Wie 3D-Druck Hydraulikkomponenten-Design und -Performance revolutioniert

[Bildquelle: Renishaw]
 
Die Nachfrage nach neuen Ansätzen im Design und der Fertigung von Hydraulikkomponenten steigt. Eine Technologie, die Herstellern neue Möglichkeiten in der Hydraulikfertigung eröffnet, ist 3D-Druck.
 
Von Liebherr und Ford bis Bosch Rexroth setzen Unternehmen auf 3D-Druck, um energieeffizientere, leichtere und kostengünstigere Hydraulikkomponenten zu schaffen.
 
Der heutige Application Spotlight beleuchtet die Vorteile von 3D-Druck für Hydrauliksysteme und -komponenten und erkundet die spannendsten Beispiele der Technologie in Aktion.
 
Weitere Anwendungen dieser Serie:
 
3D-Druck für Wärmetauscher
 
3D-Druck für Lager
 
3D-Druck für Fahrradfertigung
 
3D-Druck für Digitale Zahnmedizin & Clear Aligner Fertigung
 
3D-Druck für Medizinische Implantate
 
3D-gedruckte Raketen und die Zukunft der Raumfahrzeugfertigung
 
3D-Druck für Schuhfertigung
 
3D-Druck für Elektronische Komponenten
 
3D-Druck in der Schienenindustrie
 
3D-gedruckte Brillen
 
3D-Druck für Endteil-Produktion
 
3D-Druck für Halterungen
 
3D-Druck für Turbinenteile
 
Wie 3D-Druck Innovation in der Nuklearindustrie unterstützt
 

Warum 3D-Druck für Hydraulikkomponenten nutzen?

 
Hydraulik ist eine der effizientesten Methoden, um Bewegung bei schweren Lasten oder repetitiven Bewegungen zu erzeugen.
 
Hydrauliksysteme nutzen Pumpen, um eine Flüssigkeit unter Druck zu setzen, und deren Bewegung wird dann genutzt, um alles anzutreiben, von Kränen bis zu Autos.
 
Hydraulik begegnet uns täglich. Sie wird in Fahrzeugen, Baumaschinen, Gebäuden und Fertigungsanlagen eingesetzt.
 
Hydraulikkomponenten werden traditionell durch Zerspanen oder Gießen hergestellt. Doch viele Hydraulikhersteller interessieren sich zunehmend für die Produktion von Hydraulikkomponenten wie Verteilerblöcken, Servoventilen und Hydraulik-Adapterblöcken mittels 3D-Druck. Was bringt sie überhaupt dazu, die Technologie in Betracht zu ziehen?
 
Laut Steffen Haack, Leiter der Business Unit Industrial Hydraulics bei Bosch Rexroth AG, prägen viele Trends die Hydraulikbranche, darunter:

• Energieeffizienz (reduzierte Strömungskräfte, reduzierter Druckverlust, höhere Effizienz)
• Geräuschreduzierung
• Reduzierte Tankvolumina
• Höhere Druckstufe und reduzierter Bauraum
• Verbesserte Material- und Öleigenschaften
• Höhere Verfügbarkeit und predictive Maintenance
• Benutzerfreundlichkeit
• Sicherheit

3D-Druck, insbesondere mit Metallen und Sand, spielt eine wichtige Rolle bei der Vorantreibung einiger dieser Trends, wie gesteigerter Energieeffizienz und kleinerem Bauraum.
 
Wie? Durch Ermöglichung fortgeschrittener Designs, die neue Features integrieren, Komponentengewicht und -größe reduzieren und die Gesamtperformance des Hydrauliksystems verbessern.
 
Lassen Sie uns tiefer in die Vorteile von 3D-Druck für Hydraulik eintauchen.
 

Gewichts- und Größensenkung von Hydraulikkomponenten

3D-Druck ermöglicht Hydraulikherstellern, Teile leichter und kleiner zu machen.
 
Nehmen Sie einen Hydraulikverteilerblock als Beispiel. Dieses Teil, das den Flüssigkeitsfluss zwischen den Komponenten eines Hydrauliksystems regelt, wird typischerweise aus einem massiven Metallblock zerspant.
 
Mehr überschüssiges Metall als nötig zu entfernen ist teuer, und häufig wird der Überschuss nicht weggespannt, was zu einem Teil führt, das mehr wiegt, als es potentiell könnte.
 
3D-Druck überwindet dieses Problem, da er fast nur die Materialmenge benötigt, die für den Verteilerblock nötig ist.
 
In einem Metall-3D-Druckverfahren wie Selektives Lasersintern zeichnet ein Laser einen mikrometerdünnen Querschnitt eines Teils nach, schmilzt und fügt Metallpulver Schicht für Schicht selektiv zusammen. Dies erlaubt Ingenieuren, die Materialmenge im Teil zu kontrollieren und weniger Metall als beim CNC-Fräsen zu verwenden.
 
Neben Gewichtsreduktion ermöglicht 3D-Druck auch kompaktere Teile, die besser in designbeschränkte Räume passen. Dieser Vorteil macht 3D-gedruckte Hydraulikkomponenten besonders begehrt in Anwendungen, die hohe Präzision und geringes Gewicht erfordern.
 
Spotlight: Aidros 3D-gedruckter Verteilerblock

 
Ein Beispiel für eine 3D-gedruckte Hydraulikkomponente kommt vom italienischen Hersteller Aidro.
 
Aidros Hydraulikverteilerblock, eingesetzt in Landmaschinen, wurde redesignet, um Gewicht und Bauraum im System zu sparen. Der 3D-gedruckte Aluminiumverteiler erfüllt dieselben Funktionen wie das ersetzte Gerät, ist aber halb so groß und 75 Prozent leichter als der vorherige Verteiler.
 
Teilekonsolidierung

3D-Druck erlaubt auch, Komponenten kleiner zu machen, indem mehrere Teile in einem integriert werden – ein Ansatz, bekannt als Teilekonsolidierung.
 
Dies ermöglicht Herstellern, komplexe Baugruppen von Komponenten zu eliminieren und die strukturelle Integrität eines Teils zu erhöhen, da weniger schwache Verbindungsstellen vorhanden sind, die Leckagen verursachen können.
 

Effizienzoptimierung

3D-Druck ermöglicht das Redesign interner Geometrien einer Hydraulikkomponente zur Optimierung des Flüssigkeitsflusses und Reduktion von Druckabfall.
 
Am Beispiel Verteilerblöcke können Ingenieure Flüssigkeitsflusskanäle präzise dort positionieren, wo sie benötigt werden, in vielfältigen Formen und Größen. Das bedeutet, Flusskanäle können gekrümmte Formen haben und enger beieinander liegen als bei konventionellen Verteilern, was das Endprodukt kompakter und leichter macht.
 
Gekrümmte Strömungspfade können den Flusswirkungsgrad Berichten zufolge um 30 bis 70 Prozent verbessern.

 
Auch das Redesign der Querschnittsform von Flusskanälen kann einen Unterschied machen. Beispielsweise haben Strömungspfade in Ventilschiebern typischerweise runde Form, da sie mit rotierenden Fräsern bearbeitet werden.
 
3D-Druck erlaubt Ingenieuren, Querschnitte von Strömungspfaden quadratisch statt rund zu gestalten, was die Durchflusskapazität um bis zu 20 Prozent erhöhen und Druckabfall reduzieren kann.
 
Darüber hinaus erfordern traditionelle Hydraulikkomponenten wie Verteilerblöcke oft die Zerspanung von Querbohrungen, die anschließend gestopft werden müssen, um Ölleckagen zu verhindern. Diese gestopften Kanäle schaffen jedoch potenzielle Leckpfade, die zu Systemausfall führen können. 3D-Druck eliminiert dieses Problem, indem die Notwendigkeit, Querbohrungen zu erstellen, entfällt.
 

Weitere Beispiele 3D-gedruckter Hydraulikkomponenten

3D-Druck eines Hydraulik-Adapterblocks

 
GKN Additive hat einen Hydraulik-Adapterblock 3D-gedruckt, der ein Verteilerblock ist, der den Flüssigkeitsfluss in einem Hydrauliksystem lenkt und Ventile, Pumpen und Aktuatoren verbindet.
 
Traditionell genutzte Hydraulikblöcke neigen zu einem blockigen Design mit einem Satz interner Kanäle, die in sie hineingebohrt sind. Der Fertigungsprozess beginnt mit Bohren von Löchern von oben und unten.
 
Die vertikalen Löcher werden dann durch horizontale Kanäle verbunden, und Gewinde werden hineingeschnitten. Um Ölleckagen aus den offenen horizontalen Kanälen zu verhindern, werden diese mit Gewindestiften verschlossen und abgedichtet.
 
Dieser Prozess ist jedoch aus mehreren Gründen hochineffizient. Erstens erzeugen die gebohrten und gefrästen Kanten scharfe Grate, die in der Nachbearbeitung schwer zu erreichen sind. Diese können sich während des Betriebs lösen und Systemausfall verursachen.
 
Zweitens erzeugen scharfe Eckverbindungen turbulente Strömung, was zu Energieineffizienzen führt. Drittens können ungenutzte horizontale Kanäle Schmutz ansammeln, was die Betriebslebensdauer des Hydrauliksystems senkt.
 
3D-Druck half GKN Additive, die oben genannten Herausforderungen zu überwinden und einen besser performenden Hydraulikblock zu schaffen.
 
Das Gewicht des Hydraulikblocks wurde von 30 kg auf 5,5 kg reduziert, ohne Funktionalitätseinbußen. Mit neuem Design ließ sich Überschussmaterial eliminieren und Bohrungsüberlappungen im Teil vermeiden.
 
Zudem verzichtet das neue Design gänzlich auf ungenutzte horizontale Kanäle, sodass Schmutz nirgendwo ansammeln kann. Schließlich wurden scharfe innere Ecken durch glatte Leitungen ersetzt, um turbulente Strömung zu reduzieren.
 
Zusammenfassend die Vorteile von 3D-Druck für diese Anwendung: 3D-Druck ermöglichte dem Hersteller, die Funktionalität der Komponente zu verbessern, während weniger Material verwendet wurde. Dies resultierte in geringerem Teilegewicht und reduzierten Fertigungskosten.
 

Lieberrs 3D-gedruckter Hydraulikventilblock

 
Ein weiteres gutes Beispiel für 3D-Druck in der Hydraulik kommt von der Liebherr-Gruppe. Mithilfe von 3D-Druck konnte das Unternehmen einen Hochdruck-Hydraulikventilblock, verwendet in Flugzeugen, redesignen, um ihn leichter und effizienter zu machen.
 
Das Liebherr-Team integrierte 10 Funktionselemente in den neuen Ventilblock und eliminierte das komplexe Rohrsystem mit vielen Querbohrungen. Das Ergebnis ist ein 35 Prozent leichterer Ventilblock, gefertigt aus weniger Teilen.
 
Das 3D-gedruckte Teil wurde erfolgreich in einem Testflug des A380-Flugzeugs getestet.
 

Domin Fluid Power reimaginiert seine Fluidkraftsysteme mit 3D-Druck

 
Der britische Hydrauliksystemhersteller Domin hat sich 3D-Druck zugewandt, um seine hochleistungsfähigen Direct-Drive-Servoventile, die Signale in Druck umwandeln, neu zu entwickeln.
 
Domin erklärt, dass 3D-Druck die Fähigkeit gibt, komplexe Teile schneller und werkzeugfrei zu bauen. Beispielsweise hat das Unternehmen einen seiner Antriebe designed, der 25 Prozent der Originalgröße und 25 Prozent leistungsstärker ist. Das Teil wurde für ein Drittel der Kosten produziert, und die Fertigungszeit sank von 5,5 Stunden auf nur 1 Stunde.
 
Solche Ergebnisse seien mit konventionellen Methoden unmöglich, behauptet Domin.
 

Ford 3D-druckt einen Ansaugverteiler

Während wir Beispiele für hydraulische Komponenten für Schwerlastgeräte und Flugzeuge gesehen haben, ist Ford Pionier beim 3D-Druck für automobile Hydrauliksysteme.
 
Letztes Jahr präsentierte der Automobilhersteller, was er als den größten je in ein fahrendes Fahrzeug eingebauten 3D-gedruckten Metallansaugverteiler bezeichnet.
 
Das Fahrzeug ist Ken Blocks „Hoonitruck“ Ford Pickup.

 
Das Fahrzeug benötigte einen speziellen Ansaugverteiler, um die Zylinder des Motors mit Luft von den Turboladern zu versorgen, und Ford entschied sich für Metall-3D-Druck.
 
Das Teil ist aus Aluminium 3D-gedruckt, mittels einer Concept Laser Maschine, und dauerte 5 Tage im Bau. Durch modernste CAD-Software war es möglich, eine komplexe netzartige Struktur zu schaffen, die mit traditionellen Fertigungsmethoden nicht herstellbar wäre. Das Design ist optimiert für bessere Performance und geringeres Gewicht – das finale Teil wiegt nur 6 kg.
 

Bosch Rexroth nutzt Sand-3D-Druck für Verteilerblöcke

 
Neben Metall-3D-Druck gibt es auch die Option, einen Sandkern zu 3D-drucken, der anschließend zum Gießen einer Hydraulikkomponente verwendet wird. Das Verfahren heißt Binder Jetting und funktioniert durch selektives Auftragen eines Bindemittels auf eine Schicht Quarzsand.
 
Bosch Rexroth nutzt Sand-3D-Druck seit mehreren Jahren für die Herstellung von Gusskernen für Steuerblöcke.
 
Zu den Hauptvorteilen nennt Bosch Rexroth die Fähigkeit, Maschinenkomponenten wie Filter in den Verteilerblock zu integrieren, und Gewichtsreduktion um bis zu 30 Prozent.
 
Weitere Vorteile sind die eliminierte Notwendigkeit von Hilfsbohrungen, die Leckagen verursachen können, und Optimierung interner Flusskanäle, die Energieeffizienz verbessern.
 

Hydraulikkomponenten mit 3D-Druck neu denken

Da die Hydraulikindustrie auf energieeffizientere und kleinere Hydraulikkomponenten zusteuert, bietet 3D-Druck eine Option für Entwicklung und Produktion besser performender Designs.
 
Angesichts der Vorteile bei Lieferzeit, Gewichtsersparnis, Kosten und Performance, die 3D-Druck ermöglicht, beginnen viele Hydraulikhersteller, diese Technologie für ihre Produkte zu erkunden.
 
Für die Zukunft erwarten wir, dass die Rolle von 3D-Druck in der Produktion von Hydraulikkomponenten zunehmen wird und Unternehmen der Hydraulikbranche hilft, mit aktuellen und zukünftigen Trends Schritt zu halten.