Nuevo diseño del colector del bloque hidráulico para fabricación aditiva

Renishaw está trabajando con un cliente en el nuevo diseño de su colector hidráulico, que tiene previsto construir mediante FA. El objetivo principal del proyecto era reducir la masa de los componentes sin perder rigidez. La libertad de diseño de la FA nos dio la oportunidad de aumentar la eficacia de los conductos internos.

¿Qué es un colector del bloque hidráulico?

Un colector de bloque hidráulico dirige el caudal del sistema hidráulico que conecta las válvulas, las bombas y los activadores. El ingeniero de diseño puede controlar el funcionamiento de un circuito hidráulico combinando los componentes en una unidad compacta.

Fabricación tradicional de colectores de bloque hidráulicos

Tradicionalmente, los colectores de bloque hidráulicos se fabrican en una aleación de aluminio o sobre un lingote de acero inoxidable cortado y mecanizado a medida y, seguidamente, se perforan taladros para crear las estructuras internas del fluido. Debido a la complejidad de los taladros, a menudo se necesitan herramientas especiales. Los canales requieren juntas ciegas para dirigir correctamente el caudal hidráulico del sistema.

Por su naturaleza, el proceso de fabricación genera unas uniones de ángulos abruptas entre las conducciones, que pueden provocar la división del caudal o puntos de estancamiento, principales causantes de la pérdida de eficiencia.

Los colectores de aleación de aluminio son generalmente menos costosos, por precio más bajo del material y la facilidad de mecanizado, sin embargo, son menos resistentes a la abrasión y, por consiguiente, pueden perder partículas en el caudal y erosionar la superficie acelerando el desgaste. Por tanto, los colectores de acero inoxidable son a veces más adecuados, no obstante, debido a su alta densidad y dureza, comparadas con la aleación de aluminio, generalmente, incrementan el peso y el coste de mecanizado.

Nuevo diseño para FA: alcance de diseño

La FA aporta una libertad de diseño mucho mayor, por tanto, es posible adaptar la geometría del componente para reducir la masa y mejorar la funcionalidad, en el mismo espacio. Para crear el nuevo diseño del componente, Renishaw debía cumplir determinadas directrices y funciones del cliente:

Primera repetición de diseño

El primer paso consistía en deconstruir la pieza para dejar únicamente los pasos esenciales de funcionalidad del colector de bloque hidráulico. Se extrajeron las rutas del caudal con perforaciones cruzadas del diseño original en un software CAD y se eliminaron las áreas perforadas innecesarias para del caudal, manteniendo únicamente la red de conducciones imprescindible.

Se redujo y simplificó cada circuito hidráulico para preparar el análisis de mecánica de fluidos computacional (CFD) en la Simulación de flujo de SOLIDWORKS.

A continuación, se optimizaron las rutas del caudal después de identificar las áreas de división del caudal o puntos de estancamiento mediante el análisis de CFD.

Después, se generó el grosor de las paredes, en este caso siguiendo la especificación del cliente, aunque puede hacerse también mediante un modelado de estrés del análisis de elementos finito (FEA) basado en las lecturas de presión obtenidas durante el análisis de CFD.

Por último, se diseñaron las estructuras de soporte permanentes y se añadieron a la geometría CAD, para crear una estructura eficaz de auto-soporte. Generalmente, las estructuras de soporte se añaden a una geometría final durante el post-proceso del diseño del componente para anclar el objeto a la placa de montaje y disipar el calor, por consiguiente, al incluir los soportes en el diseño del componente se reduce el material de desecho potencial asociado a las estructuras de soporte o anclaje.

En la primera repetición de diseño, se consiguió una reducción de volumen del 52% respecto al colector de bloque original, además de una mejora de la efectividad del caudal de hasta un 60%.

Segunda repetición de diseño

La primera repetición se construyó en Renishaw y fue evaluada por el cliente, que examinó la nueva geometría en su funcionamiento como colector; el colector original está diseñado para un uso modular, con varias unidades instaladas en fases. Los colectores de bloque hidráulicos individuales tienen que retirarse ocasionalmente de la cadena para mantenimiento; por lo que es necesario incluir canales de ‘extracción de bloques' roscados.

La primera repetición de geometría de FA incluye características que el técnico puede utilizar para extraer manualmente el colector sin necesidad de herramientas, por lo que no son necesarios los canales de extracción de bloques. Al eliminar estos canales de extracción de bloques del modelo CAD, se transforma inmediatamente la compleja red de estructuras de auto-soporte, por lo que es necesario rediseñar el modelo.

Se observó que la repetición 1 podría estar sometida a flexión, distorsión torsional o interferencias durante el mecanizado, debido a la reducción de volumen del material respecto al bloque sólido. Al tiempo que aumentaba la rigidez, el nuevo diseño produjo un colector final con solo un 21% del volumen del original.

Esta significativa reducción de volumen, nos permitió producir la repetición 2 en un material más apropiado, como el acero inoxidable 316L. Se consiguió una reducción neta del peso de un 37%, incluso en un material de mayor densidad (8 g/cm³ en acero inoxidable y < 3 g/cm³ en aleación de aluminio)

Resumen de resultados

Trabajo en Renishaw

En Renishaw sabemos que para obtener los mejores componentes posibles en un proceso de fabricación aditiva, el usuario debe saber que el diseño de FA tiene un grado de libertad mucho mayor, comparado con las técnicas de fabricación tradicionales, como el mecanizado y la fundición. En Renishaw, impartimos cursos de formación y diseño de procesos, incluso después de adquirir un sistema de FA.

Para las empresas que estén considerando la posibilidad de integrar la FA en sus procesos de producción, nuestros Centros de Soluciones internacionales son el mejor punto de partida.

Los Centros de Soluciones de Renishaw proporcionan un entorno de desarrollo seguro donde puede ampliar sus conocimientos y experiencia con la tecnología de fabricación aditiva. Están equipados con las máquinas de fabricación aditiva más modernas y cuentan con personal técnico profesional experto, y proporcionan un acceso rápido para desarrollar la tecnología, con un coste fijo previsible.