Coletor do bloco hidráulico reprojetado para a manufatura aditiva

O que é um coletor de bloco hidráulico?

Um coletor de bloco hidráulico direciona o fluxo de fluido em um sistema hidráulico ligando bombas, válvulas e atuadores. Ele permite que o engenheiro de projeto planeje o funcionamento de um circuito hidráulico, combinando os componentes em uma unidade compacta.

Fabricação tradicional de coletores de blocos hidráulicos

Tradicionalmente, os coletores de bloco hidráulico são fabricados a partir de um tarugo de liga de alumínio ou aço inoxidável que foi cortado e usinado conforme dimensão apropriada, seguido da furação para as trajetórias de fluxo. Com frequência são necessárias ferramentas especiais devido à complexidade da furação. As passagens requerem bujões para direcionar o fluxo através do sistema.

A natureza do processo de fabricação resulta em junções angulares abruptas entre as passagens que podem causar a separação e/ou estagnação do fluxo - um fator importante para a perda de eficiência.

Os coletores de liga de alumínio em geral são menos dispendiosos devido aos custos menores do material e facilidade de usinagem, mas podem ser menos resistentes ao atrito e, por isso, quaisquer partículas soltas no fluxo friccionarão a superfície e aumentarão o desgaste. Por este motivo, os coletores de aço inoxidável às vezes são mais desejáveis, no entanto, devido à maior densidade e dureza do aço inoxidável comparado ao alumínio, estes pesam mais e sua usinagem é mais cara.

Benefícios da AM para o projeto e fabricação de coletores hidráulicos.

• Trajetórias de fluxo otimizadas para uma funcionalidade da peça mais eficiente
• Capacidade de utilizar plenamente a dinâmica de fluido computacional (CFD) para auxiliar o processo de projeto
  Redução dos requisitos de fixação
• Requisitos mínimos para estruturas de suporte removíveis
• É possível significativa redução do peso
• Nenhum requisito para as passagens de extração do bloco
• Com total liberdade de projeto, um coletor pode ser projetado para ocupar um espaço significativamente menor.

Benefícios diretos para o cliente:

• Redução da massa em até 79 %.
• Construção de peça única, menos oportunidades para os defeitos.
• Projeto e iterações de desenvolvimento rápidos
• Compatibilidade com o projeto existente
• Aumento da eficiência de fluxo de até 60%

Reprojeto para AM - escopo de projeto

A manufatura aditiva permite um maior nível de liberdade de projeto, assim a geometria da peça pode ser adaptada à AM para reduzir a massa do material e melhorar a funcionalidade dentro do mesmo espaço. A Renishaw recebeu do cliente certas diretrizes de projeto e função que deviam consideradas quando do reprojeto da peça:

Geometria

• Portas de conexão definidas
• Diâmetros internos das passagens de fluxo
• Espessuras de parede das passagens de fluxo
• Pontos de fixação e interfaces
  

Função

O requisito principal do cliente foi a redução de peso, embora ainda mantendo sua rigidez e funcionalidade. Os engenheiros de projeto da Renishaw também reconheceram o escopo no reprojeto para AM para aumentar a eficiência das trajetórias de fluxo dentro do sistema.

Primeira iteração de projeto

O primeiro passo foi decompor a peça em suas passagens essenciais que proporcionam a funcionalidade do coletor do bloco hidráulico. As trajetórias de fluxo do projeto com as furações originais foram extraídas utilizando o software CAD (Computer Aided Design) e todas as áreas com furos desnecessárias para a trajetórias de fluxo foram removidas, deixando somente a rede de tubos essencial.

Cada circuito hidráulico foi então reduzido e simplificado, em preparação para análise da dinâmica de fluidos computacional por peça (CFD), utilizando a Simulação de Fluxo do SOLIDWORKS.

Em seguida, as trajetórias de fluxo foram otimizadas após a identificação das áreas de separação e estagnação de fluxo obtida através da análise CFD.

Foi então gerada a espessura da parede, neste caso com base na especificação do cliente. Como alternativa, isto pode ser executado através da modelagem de tensões com a análise de elementos finitos (FEA) com base em leituras de pressão obtidas durante a análise CFD.

Finalmente, foram projetadas as estruturas de suporte permanente e adicionadas à geometria CAD, criando uma estrutura autossuportada eficiente. Geralmente as estruturas de suporte são adicionadas à geometria final no pós-processamento do projeto da peça, para ancorar o objeto na base e dissipar o calor - no entanto, tornar os suportes parte do projeto da peça reduz o refugo potencial de material associado às estruturas de suporte removíveis ou âncoras.

A primeira iteração do projeto resultou em uma redução de volume de 52% em relação ao coletor do bloco original bem como uma melhora na eficiência de fluxo de até 60 %.