子水平上发生融合。烧结金属材料的孔隙率是可控的。而且DMLS可以应用于各种类型的合金材料，这使得样件可以使用与正式的产品相同的材料制作。而使用SLM技术，金属粉末不仅可以融合在一起，通过使用高功率密度的激光，金属材料融合的更加均匀，同时由于孔隙率降低，SLM制成的部件拥有更好的强度，对晶体结构的控制也更加出色。但是这一工艺目前仅可应用于单一的金属粉末材料。

何时使用金属3D打印技术？

Tacconelli列举了以下几个因素，来综合考虑是否使用3D打印技术生产液压元件。

1）数量。传统的加工技术更适合大批量生产，然而3D打印技术对于小批量生产的专用液压元件更加经济实用。

2）生产周期。像CNC加工这种减材工艺在金属毛坯的基础上可能需要30到60天才能完成制作，如果需要铸造的话，整个过程甚至可能需要6到12个月。采用3D打印技术，液压元件在几天内就可制作完成。

3）样件。利用3D打印技术，可以同时制作不同的样件，以便评估最优的设计方案。

4）材料。液压元件必须具有足够的强度和耐腐蚀性，以承受高压，3D打印可以提供更广泛的材料选择，包括不锈钢（AlSl316L）,铝，钛（Ti6Al4V）,铬镍铁合金（625或718）和马氏体时效钢等。

材料性能

由于液压元件的3D打印相对来说是一个比较新的应用领域，这就产生了一个问题：与传统工艺相比，3D打印的元件材料性能如何？尽管典型的机械性能如拉伸强度、屈服强度、弹性模量等我们有迹可循，但除此之外液压系统中经常遇到的高压及压力冲击我们也必须考虑在内。

通过适当的材料选择和设计，液压元件可以承受这些压力，但液压系统也会遇到冲击和压力脉动，这些脉动对元件的要求更高，例如阀块通常由球墨铸铁或其他韧性材料制成以承受压力脉动，但这些材料并不适用于增材制作工艺，铁和碳钢材料同样如此，这是因为原材料必须以粉末的形式存在。

Tacconelli指出，并不是所有的金属都适合3D打印，Aidro通常使用铝或者不锈钢来3D打印液压阀块，这些材料的机械性能等同于甚至比钢材更好。而且从结果来看，可以达到设计要求。

该公司使用有限元法（FEM）来仿真元件的受力情况，并对元件做功能性的模拟。Tacconelli解释说，通过良好的设计方法，我们可以3D打印一个液压阀块，并足以承受液压系统中的压力冲击，对于在有限元分析中显示存在潜在风险的部位，我们还可以改变通道形状，或者增加壁厚来规避风险。3D打印完成后，我们首先会做内部测试，然后在米兰理工大学的支持下做进一步的测试。

特定的3D打印工艺及设备同样会影响结果，Tacconelli指出，经过仔细评估，我们选择了直接金属激光烧结工艺，这可以保证液压元件更高的精度要求和更好的表面光洁度。他补充说，可靠的设备以及金属粉末可以确保工艺的可重复性和产品的质量。

我们可以有效的利用影响部件性能的各种因素。Tim Simpson是宾夕法尼亚大学机械及工业工程学教授，他同时还是材料直接数字成型工艺创新中心的联合主任，他指出，每一种材料的受热及冷却过程都是不同的，这取决于金属粉末相互作用时的速度和能量，这些因素会影响材料的微观结构，进而影响其材料特性，如强度，刚度，和弹性等。

Simoson同样担任2015年ASME增材制造和3D打印展会主席，他指出，大多数3D打印的产品还需要进行热处理，以消除由于激光的反复加热和冷却而产生的应力。他解释说：“传统的减材工艺，是在所需材料的基础上，制作出所需要的形状，而3D打印则是先制作出零件形状，然后进行热处理或固溶退火，最后得到你所需要的零件。

之前不适用于增材制造的一些合金在3D打印领域的应用也取得了一些进展，比如高强度不可焊接的铝合金（如Al 7075或Al6061），这些合金在3D打印过程中会发生严重的热裂，为了解决这一问题，HRK实验室开发了一种新技术，将这些金属粉末与纳米颗粒结合在一起，避免了热裂的发生，从而形成具有全合金强度的3D打印零件。

如前所述，3D打印最适合小批量生产，但是其可以通过优化设计进而减轻零部件质量的优势，使得他同样适合要求高精度和低重量的应用，比如航空航天和医疗设备领域，另外农业机械是他的另一个重要的应用领域，比如可以利用3D打印制作各种样件，模具，备件以及小批量生产的专用零部件。一般来说，3D打印也适用于那些依靠传统制造技术难以制作的更紧凑的零件。

典型应用

3D打印技术目前已经应用到了许多类型的液压元件的生产，例如，Aidro公司用不锈钢材料3D打印了一个控制单作用油缸的液压阀块（图1）。与传统零件相比，他们可以节省空间并通过优化内部流道来降低压力损失，由于不需要额外的工艺孔，因此也就消除了油液泄露的风险。

图（1）用不锈钢材料3D打印的液压阀块，不仅尺寸更小，而且提高了阀块流道的通流能力。（由Aidro ArL提供）

此外，3D打印还改进了叠加式液压阀的设计和生产（图2）。直动式减压阀由钢制成，并通过镀锌来提高耐腐蚀性，如果客户仅仅需要少量的阀，若采用CNC加工，则交货周期太长，成本太高。相反，利用3D打印技术，零件重量不仅可以减轻60%，而强度也可以媲美机加工零件，3D打印生产的零件与机加工零件在250bar压力下的测试结果相差无几。

图（2）左边的阀块是由机加工制作，并经过了镀锌处理来提高耐腐蚀性，右边的阀块由3D打印而成，重量减轻了60%，但强度相当。实际上，传统的机加工艺也可以将重量做的更轻，但成本却要高得多。（由Aidro ArL提供）

多年以来，英国布里斯托尔的Domin Fluid Power公司一直在开发专门通过增材制造设计生产的液压阀、泵以及更复杂的子系统。该公司今年上半年将推出其主导产品：直驱式液压伺服阀（ 图3）。

图（3）不久将推出的这款直驱式液压伺服阀，价格具有更强的竞争力。（由Domin Fluid Power Ltd.提供）

Domin公司总经理Marcus Pont表示，相比于目前最先进的伺服阀，新型伺服阀在尺寸，效率，重量和流量等方面都有所改进，并且价格也更具竞争力。

Pont表示，与一个重要的竞争产品相比，Domin伺服阀流量增加了25%，泄露减少了20%，体积减小了25%，重量减轻了15%，同时零件的数量减少了40%，这些都大大简化了生产制造工艺。

图（4）这个为农机制作的3D打印阀块相比于传统工艺的零件，尺寸减小了一半，重量减轻了75%。（由Aidro ArL提供）

另一个来自Aidro公司的例子是用一个在农机上的液压阀块，图（4）。这个阀块用两个电磁阀和两个先导单向阀来控制一个双作用油缸，3D打印的阀块可以节省一半的尺寸和75%的重量。该阀块由AlSi10Mg，6000铝合金制作，具有良好的强度和热性能，重量轻并可进行灵活的后处理。3D打印通常可用来制作这种具有薄壁且形状复杂的零件。

Aidro公司的Tacconelli报告说，压力测试显示，3D打印液压阀块在拉伸强度，伸长率，冲击韧性和硬度等机械性能方面的表现甚至比传统阀块更加出色，同时因为内部通道的交叉点处没有90°的折弯，所以它的通流能力更强。

图（5）这种3D打印阀块做成一个整体，用来替代由17个零件组成的装配体，重量减少了70%，却仍可以承受相同的压力和疲劳测试。（由Penn State CIMP-3D提供）

在宾州州立大学的CIMP-3D上，一个液压阀块被3D打印成一个整体，用来替代由17个零件组成的装配体（图5），重量减少了70%，却仍可以承受相同的压力和疲劳测试。

Aidro设计了一个全新的阀芯，通过3D打印，用方孔代替圆孔（图6），这增加了阀芯内的通道面积并减少了压降。

图（6）原阀芯（左）有圆孔，需要CNC加工，3D打印阀芯具有较大面积的方孔以减少压降。（由Aidro SrL提供）

这些只是3D打印技术在液压领域应用的冰山一角，来自Infinium Global Research的报告显示，全球金属3D打印市场2017至2023年间预计年增长率可达 33%，液压领域的应用有望成为金属3D打印市场重要的组成部分。

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参考资料

【1】http://www.hydraulicspneumatics.com/hydraulic-valves/produce-better-hydraulic-components-metal-3d-printing