3D打印与液压行业白皮书第三版

前言 更轻、更集成、免焊接的液压零件！ 3D打印在液压歧管以及液压阀芯的制造方面具有独特的优势。主要应用的3D打印技术有选区激光熔化金属3D打印技术，粘结剂喷射金属3D打印技术。 采用传统方式制造液压阀时，首先要从一个金属块开始，通过传统制造方法将金属块修整为所需外形，然后钻出供液压流体流通的内部管路。而想要精确地钻出这些管路非常困难，管路需要在特定点准确交汇，但在一些“盲”钻位置上，管路时常无法精确对准。此外，钻洞时需要开工艺孔并在最后加以密封，这就导致组件有可能在工艺孔的位置发生泄漏。传统液压阀块为规则的长方块状结构，而3D打印液压歧管带给人的最直观印象是不再是规则的阀块，而是一组具有不规则形状的“管道”。经过设计优化的3D打印液压歧管，将显著减轻重量，提高流体流动效率。 当使用传统铸造+CNC机加工制造方法生产时，液压阀芯通常必须由多个机加工部件组装而成。由于需要多个零件组成，制造过程要研究零件加工的每一工序，以确保同轴度、圆跳动和圆柱度的要求，保证零件的合格率。借助3D打印技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印，由于无需用户输入即可一次打印数干个，从而降低装配劳动力成本。 3D科学谷在第三版《3D打印与液压行业白皮书》中，结合液压传动市场，剖析了3D打印技术在其中的应用优势，揭示3D打印技术在这一细分领域的应用发展趋势 更多信息请访问：www.3dsciencevalley.com 3D科学谷市场研究团队.2023年 Traditionalmanifold 市场洞察 www.3dsciencevalley.com 流体传动 液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术。 液压传动发展历程 1795年英国约瑟夫·布拉曼(JosephBraman,1749-1814)，在伦敦用水作为工作介质，以水压机的形式将其应用于工业上，诞生了世界上第一台水压机，并在1905年将工作介质水改为了油，液压传动开始得到广泛应用。 20世纪初，康斯坦丁尼斯克对能量波动传递的理论及实际研究，1925年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵，为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。 20世纪初 第二次世界大战(1941-1945)期间，美国30%的机床应用了液压传动。应该指出，1955年，日本迅速发展液压传动，1956年成立了液压工业会"日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20多年之后，得以迅速发展，居世界领先地位。 二战期间 图片来源：维基百科 3DScienceValley 动力元件：将原动机的机械能转换为液体的压力能 01 执行元件：液压缸和液压马达是将压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或可转运动 02 液压传动 以流体（液压油液）为工作介质进行能量传递和控制的一种传动方式。他们通过各种元件组成不同功能的基本回路，再由若干基本回路有机地组合成具有一定控制功能的传动系统 控制元件：减压阀 03 溢流阀顺序阀等用以控制和调节液体的压力、流量和方向 辅助元件： 04 冷却器、加热器、蓄能器、油管管接头、快换接头等 05 3DScienceValley 工程机械：挖掘机、泵车、推土机等主机产品 通用机械：塑料处理机械，自动化生产线，机床工具，造纸行业，装载，破碎，纺织机械，研发设备和机器人系统等 02 汽车领域商用车辆的刹车、减震、转向系统、挡风系统等 03 运输设备：物料搬运设备，隧道掘进设备铁路设备等 04 航空航天飞机、火箭等宇航系统方向舵控制系统飞机起落架控制飞行控制和传输系统等 05 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 液压传动的优势 在目前四大类传动方式(机械、电气、液压和气压)中，液压传动具有下述极其明显的优点 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 5全球液压市场 《液压气动与密封》披露的估测数据，2010-2020年全球液压、气压动力机械及元件制造行业市场规模波动增长，年复合增长率为4.2%。2020年，全球液压、气动动力机械及元件制造市场规模约为349亿美元 2010-2020年全球液压、气压动力机械及元件制造行业市场规模（单位：亿美元）（来源：前瞻经济学人） 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 全球液压产业情况 美国、中国、德国、日本、意大利分别为液压动力机械及元件产品全球前五大消费国作为全球第二大经济体和第一大制造业国家，我国液压动力机械及元件制造行业市场规模占全球的28%，仅略低于美国的34%，远高于日本和德国等发达国家。 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 全球液压市场 德国博世力士乐、美国伊顿、美国派克汉尼汾、日本川崎重工作为世界精密液压领域巨头掌握着世界上最先进的液压制造技术。美国泰科是世界上最大的阀门、执行机构和相关流体控制产品的生产商 3DScienceValley 全球液压市场 《液压气动与密封》披露的估测数据，2010-2020年全球液压、气压动力机械及元件制造行业市场规模波动增长，年复合增长率为4.2%。2020年，全球液压、气动动力机械及元件制造市场规模约为349亿美元。我国液压件产业主要集中在山东、浙江、江苏等地区国内主要的液压生产企业有： 609所、恒立液压、艾迪液压、赛克思液压、大港意宁、苏强格液压、隆源液压、华德液压、圣邦液压、海特克液压、力龙液压、黎明液压、泊姆克、榆次液压、恒通液压、高宇液压、岛津液压、枫阳液压等 主机液压企业 柳工液压、徐工液压件中船重工、中航力源等 3DScienceValley 3D打印的优势 3DScienceValley 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 113D打印的优势 液压歧管是用于引导液压系统连接阀、泵和传动机构内的液体流动。它使得设计工程师可以将对液压回路的控制集成在一个紧凑的单元内通过传统的加工技术制造液压歧管，首先要切割和加工铝合金或不锈钢坏料，使其达到规定的尺寸，之后进行钻孔以形成液体流动通道由于要完成复杂钻孔，因此通常会用到特殊工具。通道内还需要一些堵塞头，以正确引导液体在系统内的流动路线。 传统制造工艺固有的局限性会导致相邻流动通道之间形成突元的拐角，造成液体流动不畅和或停滞，这是效率损失的一个重要原因。从流体力学的角度来看，传统方式加工的液压歧管在设计上存在许多有待改进的空间，这正是3D打印技术可以发挥作用之处。 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 123D打印的优势 与传统液压阀块规则的长方块状结构相比3D打印液压歧管带给人的最直观印象是其结构不再是规则的阀块而是一组有不规则形状的“管道" 基于3D打印技术重新设计液压歧管价值体现在两个方面，一方面是重量得到减轻，使用的制造材料相应减少。另一方面是提高设计自由度优化内部流体通道的设计，减少流体效率的损失。增材制造的液压歧管可应用在农业机械赛车、航空、帆船等多种机械设备的液压阀体中。 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 13传统制造方式－减重与效益平衡点 每个行业在减重带来的经济性方面是不一样的，蓝线与灰线相交的点显示了每个细分市场的设计目标。由于制造成本的原因，减重超过此点只会减少供应商的利润而不会给细分市场带来更大的价值 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 14增材制造一足够轻，人足够便宜 该图上有三个点 1.这是AM增材制造设计在航空市场上可行的关键点-已达到满足客户要求所需的重量阈值。 2.这个点上，设计可以满足航空航天，太空和赛车运动的要求，从而在重量和性能方面重新定义了“最先进的技术" 3.第3点是设计满足所有市场要求：它足够轻便，可以满足对重量最敏感的市场，而价格便宜，可以满足对成本最敏感的市场。 3D打印在液压领域的应用 3DScienceValley 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 163D打印技术推动液压技术发展-重新设计 传统液压元件与3D打印液压元件在设计上有着显著的不同。以液压阀为例，传统液压阀块为规则的长方块状结构而3D打印液压歧管带给人的最直观印象是不再是规则的阀块，而是一组具有不规则形状的“管道”。 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 17液压阀芯 铸造阀芯的过程中存在铸造气孔、夹砂和杂质等缺陷挑战，造成阀芯外壁的裂纹和微孔，使得阀芯的生产率低、合格率低司时砂型铸造精度低及泥芯偏置，导致铸造阀芯的壁厚严重不均匀及加工余量很大后期CNC机加工的过程中材料消耗多。 借助3D打印技术，每个液压阀芯都可以作为单个零件而不是多个组件进行整合和打印，由于无需用户输入即可一次打印数干个，从而显着降低了装配劳动力成本。 Desktop Metal 根据 ASTM 测试要求在Desktop Metal的生产系统上打印了合格且完全表征的 IN625液压阀芯。在DesktopMetal的生产系统平台上打印IN625零件不仅使得多个零件作为结构一体化零件制造出来，而且最大限度地减少了材料浪费与传统制造方法相比，生产时间和零件成本也显着降低。 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 18主动悬架系统 阿斯顿马丁跑车（AstonMartin）与增材制造流体动力零件专家Domin合作，在六个月内开发出世界领先的主动悬架系统。新的设计提供了无穷的阻尼可变性，用于阿斯顿·马丁的悬架系统的设计基于Domin的专利阀门技术，涉及3D打印阀体芯其中包含25个流体通道，通过这些流体通道的协同作用，以提供优异的控制性能。 这种控制单元内部的流道曲线特性只能通过3D打印-增材制造技术来实现，这也使其具有出色的机械性能。通过Domin的先进设计及3D打印加工能力，可以实现单位间隔的曲线特性，从而实现了悬架系统所需的机械性能。AST系统将在阻尼方面提供“无限"的可变性，具有高达0.015秒的阶跃响应，并且单元的重量低于4kg。 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 金属3D打印 19意大利Aidro 2017年，意大利Aidro液压3D打印液压阀块的研发获得成功，目前已经具备通过3D打印技术制造特殊液压阀体的能力。 Aidro液压通过金属3D打印技术来制造液压阀块，在进行产品设计时无需考虑交叉钻孔的设计约束，并且可以将锋利的角换成圆形弯曲的设计从而减少流现象。 Aidro液压通过金属3D打印技为一些有特殊需求的客户定制化生产小批量的液压阀块，作为其现有液压零部件生产能力的一种补充。目前，不锈钢(从AISI 304 到 316L)铝、钛，以及部分新材料的阀块都能够通过3D打印设备进行小批量生产。 图：Aidro设计了一个全新的阀芯，通过3D打印，用方孔代替圆孔这增加了阀芯内的通道面积并减少了压降。 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 20意大利Aidro Aidrohydraulics成功开发的首个3D打印液压阀块制造材料是不锈钢，作用是控制单作用气缸。Aidro hydraulics 在设计3D打印阀块时进行了创新，液压阀块的内部管道经过了设计优化，使内部管路中的液流得到改善，整个阀块的体积也比传统设计的阀块更小了，潜在的液体泄漏问题也得以避免。 另一个案例中，Aidro Hydraulic 针对