3Dプリントが油圧部品の設計と性能をどう革新するか

[画像提供：Renishaw]
 
油圧部品の設計・製造における新たなアプローチへの需要が高まっています。その機会を探る技術の一つが3Dプリントです。
 
Liebherr、Ford、Bosch Rexrothなどの企業が、よりエネルギー効率が高く、軽量で、低コストな油圧部品の創出に3Dプリントを活用しています。
 
今日のアプリケーション・スポットライトでは、油圧システム・部品における3Dプリントのメリットを掘り下げ、技術が活用されている最も注目すべき事例を紹介します。
 
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なぜ油圧部品に3Dプリントを使うのか？

 
油圧は、重い荷重が関わる場合や反復運動が必要な場合に、動きを生み出す最も効率的な方法の一つです。
 
油圧システムはポンプで液体を加圧し、その動きをクレーンから自動車まであらゆるものの動力として利用します。
 
油圧は日常のあらゆる場面で使われています。車両、建設機械、建物、製造施設など。
 
油圧部品は伝統的に機械加工や鋳造で製造されてきました。しかし、多くの油圧機器メーカーが、マニホールド、サーボバルブ、油圧アダプターブロックなどの油圧部品を3Dプリントで製造することに関心を寄せています。では、何が彼らをこの技術に惹きつけるのでしょうか？
 
Bosch Rexroth AG産業油圧ビジネスユニット責任者のSteffen Haack氏によれば、油圧業界を形作る多くのトレンドがあります：

• エネルギー効率（流体抵抗低減、圧力損失低減、効率向上）
• 騒音低減
• タンク容量の削減
• 高圧化と設置スペースの削減
• 材料とオイル特性の改善
• 可用性向上と予知保全
• ユーザーフレンドリーさ
• 安全性

3Dプリント、特に金属と砂を用いたものは、エネルギー効率向上や設置スペース縮小など、これらのトレンドのいくつかを推進する重要な役割を果たします。
 
どうやって？ 新機能の組み込み、部品の軽量化・小型化、油圧システム全体の性能向上を可能にする高度な設計を実現することで。
 
3Dプリントが油圧にもたらすメリットをさらに深掘りしましょう。
 

油圧部品の軽量化と小型化

3Dプリントにより、油圧部品メーカーは部品をより軽く、より小さく製造できます。
 
油圧マニホールドを例に取ります。この部品は油圧システムのコンポーネント間の流体流れを制御するもので、通常は金属の無垢ブロックから機械加工されます。
 
不必要な余分な金属を削り取るのはコストがかかり、しばしば余分な金属が削られないままとなり、本来より重い部品になってしまいます。
 
3Dプリントは、マニホールド製造に必要な材料量とほぼ同量で造形できるため、この問題を解決します。
 
選択的レーザー焼結のような金属3Dプリントプロセスでは、レーザーが部品のミクロン単位の薄い断面をトレースし、金属粉末を層ごとに選択的に溶融・凝固させます。これにより、エンジニアは部品に投入する材料量を制御でき、CNC加工よりも少ない金属で済みます。
 
部品の軽量化に加え、3Dプリントは設計制約のあるスペースにより適したコンパクトな部品も可能にします。この利点により、高精度と軽量が求められる用途で3Dプリント油圧部品が特に求められています。
 
スポットライト：Aidroの3Dプリント・マニホールド

 
イタリアのメーカーAidroの事例です。
 
Aidroの油圧マニホールドは農業機械で使用され、システム内の重量とスペースを節約するよう再設計されました。3Dプリントされたアルミニウム製マニホールドは、置き換わるユニットと同機能を果たしながら、サイズは半分、重量は75%軽量化されています。
 
部品統合

3Dプリントは、複数の部品を一つに統合することで、部品をより小さくすることも可能にします。これを部品統合と呼びます。
 
これにより、複雑な部品アセンブリを排除し、漏れの原因となる弱い接合点を減らすことで、部品の構造的完全性を高められます。
 

効率の最適化

3Dプリントにより、油圧部品の内部形状を再設計し、流体流れを最適化して圧力損失を低減できます。
 
マニホールドを例にすると、エンジニアは流体流路を必要な場所に、多様な形状とサイズで精密に配置できます。これにより、流路を曲線形状にし、従来のマニホールドよりも近接配置できるため、完成品がよりコンパクトかつ軽量になります。
 
曲線流路は流れ効率を30〜70%改善できると報告されています。

 
流路断面の形状再設計も効果的です。例えば、バルブ・スプールの流路は通常、回転カッターで機械加工されるため丸形状です。
 
3Dプリントでは、流路断面を丸ではなく角形に設計でき、流量容量を最大20%向上させ、圧力損失を低減できます。
 
さらに、従来のマニホールドのような油圧部品では、クロスドリル通路の機械加工が必要で、その後オイル漏れ防止のためにプラグで塞ぐ必要があります。しかし、これらのプラグされた通路は潜在的な漏れ経路となり、システム障害の原因になります。3Dプリントは、クロスドリル通路を最初から作る必要がないため、この問題を解決します。
 

3Dプリント油圧部品のさらなる事例

油圧アダプターブロックの3Dプリント

 
GKN Additiveが油圧アダプターブロックを3Dプリントしました。これは油圧システム内の流体流れを制御し、バルブ、ポンプ、アクチュエーターを接続するマニホールドの一種です。
 
従来の油圧ブロックはブロック状の設計で、内部通路がドリル加工されています。製造は上下から穴あけで開始。垂直穴を水平チャネルで接続し、ネジ切りを行います。開いた水平チャネルからオイル漏れを防ぐため、グリブネジで塞ぎシールします。
 
しかし、このプロセスはいくつかの理由で非効率的です。第一に、ドリル・フライス加工のエッジが鋭いバリを生じ、後処理で到達困難。これらが運転中に剥離してシステム障害を引き起こす可能性があります。第二に、鋭角な接続点が乱流を生み、エネルギー効率を低下させます。第三に、未使用の水平チャネルに汚れが蓄積し、油圧システムの寿命を縮めます。
 
3Dプリントにより、GKN Additiveはこれらの課題を克服し、より高性能な油圧ブロックを創出しました。
 
油圧ブロックの重量は30kgから5.5kgへ削減され、機能を一切損なわず。新設計により余分な材料を排除し、部品内のボア重複を解消。さらに、未使用水平チャネルを完全に省略し、汚れの蓄積を防止。最後に、鋭い内部コーナーを滑らかなパイプラインに置き換えることで、システム内の乱流を低減。
 
このアプリケーションにおける3Dプリントのメリットを要約すると、少ない材料で部品機能を向上させ、部品重量と製造コストの削減につながりました。
 

Liebherrの3Dプリント油圧バルブブロック

 
Liebherrグループの事例も優れています。3Dプリントの助けを借りて、航空機用高圧油圧バルブブロックを再設計し、軽量化と効率化を実現。
 
Liebherrチームは新しいバルブブロックに10の機能要素を統合し、多数の横穴を持つ複雑な配管システムを排除。結果として、部品点数を減らし、35%軽量化されたバルブブロックが誕生しました。
 
この3Dプリント部品は、A380航空機の試験飛行で無事にテストされました。
 

Domin Fluid Power、3Dプリントで流体動力システムを再構築

 
英国の油圧システムメーカーDominは、高性能ダイレクト・ドライブ・サーボバルブの再開発に3Dプリントを採用。信号を圧力に変換する部品です。
 
Dominによれば、3Dプリントにより複雑な部品を工具なしでより速く製造可能。例えば、ドライブの一つを元のサイズの25%、パワーを25%向上させた設計に成功。コストは3分の1、製造時間は5.5時間からわずか1時間に短縮されました。
 
従来工法では不可能な成果だとDominは主張します。
 

Ford、吸気マニホールドを3Dプリント

重機や航空機向け油圧部品の例を見てきましたが、Fordは自動車油圧システムへの3Dプリント適用を先導しています。
 
昨年、同社は稼働車両に搭載された過去最大の金属3Dプリント吸気マニホールドを披露したと主張しています。
 
その車両はケン・ブロックの『Hoonitruck』フォード・ピックアップ。

 
この車両には、ターボチャージャーからエンジンシリンダーへ空気を供給する特別な吸気マニホールドが必要で、Fordは金属3Dプリントを採用しました。
 
部品はConcept Laserマシンでアルミニウムから3Dプリントされ、造形に5日を要しました。最先端CADソフトウェアにより、従来工法では不可能な複雑なウェブ状構造を創出。設計は性能向上と軽量化に最適化され、最終部品はわずか6kg。
 

Bosch Rexroth、砂3Dプリントでマニホールドを製造

 
金属3Dプリントに加え、後に油圧部品を鋳造するための砂コアを3Dプリントする選択肢もあります。このプロセスはバインダージェッティングと呼ばれ、シリカ砂の層に選択的にバインダーを堆積させることで機能します。
 
Bosch Rexrothは数年前から、コントロールブロック用鋳造コアの製造に砂3Dプリントを活用しています。
 
主なメリットとして、フィルターなどの機械部品をマニホールドに統合できること、最大30%の軽量化が可能なことを挙げています。
 
追加メリットには、漏れの原因となる補助穴の不要化、内部流路の最適化によるエネルギー効率向上があります。
 

3Dプリントで油圧部品を再考する

油圧業界がよりエネルギー効率が高く、より小型な油圧部品を目指す中、3Dプリントは優れた性能の設計・生産の選択肢を提供します。
 
リードタイム、重量削減、コストと性能における3Dプリントのメリットを認識し、多くの油圧部品メーカーがこの技術を自社製品への採用に向けて検討し始めています。
 
今後、油圧部品製造における3Dプリントの役割はさらに拡大し、企業が現在および将来のトレンドに対応できるよう支援していくでしょう。