Como a Impressão 3D Revoluciona o Design e Desempenho de Componentes Hidráulicos

[Crédito da imagem: Renishaw]
 
A demanda por novas abordagens no design e manufatura de componentes hidráulicos está em alta. Uma tecnologia permitindo que fabricantes explorem novas oportunidades na manufatura hidráulica é a impressão 3D.
 
De Liebherr e Ford a Bosch Rexroth, empresas recorrem à impressão 3D para criar componentes hidráulicos mais eficientes energeticamente, leves e menos caros.
 
O Application Spotlight de hoje mergulha nos benefícios da impressão 3D para sistemas e componentes hidráulicos, explorando os exemplos mais empolgantes da tecnologia em ação.
 
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Por que usar impressão 3D para componentes hidráulicos?

 
A hidráulica é uma das formas mais eficientes de criar movimento quando cargas pesadas estão envolvidas ou movimento repetitivo é necessário.
 
Sistemas hidráulicos usam bombas para pressurizar um líquido, e seu movimento é então usado para alimentar tudo, de guindastes a carros.
 
A hidráulica está ao nosso redor diariamente. É usada em veículos, equipamentos de construção, edifícios e instalações de manufatura.
 
Componentes hidráulicos são tradicionalmente manufaturados através de usinagem ou fundição. No entanto, muitos fabricantes de equipamentos hidráulicos estão se interessando em produzir componentes hidráulicos, como manifolds, válvulas servo e blocos adaptadores hidráulicos, usando impressão 3D. Mas o que os leva a considerar a tecnologia em primeiro lugar?
 
Segundo Steffen Haack, chefe da Unidade de Negócios de Hidráulica Industrial da Bosch Rexroth AG, há muitas tendências moldando a indústria hidráulica, incluindo:

• Eficiência energética (forças de fluxo reduzidas, perda de pressão reduzida, maior eficiência)
• Redução de ruído
• Volumes de tanque reduzidos
• Nível de pressão mais alto e espaço de instalação reduzido
• Propriedades de material e óleo melhoradas
• Maior disponibilidade e manutenção preditiva
• Facilidade de uso
• Segurança

A impressão 3D, particularmente com metais e areia, desempenha papel importante no impulso de algumas dessas tendências, como aumento de eficiência energética e menor espaço de instalação.
 
Como? Permitindo designs avançados que possibilitam incorporar novos recursos, reduzir peso e tamanho dos componentes e melhorar o desempenho geral do sistema hidráulico.
 
Vamos mergulhar mais fundo nos benefícios da impressão 3D para hidráulica.
 

Reduzindo o peso e tamanho de componentes hidráulicos

A impressão 3D permite que fabricantes de componentes hidráulicos tornem peças mais leves e menores.
 
Tome um manifold hidráulico como exemplo. Esta peça, que ajuda a regular o fluxo de fluido entre os componentes de um sistema hidráulico, é tipicamente usinada a partir de um bloco sólido de metal.
 
Remover mais metal em excesso do que o necessário é caro e, frequentemente, o metal em excesso não é usinado, resultando em uma peça que pesa mais do que potencialmente poderia.
 
A impressão 3D ajuda a superar este problema, pois requer quase a mesma quantidade de material necessária para produzir um manifold.
 
Em um processo de impressão 3D metálica, como Sinterização Seletiva a Laser, um laser traça uma seção transversal de mícron de uma peça, fundindo seletivamente um pó metálico camada por camada. Isso permite que engenheiros controlem a quantidade de material que entra na peça, usando menos metal do que a usinagem CNC exigiria.
 
Além de reduzir o peso dos componentes, a impressão 3D também permite peças mais compactas que se encaixam melhor em espaços com restrições de design. Esta vantagem torna componentes hidráulicos impressos em 3D particularmente procurados em aplicações que exigem alta precisão e leveza.
 
Destaque: Manifold impresso em 3D da Aidro

 
Um exemplo de componente hidráulico impresso em 3D vem do fabricante italiano Aidro.
 
O manifold hidráulico da Aidro, usado em máquinas agrícolas, foi redesenhado para economizar peso e espaço no sistema em que é usado. O manifold de alumínio impresso em 3D realiza as mesmas funções da unidade que substitui, mas tem metade do tamanho e é 75% mais leve que o manifold anterior.
 
Consolidação de peças

A impressão 3D também permite que componentes sejam feitos menores, integrando múltiplas peças em uma — uma abordagem conhecida como consolidação de peças.
 
Isso permite que fabricantes eliminem montagens complexas de componentes, bem como melhorem a integridade estrutural de uma peça, já que há menos pontos de união fracos que podem causar vazamentos.
 

Otimizando eficiência

A impressão 3D torna possível redesenhar as geometrias internas de um componente hidráulico para otimizar o fluxo de fluido e reduzir queda de pressão.
 
Tomando manifolds como exemplo, engenheiros podem posicionar canais de fluxo de fluido dentro de um manifold precisamente onde são necessários e em uma variedade de formas e tamanhos. Isso significa que canais de fluxo podem ter formas curvas e ser espaçados mais próximos do que com manifolds convencionais, o que torna o produto final mais compacto e leve.
 
Caminhos de fluxo curvos podem melhorar a eficiência do fluxo em 30 a 70 por cento, segundo relatos.

 
Redesenhar a forma da seção transversal de canais de fluxo também pode fazer diferença. Por exemplo, caminhos de fluxo em carretéis de válvulas tipicamente têm formato redondo, porque são usinados com fresas rotativas.
 
A impressão 3D permite que engenheiros projetem seções transversais de caminhos de fluxo quadradas em vez de redondas, o que pode aumentar a capacidade de fluxo em até 20 por cento e reduzir queda de pressão.
 
Além disso, componentes hidráulicos tradicionais, como manifolds, frequentemente requerem usinagem de passagens transversais que devem subsequentemente ser tampadas para evitar vazamento de óleo. Esses canais tampados, no entanto, criam potenciais caminhos de vazamento que podem causar falha do sistema. A impressão 3D elimina este problema, removendo a necessidade de criar passagens transversais em primeiro lugar.
 

Mais exemplos de componentes hidráulicos impressos em 3D

Impressão 3D de um bloco adaptador hidráulico

 
A GKN Additive imprimiu em 3D um bloco adaptador hidráulico, que é um manifold que direciona o fluxo de fluido em um sistema hidráulico, ligando válvulas, bombas e atuadores.
 
Blocos hidráulicos tradicionais tendem a ter um design blocado com um conjunto de canais internos perfurados neles. O processo de manufatura de blocos hidráulicos começa perfurando furos de cima e de baixo.
 
Os furos verticais são então conectados por canais horizontais, e roscas são cortadas neles. Para evitar vazamento de óleo dos canais horizontais abertos, eles são tampados com parafusos de pressão e selados.
 
Este processo, no entanto, é altamente ineficiente por várias razões. Primeiro, as bordas perfuradas e fresadas criam rebarbas afiadas difíceis de alcançar no pós-processamento. Estas podem às vezes se romper durante a operação e causar falha do sistema.
 
Segundo, os pontos de conexão de cantos afiados geram fluxo turbulento, resultando em ineficiências energéticas. Terceiro, canais horizontais não utilizados podem acumular sujeira, reduzindo a vida operacional do sistema hidráulico.
 
A impressão 3D ajudou a GKN Additive a superar os desafios acima para criar um bloco hidráulico de melhor desempenho.
 
O peso do bloco hidráulico foi reduzido de 30 kg para 5,5 kg, sem sacrificar nenhuma funcionalidade. Com um novo design, foi possível eliminar o material em excesso e garantir que não houvesse sobreposições de furo dentro da peça.
 
Além disso, o novo design omite completamente os canais horizontais não utilizados, então a sujeira não tem onde se acumular. Finalmente, para reduzir o fluxo turbulento no sistema, engenheiros substituíram cantos internos afiados por tubulações suaves.
 
Resumindo os benefícios da impressão 3D para esta aplicação, a impressão 3D permitiu ao fabricante melhorar a funcionalidade do componente, usando menos material. Isso se traduziu em menor peso da peça e custo reduzido de manufatura.
 

Bloco de válvula hidráulica impresso em 3D da Liebherr

 
Outro bom exemplo de impressão 3D para hidráulica vem do Grupo Liebherr. Com a ajuda da impressão 3D, a empresa conseguiu redesenhar um bloco de válvula hidráulica de alta pressão, usado em aeronaves, para torná-lo mais leve e eficiente.
 
A equipe da Liebherr integrou 10 elementos funcionais no novo bloco de válvula, eliminando o complexo sistema de tubulações com muitos furos transversais. O resultado é um bloco de válvula 35% mais leve, feito de menos peças.
 
A peça impressa em 3D foi testada com sucesso em um voo de teste da aeronave A380.
 

Domin Fluid Power reimagina seus sistemas de potência de fluidos com impressão 3D

 
Fabricante britânico de sistemas hidráulicos, Domin, recorreu à impressão 3D para redevelopar suas válvulas servo de acionamento direto de alto desempenho, usadas para transformar sinais em pressão.
 
A Domin afirma que a impressão 3D lhe dá a capacidade de construir peças complexas, mais rápido e sem ferramental. Por exemplo, a empresa projetou um de seus acionamentos que é 25% do tamanho original e 25% mais potente. A peça foi produzida por um terço do custo, e o tempo de manufatura foi reduzido de 5,5 horas para apenas 1 hora.
 
Tais resultados seriam impossíveis de alcançar com métodos convencionais, afirma a Domin.
 

Ford imprime em 3D um manifold de admissão

Embora tenhamos visto exemplos de componentes hidráulicos impressos em 3D para equipamentos pesados e aeronaves, a Ford tem sido pioneira na impressão 3D para sistemas hidráulicos automotivos.
 
No ano passado, a montadora exibiu o que afirma ser o maior manifold de admissão metálico impresso em 3D já colocado dentro de um veículo funcional.
 
Esse veículo é a picape Ford 'Hoonitruck' de Ken Block.

 
O veículo exigia um manifold de admissão especial para suprir os cilindros do motor com ar dos turbocompressores, e a Ford decidiu recorrer à impressão 3D metálica.
 
A peça é impressa em 3D de alumínio, usando uma máquina Concept Laser, e levou 5 dias para construir. Usando software CAD de ponta, foi possível criar uma estrutura complexa semelhante a uma teia que não poderia ser feita com métodos de manufatura tradicionais. O design é otimizado para melhor desempenho e menor peso — a peça final pesa apenas 6 kg.
 

Bosch Rexroth usa impressão 3D de areia para manifolds

 
Além da impressão 3D metálica, há também a opção de imprimir um núcleo de areia em 3D que pode subsequentemente ser usado para fundir um componente hidráulico. O processo usado para esta aplicação é chamado binder jetting, e funciona depositando seletivamente um agente ligante em uma camada de areia de sílica.
 
A Bosch Rexroth tem usado impressão 3D de areia para produzir núcleos de fundição para blocos de controle há vários anos.
 
Entre os principais benefícios, a Bosch Rexroth cita a capacidade de integrar componentes de máquina, como filtros no manifold, e redução de peso de até 30 por cento.
 
Benefícios adicionais incluem a necessidade eliminada de furos auxiliares que podem causar vazamentos e otimização de canais de fluxo internos que melhoram a eficiência energética.
 

Reimaginando componentes hidráulicos com impressão 3D

À medida que a indústria hidráulica busca componentes mais eficientes energeticamente e menores, a impressão 3D oferece uma opção para desenvolver e produzir designs de melhor desempenho.
 
Vendo as vantagens em lead time, economia de peso e custo e desempenho habilitados pela impressão 3D, muitos fabricantes de componentes hidráulicos estão começando a explorar esta tecnologia para seus produtos.
 
Daqui para frente, esperamos que o papel da impressão 3D na produção de componentes hidráulicos aumente, ajudando empresas do setor hidráulico a acompanhar tendências atuais e futuras.